Effect of nanostructured silica filler material on ionic liquid-based lithium electrolytes - systematic characterization of liquid and gellified electrolytes

Abstract

Auf ionischen Flüssigkeiten basierende Elektrolyte (IL-Elektrolyte) sind dafür bekannt, vorteilhafte Eigenschaften für Lithium(-Ionen)-Batterien aufzuweisen, werden aber auf Grund ihrer schlechten Lithium-Ionenleitfähigkeit nicht eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurden die Eigenschaften eines IL-Elektrolyten durch Zugabe einer isolierenden zweiten Phase beeinflusst, und es werden systematische Messungen der entstandenen dispersen Elektrolyte präsentiert. Als Standard-Elektrolyt wurde N Butyl-N-methylpyrrolidinium-bis(trifluoromethylsulfon)imid (BMP-TFSI) mit 15 Gew.-% Lithium-TFSI (LiTFSI) als Leitsalz verwendet. Silica-Partikel mit unterschiedlichen Morphologien und Oberflächen dienten als Füllstoffe. Für Silica-Massenanteile von bis zu 10 Gew.-% verringerte sich die Gesamtleitfähigkeit des IL-Elektrolyten um max. 54 %. Gleichzeitig erhöhten sich die Viskositäten und Schubmoduli teilweise um mehrere Größenordnungen. Das elektrochemische Verhalten in Halbzellen mit Lithiumeisenphosphat änderte sich kaum im Vergleich zum reinen IL-Elektrolyten. Da sich die elektrischen Eigenschaften trotz der deutlich erhöhten Viskositäten kaum änderten, wird in den Komposit-Elektrolyten eine erhöhte Lithium-Ionenmobilität angenommen. Eine Korrelation der chemischen Natur der Silica-Oberflächen mit den Elektrolyteigenschaften war nicht zu beobachten. Daher lässt sich schließen, dass die Morphologie der Füllmaterialien für die Beobachtungen entscheidend ist. Als Modell für die verbesserte Lithium-Ionenleitfähigkeit in den Komposit-Elektrolyten wird vorgeschlagen, dass die Silica-Partikel eine Grenzphase mit dem Elektrolyten ausbilden, in der die IL-Ionen in geordneter Form vorliegen. Diese Grenzphase scheint relativ weitreichend zu sein, sodass die Volumeneigenschaften des IL-Elektrolyten beeinflusst werden. Die Lithium-Ionen könnten auf Grund von veränderten Leitfähigkeitspfaden eine erhöhte Leitfähigkeit in dieser Grenzphase aufweisen. Außerdem könnte die Konzentration der Lithium-Ionen in der flüssigen Phase verändert sein, sodass eine höhere Lithium-Ionenleitfähigkeit resultiert.

Ionic liquid-based electrolytes (IL electrolytes) are known to have advantageous properties to be applied in lithium (ion) batteries but show poor lithium ion conductivity. In the present work IL electrolyte properties were influenced by adding an isolating second phase. Systematical measurements of the obtained dispersed electrolytes are presented. As standard IL electrolyte 15 wt% lithium bis(trifluoromethylsulfon)imide (LiTFSI) as conducting salt in N-butyl-N methylpyrrolidinium TFSI (BMP-TFSI) was used. Silica particles with varying morphologies and surfaces acted as filler materials. The total conductivity of the neat IL electrolyte decreased by max. 54 % for mass fractions of silica up to 10 wt%. At the same time viscosities and shear moduli increased partially by several orders of magnitude. Moreover, the electrochemical response in half cells with lithium iron phosphate hardly changed with respect to the neat IL electrolyte. Since the electrical properties hardly changed despite a severe viscosity increase, an increased lithium ion mobility is assumed in the composite electrolytes. No obvious correlation of electrolyte properties with chemical composition of silica surfaces was observed. Hence, it is concluded that the morphology of the filler material is crucial for the observed effect. As a model for enhanced lithium ion mobility in the composite electrolytes it is proposed that silica particles form interphases with the IL electrolyte containing ordered arrangement of the IL ions. This interphase seems to be relatively long-ranged influencing the bulk electrolyte. The lithium ion conductivity may be increased in the interphase due to altered conduction paths with respect to the bulk IL electrolyte. Moreover, lithium ion concentration in the bulk electrolyte may be changed resulting in higher lithium ion conductivity.