Engineering the Li-ion conductivity in solid-composite electrolytes

Promovendus/a: Simon Hollevoet

Promotor(en): Prof. dr. Philippe Vereecken, Dr. Brecht Put

Lithium ion batterijen (LIB's) hebben een hoge energiedichtheid, wat van hen ideale kandidaten maakt voor toepassingen zoals elektrische voertuigen. Huidige LIB's hebben echter een vloeibaar elektrolyt dat gebaseerd is op vluchtige oplosmiddelen. Dit leidt tot veiligheidsrisico's en limiteert de minimisatie van LiB's. Een oplossing hiervoor kan komen van vaste-stof LIB's, waarin het vloeibaar elektrolyt vervangen wordt door een vaste-stof elektrolyt.



Vaste-stof composiet elektrolyten (SCE’s) zijn een veelbelovende subcategorie van vaste-stof elektrolyten die een hoge geleidbaarheid kunnen combineren met een elektrochemische stabiliteit tegen elektrodes. SCE’s bestaan uit een inert oxide, gemend met een elektrolyt. Eén van de meest veelbelovende eigenschappen van SCE’s is de gerapporteerde verhoging van geleidbaarheid (tot 4 grootte ordes) in vergelijking met het elektrolyt. Echter, op dit moment kan enkel een gemiddelde van de bulk- en oppervlakte-geleidbaarheid gemeten worden in SCE’s. Dit doordat het oppervlak van het oxide zo complex is.



Deze thesis heeft als doel een nieuwe methodologie te ontwikkelen om via dunne elektrolyt lagen op vlakke oxides de geleidbaarheid lateraal aan het elektrolyt/oxide oppervlak rechtstreeks te meten. Om dit te bereiken wordt eerst impedantie spectroscopie op vaste-stof elektrolyten in een metaal-elektrolyt-metaal configuratie grondig beschreven. Daarbij wordt LiPON als modelmateriaal gebruikt. Vervolgens worden geschrankte electrode rijen (IDEA's) voorgesteld als teststructuren om de geleiding te meten op het grensvlak tussen de Li-ion geleider en het oxide. Er wordt aangetoond hoe de geleidbaarheid kan verkregen worden via impedantie spectroscopie op dunne-film elektrolyten gedeponeerd op IDEA’s. In tegenstelling tot eerdere werken wordt de impedantie van het volledige frequentiegebied verklaard.



De ontwikkelde methodologie wordt ook toegepast op dunne-film ionische vloeistof elektrolyten (ILE) op silica substraten. De sterke interactie tussen de geadsorbeerde ILE laag en het silica substraat resulteert in een 10-voudige verhoging van het geleidingsvermogen voor de dunste ILE filmen. Ook functionalisatie door het variëren van het oxide of door afzetting van zelf-assemblerende monolagen op het substraat toonde een duidelijk effect op de ILE dunne film.



Tot slot wordt een vaste-stof SCE gedemonstreerd die door een gecombineerde afzetting van atomaire laag depositie en moleculaire laag depositie tot stand kwam. Dit samengestelde elektrolyt werd gekarakteriseerd en tenslotte gedemonstreerd in een dunne-film vaste-stof batterij.