Solid Electrolytes for Li and Na-ion Batteries

I SELINAB prosjektet har i 2019/20 vært i avslutningsfasen. De fire prosjekt-tilsatte har utført mer eksperimenter og modelleringer, men et betydelig fokus har vært på publisering og kommunikasjon. Prosjektets hovedmålsettinger har vært tatt videre: beregningsbasert prediksjon av nye / forbedrede fast-stoff elektrolytter for Li-/Na-ionebatterier; eksperimentell fremstilling av slike forbindelser med utgangspunkt i anbefalinger fra simuleringer; og elektrokjemisk og strukturell karakterisering av elektrolyttene, inklusive studier av ioneledning/diffusjon. Samarbeid med SINTEF har vært fullt integrert ved at (NFR/institutt) PhD har som hovedtema og studere ioneledere fra SELINAB prosjektet med fast-fase NMR. Kombinert med nøytronspektroskopi og modellering (DFT og molekyldynamikk) har dette gitt oss ny kunnskap om lokal struktur og dynamikk/diffusjon i ioneledere. Vekselvirkning med IFE har fortsatt gjennom MozeeS prosjektet (FME) og det formelt avsluttede LIMBAT prosjektet. Simuleringene har beveget seg videre fra prediksjon av mulige (nye) ioneledere og beregning av deres egenskaper, til å ha fokus på diffusjonsveier, aktiveringsbarrierer, diffusjonskoeffisienter, orden ? uorden problematikk (temperaturindusert eller stablefeil i lagdelte forbindelser). Det noe brede opprinnelige utgangspunktet knyttet til oksider, sulfider, hydrider, fluorider og nitrider, er snevret inn, med hovedfokus på oksider. I 2017-19 har det blitt utført en serie eksperimenter ved internasjonale nøytronanlegg (ISIS, UK og ANSTO, Australia) og synkrotronanlegg (ESRF) mhp studier av våre oksid og sulfidbaserte faststoff elektrolytter. Disse resultatene er i 2019/20 blitt tolket, og er nå i hovedsak publisert. SELINAB prosjektet har i perioden vekselvirket meget positivt med våre øvrige batteriaktiviteter. Det har vært spydspissen innen fast stoff elektrolytter, mens andre prosjekter har hatt fokus på katode og anodematerialer. Dette har muliggjort også bruk av nye fast-stoff elektrolytter i operando studier av batterier. En utfordring har vært at ioneledningsevnen ikke alltid er tilstrekkelig høy til at gode studier kan gjøres med ønskelig tidsoppløsning. Prosjektet har produsert solid vitenskap i perioden, og våre dyktige medarbeidere er i ferd med å avslutte PhD grad/kontrakter og gå videre i sine karrierer som forskere, bl.a. ved IFE.

SELINAB har bidratt til kunnskap og bygging av kapasitet innen batteriforskning, spesifikt Li-/Na-ione batterier. Det er utdannet 1 PhD og 2 pdocs, samt en seniorforsker. Disse vil i fremtiden jobbe innen FoU; batteriforskning, fornybar energi, materialforskning. I tillegg rapporteres 12-15 publikasjoner i internasjonale journaler. UiOs relasjoner til store internasjonale forskningsanlegg, synkrotron og nøytronbaserte er styrket. SELINAB har gitt solid innsikt i fast stoff elektrolytter, essensielle for å gå fra dagens væskebaserte elektrolytter til fast stoff baserte batterier, med mulighet før økt kapasitet og sikkerhet. Slike batterier forventes kommersialisert innen 1-5 år. Det er viktig at norske miljøer har kompetanse som kan etterspørres av næringsliv, er relevant for implementering av batterier i stor skala, utover landbasert transportsektor. For UiO er det viktig å dekke hele feltet, fra katode, via elektrolytt til anode, for å jobbe helhetlig med utfordringer og forbedringer.

Lithium based batteries have success in the domain of portable electronics, and are currently becoming a key technology for electric vehicle propulsion and are in parallel under evaluation for use in stationary applications. Such devices with high energy and power densities can currently be powered only by Li-batteries with organic liquid electrolytes. These batteries require relatively stringent safety precautions, making production and operation at large scales rather complex and expensive. The current project has ambition of developing novel solid electrolytes that open for a new generation of Li-ion, and also Na-ion, batteries. The application of solid electrolytes is limited because they attain practically useful conductivities only at elevated temperatures. Our challenging target is to achieve Li+/Na+ conductivity in solid state comparable to existing liquid electrolytes. Such a solid-state electrolyte will have many advantages in terms of device fabrication (facile shaping, patterning and integration), stability (non-volatile) and safety (non-explosive). In the project, we target novel solid electrolytes both in the form of thin coatings (for microbatteries), as well in their bulk state for use in Li-/Na-ion batteries. Our approach by first identifying new solid electrolyte materials with diffusion co-efficient above 10-4 cm2/s is based on DFT tools coupled to databases of all inorganic compounds, and is followed by synthesis and full electrochemical characterization. The simulations provide activation barriers for diffusion, stability and electron structure data, and diffusion coefficients. The growth and synthesis will be done using Atomic Layer Deposition and soft chemistry routes. Special emphasis will be put on in-situ characterizations, in particular space and time resolved synchrotron studies using diffraction, spectroscopy and imaging.