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Mixed anion and cation hydroborates as solid electrolytes for all-solid-state batteries

English title Mixed anion and cation hydroborates as solid electrolytes for all-solid-state batteries
Applicant Cerny Radovan
Number 172503
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Laboratoire de Cristallographie Université de Genève
Institution of higher education University of Geneva - GE
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.08.2017 - 31.03.2019
Approved amount 141'737.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Condensed Matter Physics
Inorganic Chemistry
Material Sciences

Keywords (5)

complex hydride; battery material; powder diffraction; all-solid state battery; solid electrolyte

Lay Summary (French)

Lead
La transition vers un système énergétique durable, sans carbone et fiable capable de répondre à la demande croissante d'énergie est considérée comme l'un des plus grands défis du XXIe siècle. L'une des alternatives aux combustibles fossiles sont les sources d'énergie renouvelables. Cependant, ces sources sont réparties inégalement à la fois en localisation et en temps, ce qui nécessite le développement de systèmes avancés de stockage d'énergie avec une grande capacité et une efficacité. Les approches les plus prometteuses sont basées sur le stockage direct de l'électricité dans les batteries et le stockage de l'hydrogène pour une utilisation ultérieure dans les piles à combustible. Après plusieurs années de développement de nouveaux matériaux pour les réservoirs d'hydrogène, nous avons décidé de concentrer nos efforts sur les batteries. Nous croyons apporter une contribution importante au développement de nouveaux matériaux pour les batteries tout-solides basées sur Hydrures.
Lay summary

Contenu et objectifs du travail de recherche

Les hydrures métalliques à base d'anions d'hydroborate légers tels que l'anion BH4-  ou le closo-borane anion B12H12 2- et contenant des cations de métaux alcalins comme Li+ et Na+ sont très bons électrolytes à l'état solide grâce à un comportement super-ionique, un nombre élevé de transfert de cations, bonne stabilité thermique, stabilité électrochimique élevée dans la réduction mais aussi dans un environnement oxydant, compatibilité avec les électrodes métallique de Li et Na et grâce à leurs légèreté.

Notre rôle dans le projet présenté ici est de transformer la connaissance accumulée des hydroborates en conception de nouveaux matériaux avec les propriétés souhaitées, des bons candidats pour les électrolytes à l'état solide. Notre nouvelle analogie de borohydrure /oxyde sera la source d'inspiration.

Contexte scientifique et social du projet de recherche

Le remplacement des électrolytes liquides dans les piles actuelles avec des électrolytes à l'état solide augmentera la durée de vie et la sécurité de la batterie en raison de la plus grande stabilité électrochimique et thermique et de l'inflammabilité diminuée. Cela ouvre la voie à la simplification et à la refonte des mesures de sécurité actuellement utilisées dans les cellules de la batterie et entraînera des procédures de production simplifiés et moins coûteux.
Direct link to Lay Summary Last update: 13.04.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Ethanol- and Methanol-Coordinated and Solvent-Free Dodecahydro closo-Dodecaborates of 3d Transition Metals and of Magnesium
Didelot Emilie, Łodziana Zbigniew, Murgia Fabrizio, Černý Radovan (2019), Ethanol- and Methanol-Coordinated and Solvent-Free Dodecahydro closo-Dodecaborates of 3d Transition Metals and of Magnesium, in Crystals, 9(7), 372-372.
Hydrated and anhydrous dodecahydro closo-dodecaborates of 3d transition metals and of magnesium
Didelot Emilie, Sadikin Yolanda, Łodziana Zbigniew, Černý Radovan (2019), Hydrated and anhydrous dodecahydro closo-dodecaborates of 3d transition metals and of magnesium, in Solid State Sciences, 90, 86-94.
Synthesis and crystal structure of solvent-free dodecahydro closo -dodecaborate of nickel, NiB 12 H 12
Sadikin Yolanda, Didelot Emilie, Łodziana Zbigniew, Černý Radovan (2018), Synthesis and crystal structure of solvent-free dodecahydro closo -dodecaborate of nickel, NiB 12 H 12, in Dalton Transactions, 47(16), 5843-5849.
Ionic conduction in bimetallic borohydride borate, LiCa3(BH4)(BO3)2
Didelot Emilie, Černý Radovan (2017), Ionic conduction in bimetallic borohydride borate, LiCa3(BH4)(BO3)2, in Solid State Ionics, 305, 16-22.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Polish Academy of Sciences, Institute of Nuclear Physics Poland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Third Bunsen Colloquium on Solid-State Batteries Talk given at a conference Mixed anion sodium closo-carborate-borate as electrolyte for all-solid-state batteries 14.11.2018 Frankfurt/Main, Germany Cerny Radovan;
Diffraction on energy materials, ILL-ESS users meeting Talk given at a conference Metal Hydro-Borates: from Hydrogen Storage to Batteries,Structural Design 10.10.2018 Grenoble, France Cerny Radovan;
SWM18 Manep Poster Closo-hydroborates of 3d transition metals and magnesium, synthesis and characterization 29.09.2018 les Diablerets, Switzerland Didelot Emilie;
Reunion anuelle de la SSCr. Talk given at a conference Metal Hydro-Borates for Li- and Na-ion Batteries 12.09.2018 PSI Villigen, Switzerland Cerny Radovan;
LiMBAT workshop Talk given at a conference Metal closo-hydroborates for Na-ion batteries 27.08.2018 Lillestrom, Norway Cerny Radovan;
ECM 31 Poster Metal Hydro-Borates for Li- and Na-ion Batteries 22.08.2018 Oviedo, Spain Cerny Radovan;
EPDIC16 Poster Metal Hydro-borates for Li- and Na-ion Batteries 01.07.2018 Edinburgh, Great Britain and Northern Ireland Cerny Radovan;
EMRS Spring Meeting Talk given at a conference Na carborane – closoborane mix as fast ion conductor for solid-state batteries 18.06.2018 Strassbourg, France Cerny Radovan;
1st International Symposium on Solid State Batteries Talk given at a conference Crystal Chemistry Design of Metal Hydrides as Solid State Electrolytes 28.05.2018 EMPA Dübendorf, Switzerland Cerny Radovan;
1st Swiss & Surrounding Battery Days Talk given at a conference Mixed anion sodium closo-carborate-borate as electrolyte for all-solid-state batteries 23.05.2018 Baden, Switzerland Cerny Radovan;
The 21st International Conference on Solid Compounds of Transition Elements Talk given at a conference Closo-boranes of 3d transition metals, synthesis and characterization 25.03.2018 Vienna, Austria Didelot Emilie;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
149218 Polymetallic borohydrides for hydrogen storage and lithium batteries: crystal engineering. 01.10.2013 Project funding (Div. I-III)
152397 Metal-Hydride Organic Frameworks (HOF)-new solids for gas adsorption and separation 01.04.2014 SCOPES

Abstract

Replacement of liquid electrolytes in current commercially successful mobile application batteries with solid-state electrolytes will increase battery lifetime and safety due to the greater electrochemical and thermal stability, and diminished flammability. Metal hydrides based on light hydroborate anions such as borohydride [BH4]- or closo-borane anion [B12H12]2- and with high mobility of alkali metal cations such as Li+ and Na+ will be ideal solid-state electrolytes thanks to super-ionic behaviour, high cation transference number, good thermal stability, high electrochemical stability in reducing but also in oxidizing environment, compatibility with Li and Na electrodes and light weight.Our role in here presented project is to transform our accumulated knowledge of hydroborate salts crystal chemistry into design of novel materials with desired properties making them good candidates for solid-state electrolytes. Our recently established borohydride/oxide analogy will be the source of inspiration.At the end of the project we expect understanding the rules controlling the stability of polymetallic hydroborates, being able to design compounds with predicted super-ionic behaviour, directly applicable as solid electrolytes in all-solid Li- and Na-ion batteries.
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