Stabilising Conversion Anodes with Solid Molecular Ionic Composite Electrolytes for Solid State Lithium Ion Batteries (SMICE-Li)

SMICE-Li-prosjektet ønsker å forbedre to av komponentene i Li-ionebatterier: anoden og elektrolytten. SMICE-Li-prosjektet vil fokusere på å utvikle alternative anodematerialer, kjent som "konverterings-legering elektroder", for så å koble de med en helt ny type elektrolytt kjent som en fast molekylær ionisk kompositt (Solid Molecular Ionic Composite Electrolyte, SMICE). En SMICE er en blanding av et stivt polymermolekyl og en ionisk væske som vil ha egenskaper fra både flytende og faste elektrolytter. De har høyere spenningsstabilitet enn dagens elektrolytter, noe som er viktig for høyeffektsbatterier og økt levetid. Elektrodene vil være nano-strukturerte metalloksider laget med industrielt skalerbare syntesemetoder, og vil være basert på f.eks. jern og tinn som finnes i overflod i naturen. Disse kan gi opptil 2,5x kapasiteten til grafittanoder uten sikkerhetsbekymringene som følger med bruken av Li-metall. Den store utfordringen med å bruke konverterings-legering elektroder er at reaksjonene som oppstår under bruk er ekstremt komplekse (mye mer enn for grafitt). Konverterende elektrodematerialer fungerer som nanoskala kompositter som dannes fra reaksjoner mellom anodematerialet, litium og komponenter i elektrolytten under første lading. Denne dannelsesprosessen er viktig å forstå for å kontrollere og optimalisere ytelsen. Prosjektet vil starte med syntese og evaluering av nye anode- og SMICE-materialer hos SINTEF (Norge) og National Research & Development Institute for Cryogenics and Isotopic Technologies (Romania), med nano-strukturell karakterisering utført ved Institut Charles Gerhardt de Montpellier (Frankrike). Anodene og SMICEene skal utvikles sammen som et kombinert system, med datamodellering (SINTEF) som bidrar til å forstå de komplekse reaksjonene som oppstår under batterisykling. På slutten av prosjektet er håpet å demonstrere et faststoff-batteri med kapasitet som kan sammenlignes med dagens toppmoderne litium-ion batterier.

The SMICE-Li project is an ambitious proposal to demonstrate a completely novel Solid State Battery (SSB) concept based on a Conversion Anode Material (CAM) coupled with a Solid Molecular Ionic Composite Electrolyte (SMICE) electrolyte and a state of the art high voltage (HV) cathode. The project will focus on the parallel development of new oxide-based CAM materials based on complex composition transition metal oxides and on developing new SMICE-type electrolytes. The use of CAM anode materials offers the prospect of greatly increased capacities relative to current generation graphite anodes whilst addressing the difficulties surrounding lithium metal electrode manufacturing (air sensitivity, thickness control, and excess inventory lithium), and the challenges with controlled plating during cycling. The SMICE electrolytes combine the advantages of ionic liquids (safety, voltage and thermal stability) with the mechanical advantages of solid polymer electrolytes and the high ionic conductivity of a liquid electrolyte. State of the art operando spectroscopies and local structure analyses will guide development via fundamental understanding of interphase chemistries, which are critical to battery performance and lifetime. Central to the SMICE-Li project is that development be driven by fundamental understanding. DFT modelling approaches will be used to guide anode materials synthesis via the prediction of entropy-stabilised oxide phases, and will also assist in the interpretation of the operando spectroscopic investigations of local structures and interface chemistries, which will in turn guide the development and selection of materials for combination in a SSB. The ultimate goal of the project is to demonstrate a Solid State Battery comprising CAM anode, SMICE electrolyte and a high voltage cathode, with a specific energy density in excess of 300Wh/kg and a cycle life in excess of 200 cycles.