Project

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Lithium conducting polymer electrolytes with polysulphide barrier properties

English title Lithium conducting polymer electrolytes with polysulphide barrier properties
Applicant Gubler Lorenz
Number 144292
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.01.2013 - 31.12.2016
Approved amount 248'402.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Physical Chemistry

Keywords (7)

single-ion conductor; polysulphide shuttle; graft copolymerization; lithium-sulphur battery; solid polymer electrolyte; polymer electrolyte; lithium-metal battery

Lay Summary (German)

Lead
Lithiumionen-Batterien sind allgegenwärtig im täglichen Leben und sind kaum wegzudenken als Energiequellen für portable elektrische und elektronische Geräte wie z.B. Akkuschrauber und Mobiltelefone. Für viele existierende Einsatzgebiete und potentiell zukünftige Anwendungen, insbesondere in Elektrofahrzeugen, ist eine Erhöhung der Energiedichte wünschenswert oder erforderlich. Mit Batterien des Typs Lithium-Schwefel könnte eine Verdoppelung oder Verdreifachung der spezifischen Ladung von Zellen erreicht werden. Allerdings ist derzeit die Zyklenstabilität der Lithium-Schwefel Batterie beschränkt, was unter anderem auf die Bildung von löslichen Lithium-Sulfiden zurückzuführen ist. Dadurch verliert die positive Elektrode an aktiver Masse. Zusätzlich kommt es zur Bildung von Ablagerungen an der negativen Elektrode, was zu einem erhöhten Zellwiderstand führt.
Lay summary

Projekttitel: Lithiumionen-leitende Polymer-Elektrolyte mit Barriereeigenschaften für Polysulfid-Anionen

Lead

Lithiumionen-Batterien sind allgegenwärtig im täglichen Leben und sind kaum wegzudenken als Energiequellen für portable elektrische und elektronische Geräte wie z.B. Akkuschrauber und Mobiltelefone. Für viele existierende Einsatzgebiete und potentiell zukünftige Anwendungen, insbesondere in Elektrofahrzeugen, ist eine Erhöhung der Energiedichte wünschenswert oder erforderlich. Mit Batterien des Typs Lithium-Schwefel könnte eine Verdoppelung oder Verdreifachung der spezifischen Ladung von Zellen erreicht werden. Allerdings ist derzeit die Zyklenstabilität der Lithium-Schwefel Batterie beschränkt, was unter anderem auf die Bildung von löslichen Lithium-Sulfiden zurückzuführen ist. Dadurch verliert die positive Elektrode an aktiver Masse. Zusätzlich kommt es zur Bildung von Ablagerungen an der negativen Elektrode, was zu einem erhöhten Zellwiderstand führt.

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Die Anreicherung löslicher Polysulfide im Elektrolyten und die damit verbundenen Folgereaktionen könnten minimiert oder eliminiert werden, falls der Elektrolyt eine hohe selektive Leitfähigkeit für Lithiumionen aufweist und den Durchtritt von Polysulfid-Anionen unterbinden kann. Dies soll im Rahmen dieses Projektes durch gezielte Modifizierung und Funktionalisierung poröser Separator-Materialien durch Einbringung dünner Schichten mit hoher Selektivität für Li-Ionen realisiert werden. Der selektive Transport der positiv geladenen Lithiumionen ist möglich in Kationenaustauscher-Polymeren. Die im Polymergerüst vorhandenen negativ geladenen Anionen wirken aufgrund der gleichwertigen Ladung als Barriere für Polysulfid-Anionen. Mittels Experimenten in realen Lithium-Schwefel Batteriezellen können die verschiedenen entwickelten Elektrolyt-Membranen evaluiert und bewertet werden.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die Batterieforschung ist ein sehr aktives Forschungsgebiet, sowohl im akademischen als auch im industriellen Umfeld. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse können wesentliche Impulse für die Entwicklung von neuen Materialien und Komponenten für Lithium-Batterien der nächsten Generation geben.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 24.08.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Electrochemical impedance spectroscopy of a Li–S battery: Part 2. Influence of separator chemistry on the lithium electrode/electrolyte interface
Conder Joanna, Villevieille Claire, Trabesinger Sigita, Novák Petr, Gubler Lorenz, Bouchet Renaud (2017), Electrochemical impedance spectroscopy of a Li–S battery: Part 2. Influence of separator chemistry on the lithium electrode/electrolyte interface, in Electrochimica Acta, 255, 379-390.
Electrochemical impedance spectroscopy of a Li–S battery: Part 1. Influence of the electrode and electrolyte compositions on the impedance of symmetric cells
Conder Joanna, Villevieille Claire, Trabesinger Sigita, Novák Petr, Gubler Lorenz, Bouchet Renaud (2017), Electrochemical impedance spectroscopy of a Li–S battery: Part 1. Influence of the electrode and electrolyte compositions on the impedance of symmetric cells, in Electrochimica Acta, 244, 61-68.
Direct observation of lithium polysulfides in lithium-sulfur batteries using operando X-ray diffraction
Conder Joanna, Bouchet Renaud, Trabesinger Sigita, Marino Cyril, Gubler Lorenz, Villevieille Claire (2017), Direct observation of lithium polysulfides in lithium-sulfur batteries using operando X-ray diffraction, in Nature Energy, 2, 17069.
Performance-enhancing asymmetric separator for lithium−sulfur batteries
Conder Joanna, Forner-Cuenca Antoni, Müller-Gubler Elisabeth, Gubler Lorenz, Novák Petr, Trabesinger Sigita (2016), Performance-enhancing asymmetric separator for lithium−sulfur batteries, in ACS Applied Materials & Interfaces, 8, 18822-18831.
Taming the polysulphide shuttle in Li–S batteries by plasma-induced asymmetric functionalisation of the separator
Joanna Conder, Sigita Urbonaite, Daniel Streich, Petr Novák, Lorenz Gubler (2015), Taming the polysulphide shuttle in Li–S batteries by plasma-induced asymmetric functionalisation of the separator, in RSC Advances, 5, 79654-79660.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Linda Nazar, University of Waterloo, Ontario Canada (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Prof. D. Aurbach, Bar-Ilan University Israel (Asia)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Renaud Bouchet, Université de Grenoble Alpes France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Claire Villevieille, Paul Scherrer Institut Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
18th International Meeting on Lithium Batteries (IMLB), Talk given at a conference Operando techniques to probe battery materials 19.06.2016 Chicago, United States of America Conder Joanna Maria;
International Battery Association (IBA) Talk given at a conference Operando techniques to probe battery materials 20.03.2016 Nantes, France Conder Joanna Maria;
International Battery Association (IBA) Poster Polysulphides confined! New design of the separator for better Li–S cell performance 20.03.2016 Nantes, France Novák Petr; Conder Joanna Maria; Gubler Lorenz; Trabesinger Sigita;
66th annual meeting of ISE Poster Search for Perfect Carbonaceous Sulphur Hosts for Li–S Batteries 05.10.2015 Taipei, Taiwan Novák Petr; Trabesinger Sigita;
Lithium Battery Discussions (LiBD) 2015 Poster Taming the polysulfide shuttle in Li-S battery 22.06.2015 Arcachon, France Novák Petr; Conder Joanna Maria;
Materials Research Society (MRS) Spring Meeting Talk given at a conference Taming the polysulfide shuttle in Li-S batteries: a functionalized separator obtained by plasma induced graft copolymerization 06.04.2015 San Francisco, United States of America Conder Joanna Maria;
3rd Workshop “Lithium-Sulfur-Batteries” Poster New design of a separator for the Li-S battery by plasma induced grafting of styrene sulfonate onto porous polypropylene 12.11.2014 Dresden, Germany Conder Joanna Maria;
65th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry Talk given at a conference PP-based Ion-exchange Membrane for Li-S Batteries Prepared by Plasma Induced Graft Copolymerization 31.08.2014 Lausanne, Switzerland Gubler Lorenz; Conder Joanna Maria; Novák Petr; Trabesinger Sigita;
IMLB2014 Poster High Specific Charge and Long Cycle Life of Simple Li–S Batteries 10.06.2014 Como, Italy Trabesinger Sigita; Novák Petr;
6th International Conference on Polymer Batteries and Fuel Cells Poster Grafting of Styrene onto Plasma-activated Polypropylene 03.06.2013 Ulm, Germany Gubler Lorenz; Novák Petr; Conder Joanna Maria; Trabesinger Sigita;


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
BASF Research Network Workshop 16.12.2013 Ludwigshafen, Germany Novák Petr; Trabesinger Sigita;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: radio, television Paul Scherrer Institut entwickelt Akku der Zukunft SRF, Regionaljournal Aargau Solothurn German-speaking Switzerland 2017
New media (web, blogs, podcasts, news feeds etc.) A new generation of lithium batteries is approaching industrial implementation PSI website International 2013
Print (books, brochures, leaflets) PSI Electrochemistry Annual report International 2013

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
132382 Antioxidant strategies for the stabilization of fuel cell membranes against oxidative stress 01.10.2010 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The scientific vision of the proposed project is to understand the design of functional polymer electrolyte membranes based on the grafting approach. Such membrane could be used for future lithium-sulphur batteries, where conductivity for Li+-ions is needed but the passage of polysulphide anions is not desired More precisely, one of the challenges in using sulphur as positive electrode material is the solubility of the partially reduced lithium polysulphides (Sn2-, n = 3-6) in the liquid electrolyte, and this leads to massive self-discharge and specific capac-ity loss. Therefore alternative approach must be identified and scientifically understood.Our approach to tackle this issue is the use of single Li-ion conducting polymers in the form of cation exchange membranes. Such membranes were already described, however, the con-ductivity of these polymers is too low. It is envisaged as a primary approach in the proposed project to study composite porous membranes with a thin cation exchange barrier layer (poly-mer ‘skin’), allowing selective Li-ion transport. The approach is based on the established con-cept used in separation membrane technology, where asymmetric porous membranes are coated with a thin polymer layer on one side to provide selectivity for molecules of specific sizes. Here, the Donnan exclusion of anions by a cation exchange ionomer is exploited. The functionalisation of the macroporous substrate will be carried out by grafting cation ex-change groups into surface-near regions.In addition, the modification of more traditional polyethylene oxide (PEO) based solid polymer electrolytes for Li-ion batteries will be explored by introducing grafted cation exchange groups. This will enhance the rejection of polysulphide anions and, additionally, prevent the crystallisation of the PEO, which severely impairs Li-ion conductivity.The proposed study is aimed at identifying polymer architectures for single Li-ion conducting composite electrolyte membranes with polysulphide rejection properties and gaining an un-derstanding of composition-structure-property relationships regarding the functioning of the material in the lithium-sulphur battery.
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