Photopolymerisable solid polymer electrolyte for lithium metal batteries

Abstract

Rechargeable lithium metal batteries (LMBs) could achieve significantly higher energy densities compared to the widely used lithium-ion batteries. However, LMBs are not compatible with standard liquid electrolytes. In comparison, solid polymer electrolytes (SPEs) have shown better compatibility with LMBs. The main disadvantage of SPEs is their low room-temperature ion conductivity. As a result, LMBs with SPEs are typically operated at elevated temperatures to increase the ion conductivity. This limits the applications of LMBs.

This work aimed to fabricate SPE material with high room-temperature ion conductivity for LMBs. The SPE material consisted of photopolymerisable poly(ethylene glycol) diacrylate polymer, lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide salt, glycerol plasticiser, and photoinitiator. The SPEs underwent photopolymerisation initiated with ultraviolet light.

The effect of glycerol plasticiser on the electrochemical properties, morphology, structure, and flexibility of the SPE material was investigated. Increasing the glycerol content increased the ion conductivity of the SPE material in the electrochemical impedance spectroscopy analysis. The glycerol plasticiser affected the morphology of surface irregularities of the SPEs based on the scanning electron microscopy results. However, it did not seem to have a significant effect on the structure of the SPE material in the X-ray diffraction analysis. The plasticiser also increased the flexibility of the SPE material.

The SPEs with approximately 30 wt-% of plasticiser and 50 wt-% of salt exhibited high ion conductivities of over 10^(–3) S cm^(–1) at room temperature. Overall, the glycerol plasticised, photopolymerised SPEs showed great potential as solid electrolytes for LMBs.

Litiummetalliakut voisivat saavuttaa huomattavasti korkeampia energiatiheyksiä kuin laajalti käytetyt litiumioniakut. Litiummetalliakut eivät kuitenkaan ole yhteensopivia tavanomaisten nestemäisten elektrolyyttien kanssa. Kiinteät polymeerielektrolyytit puolestaan ovat osoittaneet parempaa yhteensopivuutta litiummetalliakkujen kanssa. Niillä on kuitenkin matala ionijohtavuus huoneenlämmössä, joten niitä käytetään korkeissa lämpötiloissa, mikä puolestaan rajoittaa litiummetalliakkujen käyttösovelluksia.

Tämän työn tarkoitus oli valmistaa litiummetalliakkuihin kiinteitä polymeerielektrolyyttejä, joilla on korkea ionijohtavuus huoneenlämmössä. Kiinteät polymeerielektrolyytit koostuivat poly(etyleeniglykoli)diakrylaattivalopolymeeristä, litiumbis(trifluorimetaani)sulfonimidisuolasta, glyserolipehmittimestä ja valokäynnisteestä. Kiinteät polymeerielektrolyytit kovettiin ultraviolettivalopolymerisaatiolla.

Työssä tutkittiin glyserolipehmittimen vaikutusta polymeerielektrolyyttien sähkökemiallisiin ominaisuuksiin, morfologiaan, rakenteeseen ja joustavuuteen. Glyserolin lisääminen kasvatti materiaalin ionijohtavuutta sähkökemiallisten impedanssispektroskopiatulosten perusteella. Glyseroli vaikutti polymeerielektrolyyttien pinnan epätasaisuuksien morfologiaan pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvien perusteella. Sillä ei kuitenkaan ollut merkittävää vaikutusta polymeerielektrolyyttien rakenteeseen röntgendiffraktiotulosten perusteella. Pehmitin myös lisäsi materiaalin joustavuutta. Polymeerielektrolyytit, joissa oli noin 30 massaprosenttia pehmitintä ja 50 massaprosenttia suolaa, osoittivat huoneenlämmössä korkeaa, yli 10^(–3) S cm^(–1):n ionijohtavuutta. Glyserolilla pehmitetty, valopolymeroitu kiinteä polymeerielektrolyyttimateriaali osoittautui hyvin lupaavaksi kiinteäksi elektrolyytiksi litiummetalliakuihin.