Development of three component solid-polymer electrolytes for energy storage applications

Abstract

À medida que a sociedade moderna enfrenta um aumento industrial e populacional, as questões associadas à escassez, impacto ambiental e custos de energia tornam-se numa preocupação cada vez mais significativa, levando a que o armazenamento de energia tenha um papel crítico para a segurança energética e revolução digital, fortemente associada a mobilidade. No entanto existe ainda a necessidade de resolver alguns problemas relacionados com as baterias de ião-lítio, como segurança e durabilidade. Neste contexto, os eletrólitos sólidos poliméricos (SPE) são considerados uma tecnologia promissora para superar esses problemas num futuro próximo. Neste trabalho é proposto um novo sistema ternário composto por uma matriz polimérica de base fluorinada de poli(fluoreto de vinilideno co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP), um líquido iónico (IL) e um zeólito. Durante o trabalho foram incorporados na matriz de PVDF-HFP diferentes tipos de ILs e zeólitos, e as suas propriedades foram avaliadas a fim de otimizar o desempenho em baterias. O efeito das condições de processamento dos compósitos (ordem de adição dos componentes e temperatura de evaporação de solvente) também foi estudado por forma a avaliar a sua influência nas propriedades do SPE. Os materiais e condições de processamento com melhores desempenhos foram então combinados para maximizar a otimização do eletrólito. Os resultados obtidos demonstram potencial, tendo-se observado que a incorporação de zeólitos em SPEs, reportada pela primeira vez neste trabalho, aumenta a estabilidade térmica, mecânica e eletroquímica do sistema, resultando em baterias de longa vida útil. Além disso, foi alcançada uma excelente capacidade da bateria com valores máximos de 150 mAh g-1 à taxa C/10 para as amostras otimizadas, comprovando a relevância da escolha dos materiais e procedimentos para otimizar o desempenho. Finalmente, a aplicação do polímero poli(fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoretileno) pela primeira vez em SPEs resultou numa alta capacidade de descarga para altas taxas, inferindo o papel de uma alta constante dielétrica na melhoria do desempenho da bateria. Este trabalho representa um importante contributo na área de SPEs, visto que demonstra a relevância da constante dielétrica do polímero e a aplicação de zeólitos como agente estabilizador numa bateria, permitindo alcançar excelentes capacidades e durabilidade, mesmo a altas taxas de descarga e à temperatura ambiente, o que comprova a adequação deste sistema ternário para aplicação na próxima geração de baterias de ião-lítio de estado sólido.

As the modern society faces a growing population and industrialization, the issues associated energy scarcity, environmental impact and costs are becoming a more significant concern, which makes the energy storage a critical step towards the energy security and the digital revolution implementation, associated with an increasing mobility. Despite their widespread use, lithium-ion batteries still present both of safety and durability issues that need to be addressed. Solid polymer electrolytes (SPE) represent a promising technology to overcome those issues in the near future. In this work, a novel ternary system comprising a fluorinated polymer matrix based on poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP), an ionic liquid (IL) and a zeolite is proposed. Different kinds of zeolites and ILs were incorporated in the PVDF-HFP matrix and their properties were evaluated in order to optimize the system to maximize battery performance. The impact of the composites’ processing conditions (component addition order and solvent evaporation temperature) were also studied to assess their influence SPE properties. The best materials and processing conditions were then combined to obtain the most optimized electrolyte. The obtained results have shown to be promising, with the first ever application of zeolites in SPEs proving to improve the overall stability of the system, resulting in long lifecycle batteries. Excellent battery capacity was also achieved with values up to 150 mAh g-1 at C/10 rate (where C corresponds to the theoretical capacity of 170 mAh g-1) for the optimized samples, which proves the relevance of choosing the right materials and procedures for the best performance. Finally, the application of the poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) polymer for the first time in solid polymer electrolytes resulted in high discharge capacity at high discharge rates, highlighting the role of a high dielectric constant in improving the battery performance. This work represents a relevant contribution in the area of solid polymer electrolytes, as it highlights the relevance of the dielectric constant of the polymer and shows the application of zeolites as a stabilization agent in batteries, allowing to achieve excellent capacity and durability even at high discharge rates and room temperature, which proves the suitability of this ternary system for next generation solid-state lithium-ion batteries.