Water-in-polymer Salt Electrolyte (WIPSE) for Sustainable Lignin Batteries

• Organic electrolytes are widely used in energy storage technologies, but they are known to have safety, cost, and eco friendliness concerns. Water based electrolytes do not have those issues but are limited by their narrow range potential range of operation to 1.2V. Above that voltage, significant side reactions lead to gas evolution, side reaction and high selfdischarge rate in organic batteries. Because of their superior ionic conductivities, which are critical for reducing device resistance and improving power; as well as their cost-effective ness and non-flammability, researchers have had a second look at water-based electrolyte and found out that super concentrated aqueous solutions behave differently, and their electrochemical stability window can be widened.In this thesis, polyacrylate (PAAK) based "water in polymer salt" electrolyte (WIPSE) has been identified as a promising solution for large-scale energy storage devices. This new family of "water in salt" electrolytes offers a broad electrochemical stability window of up to 3V, a high ionic conductivity (100 mS/cm) and is non-flammable, making it ideal for high power electrochemical storage devices. However, little is known about the matter transport in PAAK based WIPSE and in "water in salt" electrolytes in general. Therefore, this thesis also aims to investigate the properties of PAAK using spectroscopic techniques such as Raman spectroscopy and diffusion NMR to understand the behavior of water and the mechanism of ionic transport in relation to water and polymer chain dynamics. Since the electrolyte only transports cations, it is suitable for use in "cation rocking chair" batteries that utilize two types of polymeric quinones, lignin, and polyimide redox polymers, as positive and negative electrodes, respectively. The electrochemically active redox polymers with K+ ions at neutral pH are ions at neutral pH are advantageous for avoiding corrosion in metal collectors. Further for understanding the fundamental of self-discharge mechanism, the impact of some critical chemical and physical parameters on performance of lignin-based batteries have been investigated.The final chapter of the thesis introduces a novel approach to address the challenges associated with Zn-ion batteries by utilizing the "water-inpolymer salt" electrolyte concept modified by salt additives. The goal is to enable the use of lignin-carbon (L-C) electrodes in a Zinc battery. Lignin, carbon and zinc are among the most affordable, environmentally friendly and sustainable options for energy storage for energy storage. By incorporating WIPSE electrolytes these batteries can offer additional benefits, such as improved safety and the prevention of dendrite formation. Our findings demonstrate that acrylate groups in the electrolyte stabilize the flux on the zinc electrode surface, promoting parallel deposition and significantly reducing dendritic formation through vertical growth. The assembled Zn-lignin battery delivers a maximum energy of 23 Wh/kg and a maximum power of 610 W/kg, with an exceptional 82% retention after 8000 cycles. With the reduced expected environmental impact of green and the cost- effectiveness of these polymer electrolytes, the resulting battery shows great promise in the battery market. Its emergence has opened a new avenue in the pursuit of safe and efficient batteries, which has been a major area of focus within the energy storage industry.

• Organiska elektrolyter används i stor utsträckning i energilagringstekniker, mende är kända för att ha problem med säkerhet, kostnad och miljövänlighet. Vattenbaserade elektrolyter har inte dessa problem utan begränsas av deras smala potentialområde för drift till 1.2 V. Över den spänningen leder betydande sidoreaktioner till gasutveckling, sidoreaktion och hög självurladdningshastighet i organiska batterier. På grund av deras överlägsna jonledningsförmåga, som är avgörande för att minska enhetens motstånd och förbättra kraften; och u töver deras kostnadseffektivitet och icke antändlighet har forskare tagit en andra titt på vattenbaserad elektrolyt och upptäckt att superkoncentrerade vattenlösningar beter sig annorlunda och att deras elektrokemiska stabilitetsfönster kan vidgas.I denna avhandling har polyakrylat (PAAK) baserad "vatten i polymersalt" elektrolyt (WIPSE) identifierats som en lovande lösning för storskaliga energilagringsenheter. Denna nya familj av "vatten i salt" elektrolyter erbjuder ett brett elektrokemiskt stabilitetsfönster på upp till 3V, en hög jonledningsförmåga (100 mS/cm) och är icke brandfarlig, vilket gör den idealisk för högeffekts elektrokemiska lagringsenheter. Lite är dock känt om materia transporten i PAAK baserade WIPSE och i "vatten i salt" elektrolyter i allmänhet. Därför syftar denna avhandling också till att undersöka egenskaperna hos PAAK med hjälp av spektroskopiska tekniker såsom Raman spektroskopi och diffusions NMR för att förstå vattnets beteende och mekanismen för jontransport i relation till vatten och polymerkedjedynamik. Eftersom elektrolyten endast transporterar katjoner är den lämplig för användning i "katjongungstols" batterier som använder två typer av polymera kinoner, lignin och polyimid redoxpolymerer, som positiva respektive negativa elektroder. De elektrokemiskt aktiva redox polymererna med K+ -joner vid neutralt pH är fördelaktiga för at t undvika korrosion i metallsamlare. För att ytterligare förstå grunden för självurladdningsmekanismen har effekten av några kritiska kemiska och fysikaliska parametrar på prestanda hos ligninbaserade batterier undersökts.Det sista kapitlet av avhandlingen introducerar ett nytt tillvägagångssätt för att ta itu med utmaningarna förknippade med Zn jonbatterier genom att använda elektrolytkonceptet "vatten i polymersalt" modifierat av salttillsatser. Målet är att möjliggöra användningen av lignin-kol (L-C) elektroder i ett zinkbatteri. Lignin, kol och zink är bland de mest prisvärda, miljövänliga och hållbara alternativen som finns för energilagring. Genom att inkludera WIPSE-elektrolyter kan dessa batterier erbjuda ytterligare fördelar, såsom förbättrad säkerhet och stabilitet och förhindrande av dendritbildning. Våra resultatet visar att akrylatgrupperna i elektrolyten stabiliserar flödet på zinkelektrodytan, främjar parallell avsättning och minska dendritisk bildning avsevärt genom vertikal tillväxt. Det sammansatta Zn-ligninbatteriet levererar en maximal energi på 23 Wh/kg och en maximal effekt på 610 W/kg, med en exceptionell retention på 82 % efter 8000 cykler. Med den minskade förväntade miljöpåverkan från gröna material och kostnadseffektiviteten hos dessa polymerelektrolyter, visar det resulterande batterikonceptet mycket lovande på batterimarknaden. Dess framväxt har öppnat en ny väg i jakten på säkra och effektiva batterier, vilket har varit ett stort fokusområde inom energilagringsindustrin.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Kemiteknik -- Annan kemiteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Chemical Engineering -- Other Chemical Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Water-in-polymer salt electrolyte (WiPSE)

Lignin batteries

Zn-ion batteries

Sustainability

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)