Composite polymer electrolytes with modified mesoporous silica filler for Li-ion batteries

• Autorzy: Osińska-Broniarz M. , Pokora M. , Walkowiak M. , Martyła A.

Warianty tytułu

PL

Kompozytowe elektrolity polimerowe z modyfikowanym mezoporowatym wypełniaczem krzemionkowym do akumulatorów litowo-jonowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Dispersing fine ceramic particles in polymer matrices has proved to be one of the most effective ways of enhancing key structural and electrochemical parameters of polymer electrolytes for rechargeable lithium batteries. It is now widely recognized that the phase composition, morphology and surface chemistry of the filler all exert a clear impact on the way it interacts with the polymer host, thus contributing to the final outcome in terms of ionic mobility, thermal, mechanical, chemical and electrochemical stability in lithium cells. In the present contribution we manufactured microporous polymer membranes based on copolymer poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) (PVdF/HFP) using a two-step approach originally proposed by Bellcore. A mesoporous silica filler MCM-41 was synthesized and functionalized with chlorosilane. After the effect of functionalization was verified by means of FTIR spectroscopy, the fillers were incorporated in the polymer matrices and the resulting dry composite membranes showed a well-developed porous structure and a high ability to absorb liquid media with the formation of stable gels. The good physical properties of the membranes were attributed to the enhanced compatibility of the filler with the fluoropolymer matrix. The composite gel electrolytes were prepared by soaking the dry membranes with a conventional lithium cation conducting liquid electrolyte and their electrochemical characteristics were determined in terms of the temperature dependence of ionic conductivity and electrochemical window. During the experimental studies we observed high conductivities at room temperatures exceeding about 2*10‒3 S/cm and decidedly better anodic stability for composite gel electrolytes with an addition of mesoporous silica with and without surface modification.

PL

Ciągły rozwój technologiczny, którego konsekwencją jest wzrastająca liczba wykorzystywanych przez nas urządzeń elektronicznych, wymusza poszukiwanie coraz to nowszych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych chemicznych źródeł prądu umożliwiających ich zasilanie. Akumulatory litowo-jonowe cechują się, jak dotychczas, największą wśród obecnie znanych ogniw żywotnością cykliczną oraz pojemnością w stosunku do ich ciężaru. Jednakże stosowane w nich ciekłe elektrolity organiczne powodują, że akumulatory tego rodzaju nie są w stanie zapewnić odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa użytkowania i pojemności ogniw, stąd od kilkudziesięciu lat prowadzone są intensywne badania dotyczące zastąpienia tradycyjnych akumulatorów litowych z ciekłym elektrolitem akumulatorami litowo-polimerowymi, w których ciekły elektrolit zastąpiony zostaje przez elektrolit żelowy czy też polimerowy. Aby umożliwić zastosowanie tego typu elektrolitów w praktycznych układach, stosuje się kolejne modyfikacje prowadzące do poprawy parametrów użytkowych poprzez dodawanie do matryc polimerowych różnego typu wypełniaczy ceramicznych. Przedmiotem naszych badań była charakterystyka fizykochemiczna i elektrochemiczna kompozytowych żelowych elektrolitów polimerowych o różnej budowie matrycy polimerowej i wykorzystaniu do ich wytwarzania wypełniaczy w postaci mezoporowatej czystej krzemionki MCM-41 oraz modyfikowanej powierzchniowo krzemionki MCM-41 z wykorzystaniem chlorosilanu. Badania wykazały znaczną poprawę przewodnictwa właściwego dla kompozytowych żelowych elektrolitów polimerowych, w stosunku do układów pozbawionych wypełniacza, jak również kompozytowe elektrolity polimerowe cechowały się wyższą stabilnością względem anody litowej, co prognozuje możliwość aplikacyjnego ich wykorzystania jako elektrolitów w ogniwach litowo-polimerowych.

Słowa kluczowe

EN

composite gel polymer electrolyte; mesoporous silica; chlorosilane; MCM-41; Li-ion batteries

PL

żelowe kompozytowe elektrolity polimerowe; krzemionka mezoporowata; chlorosilan; MCM-41; akumulatory litowo-jonowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 3
• Strony: 124--129
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys.

Twórcy

autor

Osińska-Broniarz M.

• Institute of Non-Ferrous Metals Branch in Poznan, Central Laboratory of Batteries and Cells, ul. Forteczna 12, 61-362 Poznan, Poland

autor

Pokora M.

• Institute of Non-Ferrous Metals Branch in Poznan, Central Laboratory of Batteries and Cells, ul. Forteczna 12, 61-362 Poznan, Poland

autor

Walkowiak M.

• Institute of Non-Ferrous Metals Branch in Poznan, Central Laboratory of Batteries and Cells, ul. Forteczna 12, 61-362 Poznan, Poland

autor

Martyła A.

• Institute of Non-Ferrous Metals Branch in Poznan, Central Laboratory of Batteries and Cells, ul. Forteczna 12, 61-362 Poznan, Poland

Bibliografia

• [1] Song J.Y., Wang Y.Y., Wan C.C., Review of gel-type polymer electrolytes for lithium-ion batteries, J. Power Sour. 1999, 77, 183-197.
• [2] Lilai L., Peixia Y., Lei L., Wen-yu C., Mao-Zhong A., PVDF-based comoposite polymer electrolyte for Li/LiFePO4 batteries, Int. J. Electrochem. Sci., 2012, 7, 12601-12609.
• [3] Arico A.S., Bruce P., Scrosati B., Tarascon J.-M., Van Schalkwijk W., Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices, Nature Mat. 2005, 4, 366-377.
• [4] Tarascon J.-M., Armand M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries, Nature 2001, 414, 359-367.
• [5] Goodenough J.B., Park K.-S., The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1167-1176.
• [6] Lee Y.-S., et al., Composite gel polymer electrolytes containing core-shell structured SiO2 (Li+) particles for lithium-ion polymer batteries, Electrochemistry Communications 2012, 17, 18-21.
• [7] Periasamy P., et al., Studies on PVdF-based gel polymer electrolytes, J. Power. Sour. 2000, 88, 269-273.
• [8] Saito Y., Capiglia C., Kataoka H., Yamamoto H., Ishikawa H., Mustarelli P., Conduction properties of PVDF-type polymer electrolytes with lithium salts, LiN(CF3SO2)2 and LiN(C2F5SO2)2 , Solid S. Ion. 2000, 136-137, 1161-1166.
• [9] Michot T., Nishimoto A., Watanabe M., Electrochemical properties of polymer gel electrolytes based on poly(vinylidene fluoride) copolymer and homopolymer, Electrochim. Acta 2000, 45, 1347-1360.
• [10] Zhang Y. et al., Study on performance of composite polymer films doped with modified molecular sieve for lithium-ion batteries, Electroch. Acta 2010, 55, 5793-5797.
• [11] Das S.K., Mandal S.S., Bhattacharyya A.J., Ionic conductivity, mechanical strength and Li-ion battery performance of mono-functional and bi-functional (“Janus”) “soggy sand” electrolytes, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1391-1399.
• [12] Nordstrom J., Matic A., Sun J., Forsyth M., MacFarlane D.R., Aggregation, ageing and transport properties of surface modified fumed silica dispersions, Soft Matter. 2010, 6, 2293-2299.
• [13] Sun J. et al., Gel electrolytes based on lithium modified silica nano-particles, Electroch.. Acta 2007, 52, 7083-7090.
• [14] Kresge C.T., Leonowicz M.E., Roth W.J., Vartuli J.C., Beck J.S., Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism, Nature 1992, 359, 710-712.
• [15] Suzuki N., Kamachi Y., Takai K., Kiba S., Sakka Y., Miyamoto N., Yamauchi Y., Effective use of mesoporous silica filler, Eur. J. Inorg. Chem. 2014, 17, 2773-2778.
• [16] Beck J.S. et al., A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114(27), 10834-10843.
• [17] Si-Han W., Chung-Yuan M., Hong-Ping L., Synthesis of mesoporous, silica
• [18] Karge H.G., Weitkamp J., Molecular Sieves 1, Springer, Netherlands, 1998.
• [19] Nishiyama N., Tanaka S., Egashira Y., Oku Y., Ueyama K., Vapor-phase synthesis of mesoporous silica thin films, Chem. Mater. 2003, 15(4), 1006-1011.
• [20] Saputra H., Synthesis and characterization of zirconium-containing nanoporous silica membranes, Master’s Thesis, Osaka University, Japan 2003.
• [21] Lionel N., Christel L.-R., Rozes L., Sanchez C., Hybrid materials science: a promised land for the integrative design of multifunctional materials, Nanoscale 2014, 6, 6267-6292.
• [22] Saputra H., et al., MCM-41 as a new separator material for electrochemical cell: Application in zinc-air system, J.M. Sci. 2011, 367, 152-157.
• [23] Tarascon J.-M., Gozdz A.S., Schmutz C., Shokoohi F., Warren P.C., Performance of Bellcore's plastic rechargeable Li-ion batteries, Solid S. Ion. 1996, 86, 49-54.
• [24] Liu F., Awanis Hashim N., Yutie L., Moghareh Abed M.R., Li K., Progress in the production and modification of PVDF membranes, J. Membrane Sci. 2011, 375, 1-27.
• [25] Walkowiak M., Pokora M., Półrolniczak P., Osińska-Broniarz M., Composite polymer-ceramic membranes with functionalized mesoporous fillers for energy storage applications. Monographic studies in molecular sieves: synthesis, characterization and applications. Proceedings of the XVIII Zeolite Forum 2, 93-99. Polish Zeolite Association 2012.
• [26] Walkowiak M., Osińska M., Jesionowski T., Siwińska-Stefańska K., Synthesis and characterization of a new hybrid TiO2/SiO2 filler for lithium conducting gel electrolytes, Cent. Eur. J. Chem. 2010, 8, 1311-1317.
• [27] Osińska M., Walkowiak M., Zalewska A., Jesionowski T., Study of the role of ceramic filler in composite gel electrolytes based on microporous polymer membranes, J. Membrane Sci. 2009, 326, 582-5881.