Charge distributions in poly(ethylene oxide)-based solid polymer electrolytes for Lithium-ion batteries

Abstract

An increasing demand of using electricity in households and in industries as well as for electric transportation motivates the development of economical, efficient and safe energy storage devices. In the category of energy storage devices, the lithium-ion battery (LIB) is the most commonly in use these days. This battery is not 100% safe to use. For example, a liquid electrolyte used in LIB raises safety issues such as leakage and combustibility. For this reason, solid polymer electrolytes (SPEs) are a possible replacement in order to overcome the safety issues related to the use of liquid electrolytes. At present, the conductivity of SPEs is not high enough to use SPEs in LIBs as an electrolyte. To improve the conductivity of this class of electrolytes, we need to study the ion/charge conduction mechanism of this material in detail. In order to understand the conduction mechanism, we need to have a closer look at the transient formation and movement of charges inside SPEs under given biased and unbiased conditions. In this regard, to facilitate the understanding of the charge formation and movement, the Kelvin probe force microscopy (KPFM) together with a reliable statistical data analysis approach has been used. As poly(ethylene oxide) (PEO) is a material used as an electrolyte in LIBs, the PEO and its salt compound with lithium perchlorate (LiClO4) were investigated with this approach. An aluminum-poly (ethylene oxide)-aluminum (Al-PEO-Al) sample structure is used as a model system. Our approach for the investigation works as follows: First, the surface potential between the electrodes is measured by the KPFM under biased and unbiased conditions. Then the measured surface potential is differentiated twice by a reliable statistical smoothingderivative algorithm with additional feedback loops. This is done in order to extract the space charge distribution according to the Poisson equation. In this study, the surface potential was measured before application of an external voltage, during application of the external voltage and after switching off the external voltage. In these three different experimental situations, the charge distributions were extracted from the measured surface potential data. In this way, the transient formation and movement of internal potential and simultaneously internal charges were investigated before, during and after switching off the external voltage. During this study, we have also used our experimental approach to investigate the PEO samples embedded with micro/nano size metal particles (i.e. Cu) to check the effect of metal particles on the formation and movement of charges inside the PEO. Our experimental method together with the statistical data analysis approach facilitates an investigation of the behavior of a zero field point inside the PEO sample. The information of the zero field point is extracted from the electric field distribution inside the PEO. The electric field distribution is calculated from the measured surface potential data according to the Poisson equation.

Der steigende Bedarf elektrischer Energie in Haushalten, Industrie und im Transport motiviert zur Entwicklung wirtschaftlicher, effizienter und sicherer Energiespeicher. Die Lithum-Ionen- Batterie (LIB) ist heute der am häufigsten verwendete elektrische Energiespeicher. Diese Batterie birgt Gefahren. Der flüssige Elektrolyt, der in LIB’s verwendet wird, kann auslaufen und sich entzünden. Eine Lösung dieses Sicherheitsproblems wäre die Verwendung von Festkörperelektrolyten. Gegenwärtig ist die Leitfähigkeit von Festkörperelektrolyten dafür nicht groß genug. Um die Leitfähigkeit dieser Klasse von Elektrolyten zu untersuchen wird der Ionen- /Ladungstransport im Detail untersucht. Die Leitfähigkeit dieser Klasse von Elektrolyten wird vor allem durch Ionenleitung bestimmt. Um den zugrundeliegenden Leitungsmechanismus genauer zu verstehen, wird die transiente Bildung und Bewegung von Ladungen innerhalb des Festkörperelektrolyten unter gegebenen elektrisch vorgespannten und unvorgespannten Bedingungen genauer untersucht. Eine Kelvinsonde (Rasterkraft-Mikroskopie) zusammen mit einer zuverlässigen Methode zur statistischen Datenanalyse bilden die Kernelemente der in dieser Arbeit verwendeten Untersuchungsmethode. Als Modellsystem wird eine Aluminium-Polyethylenoxid-Aluminium (Al-PEO-Al) Probenstruktur verwendet. PEO ist hier der zu untersuchende Elektrolyt. Zuerst wird reines PEO im Modellsystem verwendet, dann wird in einem weiteren Versuch dem PEO das Salz Lithiumperchlorat (LiClO4) hinzugefügt (Stichwort: LiClO4 doping). Die zur Untersuchung verwendete Methode funktioniert wie folgt: Zunächst wird das Oberflächenpotential zwischen den Elektroden mit der Kelvinsonde unter vorgespannten und unvorgespannten Bedingungen gemessen. Dann wird das gemessene Oberflächenpotential durch einen statistisch zuverlässigen iterativ optimierenden "Smoothing Derivative Algorithmus" zweimal differenziert und damit die Raumladungsverteilung aus der Poisson-Gleichung berechnet. Das Oberflächenpotential wird vor, während und nach dem Abschalten der externen Spannung gemessen und die jeweilige Ladungsverteilung aus den gemessenen Oberflächenpotentialdaten bestimmt. Auf diese Weise wird gleichzeitig die transiente Bildung und Bewegung des inneren Potentials und die transiente Bildung und Bewegung interner Ladungen vor dem Anlegen einer externen Spannung, während des Anlegens der externen Spannung und nach dem Abschalten der externen Spannung untersucht. Außerdem wurde der Einfluss von Kupferpartikeln mit Größe im Mikro-/Nanometer Bereich, die in PEO eingebettet sind, auf die Bildung und Bewegung von Ladungen innerhalb des PEO untersucht. Die verwendete experimentelle Methode zusammen mit der statistischen Datenanalyse ermöglichen eine Untersuchung des Verhaltens des Feldnullpunktes innerhalb der PEO-Probe. Der Feldnullpunkt wird aus der elektrischen Feldverteilung im PEO bestimmt.