Electrode Interphases for High-Energy Batteries
- Reference number
- FFL18-0269
- Project leader
- J. Berg, Erik
- Start and end dates
- 200601-250531
- Amount granted
- 12 000 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Rechargeable batteries are critical to accelerate the societal transition from fossil fuels to renewable energies; for example, these systems buffer the intermittency of solar and wind power and they fuel electric vehicles. The Li-ion battery outperforms today all other rechargeable technologies due to its ability to store a large amount of energy reversibly. The key are nm-thick interphases separating the highly polarized electrodes from the thermodynamically unstable electrolyte. Despite the success, there is a lack of fundamental understanding of electrode/electrolyte interphases, which in turn hampers further development in the field. This gap in knowledge I intend to fill. With the proposed research program, I plan to study how critical parameters of electrode/electrolyte interphases (such as composition, structure, thickness, formation/dissolution kinetics, swelling, etc.) govern the stability and efficiency of electrodes and electrolytes for charge-storage applications. The methodology relies on the preparation of model electrode interphases and their operando characterization based on a broad experimental platform of highly surface-sensitive techniques. The mechanistic insights thus gained should form a scientific basis for design principles of future high-performance rechargeable batteries with enhanced energy, lifetime, and safety at a lower cost.
Popular science description
Elektrisk energilagring är en förutsättning för en storskalig övergång från fossila till förnyelsebara energikällor. I detta sammanhang spelar laddningsbara batterier en avgörande roll. Batterier fungerar till exempel som en miljövänlig energikälla i elfordon laddade med överskottsel från sol- och vindkraft. Li-jonbatterier överträffar idag alla andra återuppladdningsbara system på grund av låg vikt, liten volym, och lång drifttid. Den tekniska förklaringen bakom framgången är cellens elektrodmaterial som reversibelt kan lagra förhållandevis mycket laddning vid höga cellspänningar - t.o.m. långt utanför den omgivande elektrolytens stabilitetsfönster. Orsaken till denna stabilitet återfinns hos ett nanometer-tjockt gränsskikt som separerar elektroden från elektrolyten och därigenom förhindrar sidoreaktioner mellan dessa komponenter att bryta ned cellen. Trots den succé som Li-jonbatterier inneburit så saknas fortfarande förståelse för hur grundläggande egenskaper hos dessa elektrodgränssikt påverkar cellens stabilitet, vilket i förlängningen förhindrar vidare utveckling och tillämpning av kommande generationer batterier. Det föreslagna forskningsprogrammet syftar till att undersöka, förklara och utveckla gränssikt mellan laddningsbärande elektroder och elektrolyter. Metoden går ut på att tillverka modellgränsskikt, antingen genom tillsättning av ytskiktsbildande molekylära elektrolyttillsatser eller genom deponering av ytbeläggningar på elektroderna före sammansättningen av batteriet. Då de flesta elektrokemiska processer enbart låter sig studeras i realtid måste den experimentella ansatsen baseras på s.k. operando-metoder som tillåter analys av batteriet direkt under en upp- eller urladdning. Målet är att vidareutveckla och tillämpa en experimentell plattform som kombinerar elektrokemisk masspektrometri, kvartskristallmikrovågar, och vibrationsspektroskopi för att specifikt undersöka hur kompositionen, strukturen, tjockleken, mekaniska egenskaper, formering- och upplösningskinetik påverkar stabiliteten och effektiviteten av skiktet som separerar i gränsytan mellan batterielektroderna och elektrolyten. Resultaten förväntas vägleda design, utveckling och tillämpning av framtida laddningsbara batterier med högre energitäthet, verkningsgrad, säkerhet och längre livslängd.