[論文レビュー] Effect of lithium bis(oxalato)borate on the Structural, microstructural and electrochemical properties of blend solid polymer electrolyte

Anil Arya, Mohd Sadiq+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2018

Advanced Battery Materials and Technologies参考文献 45被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、リチウムビス(オキサラート)ホレート（LiBOB）をドーピングしたPEO/PVPブレンド固体高分子電解質を調査し、LiBOBがアモルファス相の増加とイオン移動の促進によってイオン電導度を向上させることを示した。最適化された系では100 °Cで約0.65 mS cm⁻¹の電導度を達成し、リチウムイオン移動数（~0.99）がほぼ1に近い値を示しており、高いイオン的性質を示し、固体電池への応用が有望である。

ABSTRACT

Blend solid polymer electrolyte based on PEO, PVP complexed with lithium LiBOB were synthesized by solution cast technique and impact of LiBOB on the morphology, structure, and electrochemical properties is examined. The XRD and FESEM analysis reveals the enhancement of amorphous content on salt addition. The FTIR spectroscopy evidences the complex formation. The ionic conductivity for optimized system was two order higher than salt free system, i.e. ~0.5x10-5 S cm-1 (@RT) and increases to ~0.65 mS cm-1 (@100 oC) for O/Li=16 and temperature dependent conductivity follows Arrhenius nature. The high tion (~0.99) evidences the ionic nature of complexed electrolyte. DSC analysis evidences the suppression of crystallinity and shift of glass & melting temperature toward lower temperature implies the enhancement of amorphous content. Finally, an interaction mechanism is proposed for exploring the ion transport mechanism. The present electrolyte system can be a potential candidate for application in solid-state batteries

研究の動機と目的

• 固体電池応用を目的としたPEOとPVPを用いた高性能ブレンド固体高分子電解質の開発。
• リチウムビス(オキサラート)ホレート（LiBOB）がポリマー混合物の構造的・微細構造的・電気化学的特性に与える影響の調査。
• 塩ドーピングによるポリマー基体内のイオン電導度の向上と結晶性の低減。
• LiBOBドーピング電解質系におけるイオン移動機構の理解。
• 最適化された電解質が実用的固体電池用途に適しているかの評価。

提案手法

• 溶液キャスト法を用いてPEO/PVP-LiBOBブレンド固体高分子電解質を合成。
• X線回折（XRD）および発射型走査電子顕微鏡（FESEM）を用いて結晶性および微細構造を分析。
• 赤外分光法（FTIR）を用いてLi⁺とポリマー鎖との錯体形成を確認。
• インピーダンススペクトロスコピーを用いてイオン電導度を測定し、アーレニウス式を用いて温度依存性を分析。
• 差式走査量熱測定（DSC）を実施し、ガラス転移温度および融解温度のシフトを評価。
• リチウムイオン移動数（tLi⁺）を計算し、導電メカニズムが主にイオン的であることを確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LiBOBドーピングはPEO/PVPブレンド電解質のアモルファス相および微細構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 FTIR分光法によって示されるLiBOBドーピング系におけるイオン-ポリマー相互作用の程度はいかほどか？
• RQ3 LiBOBは電解質のイオン電導度および温度依存性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 LiBOBはポリマー基体内の結晶性をどの程度低減させ、ガラス転移温度（Tg）および融解温度（Tm）の遷移をどのように変化させるか？
• RQ5 リチウムイオン移動数はどの程度であり、これは主な導電メカニズムについて何を示唆しているか？

主な発見

• XRDおよびFESEMによる確認により、LiBOBドーピングはアモルファス相分率を顕著に増加させ、PEO/PVP基体内の結晶性を低減した。
• FTIR分光法により、LiBOBとPEOおよびPVPのエーテル酸素原子との間でLi⁺が配位する錯体が形成されていることが確認された。
• 最適化された系（O/Li = 16）のイオン電導度は100 °Cで約0.65 mS cm⁻¹に達し、塩を含まない系と比較して2桁の増加を示した。
• 温度依存電導度はアーレニウス則に従い、熱的に活性化されたイオン移動を示している。
• リチウムイオン移動数（tLi⁺）は約0.99であり、導電プロセスが主にイオン的であることを確認した。
• DSC分析により、ガラス転移温度（Tg）および融解温度（Tm）の低下が観察され、アモルファス相の増加およびイオン移動度の向上をさらに裏付けた。