Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Monika Król

Väitöskirjan nimi: High resolution morphological characterization of solid polymer electrolytes 

Väittelijä: Monika Król
Vastaväittäjä: professori Ting Xu, University of California, Berkeley, Yhdysvallat
Kustos: professori Janne Ruokolainen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Maailmanlaajuinen siirtymä kohti uusiutuvia energiajärjestelmiä yhdessä sähköajoneuvomarkkinoiden laajenemisen kanssa lisää kysyntää turvallisemmille ja tehokkaammille akuille kuin nykyään laajalti käytetty litiumioni-teknologia. Perinteiset litiumioniakut sisältävät helposti syttyvää nestemäistä elektrolyyttiä, mikä herättää turvallisuushuolia. Yksi lupaava ratkaisu on korvata tämä nestemäinen komponentti kiinteällä vaihtoehdolla, jolloin syntyy niin sanottu kiinteän olomuodon akku.

Tämä väitöskirja keskittyy tiettyyn tällaisen kiinteän olomuodon elektrolyytti materiaaliluokan edustajaan: lohkopolymeerielektrolyytteihin (BCPE). Nämä materiaalit ovat erityisen kiinnostavia, koska ne voivat itsejärjestäytyä monenlaisiksi tarkasti määritellyiksi nanorakenteiksi. Lohkopolymeerit koostuvat kemiallisesti erilaisista polymeerilohkoista, jotka on liitetty toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla. Itsejärjestäytymis prosessin aikana nämä lohkot mikrofaasierottuvat eri nanomittakaan alueiksi: yksi alue muodostaa ionien johtavia reittejä, jotka mahdollistavat litiumionien liikkumisen, kun taas toinen alue muodostaa mekaanisesti vahvan rakenteen, joka tarjoaa rakenteellista tukea. Elektrolyyttimateriaalin suorituskyky riippuu kuitenkin voimakkaasti siitä, miten tämä materiaalin sisäinen morfologia kehittyy ja kuinka tarkasti sitä voidaan hallita materiaalin synteesin ja prosessoinnin aikana. Näiden nanomittakaavan rakenteiden tutkimiseen käytettiin edistyneitä karakterisointimenetelmiä, kuten läpäisyelektronimikroskopiaa ja pienikulmaröntgensirontaa.

Tässä työssä tutkittiin, miten erilaiset molekyylirakenteet ja prosessoinnin keskeiset tekijät vaikuttavat BCPE:iden sisäiseen nanorakenteeseen. Erityisesti tarkasteltiin lohkopolymeerin topologian, suolapitoisuuden sekä prosessointimenetelmien, kuten lämpökäsittelyn ja ulkoisen sähkökentän, vaikutuksia lohkopolymeerien nanorakenteiden muodostumiseen ja järjestäytymiseen.

Nämä havainnot syventävät ymmärrystä siitä, miten erilaiset molekyylirakenteet ja prosessointi vaikuttavat materiaalin suorituskykyyn ja tarjoavat samalla ratkaisuja turvallisempien, korkean suorituskyvyn kiinteiden polymeerielektrolyyttien kehittämiseen seuraavan sukupolven kiinteän olomuodon akkuihin.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.