Lithium Ion Conductive Membranes Based on Co-continuous Polymer Blends

Abstract: Popular Abstract in Swedish Polymerer är samlingsnamnet på långa molekylkedjor. Runt omkring oss i vårt dagliga liv är vi omgärdade av polymerer så som plaster, lim, fibrer och proteiner. Utvecklingen av många högteknologiska produkter är starkt beroende av polymera material. Grundläggande kunskaper om dem och deras egenskaper är därför viktigt. I ett batteri kan många fördelar erhållas då den konventionella vätskeelektrolyten ersätts av en polymerelektrolyt. Exempelvis kan läckage undvikas och en unik frihet i designen av batteriets utformning erbjudas. Dessa elektrolyter har främst potentiell användning i litiumbatterier då vissa polymerer med elektrondonerande egenskaper effektivt kan lösa litiumsalter och transportera dess katjoner. Jontransporten underlättas av mikroviskösa rörelser som polymerkedjorna genomgår vid temperaturer över materialets glasövergångstemperatur. Av denna anledning är det fördelaktigt med ett mjukt material. Samtidigt har en polymerelektrolyt en dubbel uppgift i batteriet, nämligen att transportera litiumjonerna och att separera elektroderna fysiskt så att kortslutning kan undvikas. En ideal polymerelektrolyt bör således utöva en vätskas jonledningsförmåga samt den mekaniska stabiliteten av ett fast material. Detta är egenskaper som av naturen motsäger varandra och ett talande exempel på de multifunktionella egenskaper som kan krävas av ett polymert material i en industriell tillämpning. I denna avhandling behandlas konceptet att använda samkontinuerliga polymerblandningar för att erhålla polymerelektrolytmembran som kombinerar jonledningsförmåga med mekanisk stabilitet. Arbetet beskriver preparering, karakterisering och egenskaperna hos tre olika system av litium-jonledande membran. Samtliga av dessa tre olika system framställdes från två olika polymera komponenter som dopats med ett litiumsalt. Den dominerade komponenten var ett saltlösande nätverk av polymetakrylat ympat med sidokedjor av polyeter eller polyeterkarbonat Två olika typer av metakrylatmakromonomerer användes för att bilda det jonledande nätverket. I två av systemen användes poly(etylenglykol)metakrylat. Till det tredje systemet syntetiserades det en ny makromonomer, poly(etylenkarbonat-etylenoxid)metakrylat. Den andra komponenten i membranen var en linjär och mekaniskt stabil polymer som garanterade den dimensionella stabiliteten hos membranen. Två polymerer användes för denna funktion, en fluorerad semikristallin polymer, poly(vinylidenefluoride-hexafluoropropylen) samt poly(metylmetakrylat), en amorf polymer med en glasövergångstemperatur på 105 °C. Membranen framställdes i en procedur som involverade två steg. Först preparerades filmer från acetonlösningar av makromonomerer, linjär polymer, litiumsalt och en UV-aktivator. Detta följdes av polymerisation av makromonomererna genom belysning med UV-ljus. Membranen hade en fasseparerad morfologi som gjorde att blandningskomponenternas egenskaper kunde kombineras effektivt. De fasta membranen nådde en jonledning strax över 10-5 S?cm-1 vid rumstemperatur och hade en önskvärd mekanisk stabilitet. När så kallade gelelektrolytmembran preparerades genom att inkorporera en vätskeelektrolyt i ett av membransystemet blev resultatet elastiska gelelektrolyter med en konduktivitet runt 10-3 S?cm-1 vid rumstemperatur. De studerade membranen kan potentiellt användas som elektrolyter i olika elektrokemiska tillämpningar så som batterier, elektrokromiska fönster eller kemiska sensorer. Vidare erbjuder prepareringsmetoden en stor valfrihet för att preparera membran med kontrollerade egenskaper, tex. optisk klarhet, mekanisk stabilitet. En valfrihet som med fördel kan användas för andra typer av multifunktionella polymermembran.