Elucidation and comparison of the effects of lithium salts on discharge chemistry of nonaqueous li-O2 Batteries

Iliksu, Merve; Pitsch, Heinz; Sauer, Dirk Uwe

doi:10.18154/RWTH-2018-223782

Elucidation and comparison of the effects of lithium salts on discharge chemistry of nonaqueous li-O2 Batteries

Iliksu, Merve^RWTH*

2017 & 2018

VerantwortlichkeitsangabeMerve Iliksu

ImpressumAachen : ISEA 2017

Umfangxvi, 160 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 95

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Pitsch, Heinz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-05-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223782
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/722800/files/722800.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
lithium air (frei) ; battery (frei) ; electrolyte (frei) ; lithium salt (frei) ; lithium oxygen batteries (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
In dieser Arbeit wurden Li-O2-Batterien untersucht. Ihre theoretische spezifische Energie beträgt 3500 Wh / (kg Li2O2). Es gibt viele Herausforderungen zu überwinden, bevor die Li-O2 Batterietechnologie kommerzialisiert werden kann, wie zum Beispiel eine schlechte maximale Lade-/Entladerate sowie eine schlechte Zykluslebensdauer. Es wurde darauf hingewiesen, dass die Zersetzung von Elektrolyten die Wiederaufladbarkeit der Zelle untergräbt und dass die isolierende Eigenschaft des Hauptentladungsprodukts Li2O2 die maximale Kapazität begrenzt. Um das elektrochemische Entladungsverhalten bei verschiedenen Salz- und Lösungsmittelkombinationen zu verstehen, wurden galvanostatische Tests mit unterschiedlichen Konzentrationen des Salzes im Lösungsmittel durchgeführt. Mittels Raman-Spektroskopie wird der Grad der Ordnung der entladenen Kathodenoberflächen, als auch der Entladeprodukte analysiert. FT-IR-Messungen werden an Elektrolyt und Kathode durchgeführt, um die Bildung von Zerfallsprodukten zu beobachten. Mittels REM-Bildern werden die Veränderungen der Oberflächenmorphologie vor und nach der Entladung beobachtet. Wenn TEGDME (ein Lösungsmittel mit niedriger DN) verwendet wird, nimmt die Entladungskapazität der Zellen zu, bis eine bestimmte Konzentration von LiNO3 (ein Salz mit hoher DN) erreicht ist, und fällt dann rapide ab. Basierend auf einer vollständigen Ex-situ-Analyse unter Verwendung der bisher genannten Techniken wird die Hypothese aufgestellt, dass eine überschüssige Menge an LiNO3 mit der Kohlenstoffkathodenoberfläche reagiert und sie somit ungeeignet für den Aufbau von Entladungsprodukten macht. Wenn andererseits DMSO (ein Lösungsmittel mit hoher DN) im Elektrolyt verwendet wird, wird der Lösungsmechanismus durch das Lösungsmittel gefördert, was zu einer höheren Entladekapazität führt. Carbonate werden beobachtet und treten in Zellen mit höherer LiTFSI Konzentration stärker hervor, was darauf hinweist, dass das Salz die Bildung von Carbonaten fördert.

In this work Li-O2 batteries have been investigated. Their theoretical specific energy is 3500 Wh/(kg of Li2O2). There are many challenges to overcome before commercializing the Li-O2 battery technology could take place such as poor rate capability and poor cycle life. It has been pointed out that electrolyte decomposition undermines the cell’s rechargeability and the insulating nature of the main discharge product Li2O2 limits the maximum capacity. In order to understand the electrochemical discharge behavior at different salt and solvent combinations, Galvanostatic tests were conducted with different concentrations of the salt in the solvent. Raman spectroscopy is employed to analyze the degree of order of the discharged cathode surfaces and discharge products. FT-IR measurements are used on the electrolyte and cathode to observe the formation of decomposition products. SEM images are produced to observe the changes in surface morphology pre- and post-discharge. When TEGDME (low DN solvent) is used, the discharge capacity of the cells increases until a certain concentration of LiNO3 (high DN salt), then plummets. Based on the complete ex-situ analysis using these techniques, it is proposed that an excessive amount of LiNO3 reacts with the carbon cathode surface, rendering it unsuitable for discharge product build-up. On the other hand when DMSO (high DN solvent) is used in the electrolyte, the solution mechanism is promoted by the solvent leading to a higher discharge capacity. Carbonate species are observed and is more prominent in cells with more LiTFSI, indicating that the salt promotes this manner.

OpenAccess:
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