Investigation of natural graphite as active material for the negative electrode in lithium-Ion batteries

Abstract

Lithium-ion batteries can nowadays be found almost everywhere as a power source for our mobile phones, laptops, watches, GPS devices, and even our cars. The negative electrode for lithium-ion batteries is often made from carbon material. Graphite as the negative electrode for lithium-ion batteries is considered to be a very good high-powered material, possessing several positive properties like low operating potential, stability of the electrode/electrolyte interphase and the relatively high specific capacity.

The literature section of the thesis covers the fundamentals of lithium-ion batteries such as its structure and working principle along with the electrochemical process. An introduction to graphite as negative electrode in a lithium-ion battery is also presented as well as other negative electrode materials. Different structural and electrochemical characterization methods are introduced in this section. These characterization methods are used during the experimental procedure.

The experimental part was carried out to investigate natural graphite powder as the negative electrode material in a lithium-ion battery. To compare the results, a commercially available synthetic graphite powder was also used during the experimental procedure. The methods section describes the structural characterization methods such as, scanning electron microscopy (SEM) combined with energy dispersive spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The electrochemical characterization was carried out by rate capability measurements, cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Synthetic graphite showed better rate capability results than natural graphite, with an increase in capacity by 102 % after cycling. The increase was most probably due to cracks forming in the structure leading to better lithium diffusion. However, the crack formation may lower the stability of the electrode which may decrease the capacity retention more than natural graphite at long-term cycling. CV results showed four reversible peaks for both materials meaning that all reactions were reversible, which indicates good electrochemical stability of the electrode/electrolyte interphase. EIS results showed a decrease in impedance of the second semicircle for synthetic graphite which indicates better lithium diffusion. These results support the conclusions made from rate capability measurements. Further research should be done to investigate coating of natural graphite, that way it may experience better stability and therefore have better cyclability.

Nu förtiden finns litiumjonbatterier nästan överallt som batterikälla till exempel i våra mobiltelefoner, bärbardatorer, klockor, GPS enheter och även i våra bilar. Den negativa elektroden för litiumjonbatterier är oftast gjord av kol material. Grafit som den negativa elektroden anses vara ett högdrivet material, som har många positiva egenskaper så som låga driftsspänningar, bra stabilitet mellan elektrod/elektrolyt interfas och hög specifik kapacitet.

Litteratur delen av detta diplomarbete innehåller det fundamentala om litiumjonbatterier så som dess struktur och bearbetnings principer och också den elektrokemiska processen. Grafit som den negativa elektroden är introducerad i denna del samt andra negativa elektrodmaterial. Olika struktur och elektrokemiska karakteriseringsmetoder är presenterade och är använda i metod delen av slutarbetet.

Experimentdelen utfördes för att undersöka naturlig grafit som den negativa elektroden i litiumjonbatterier. För att jämföra resultaten användes också en kommersiell tillgänglig syntetisk grafit. Metod delen beskriver de strukturella karakteriseringsmetoderna, så som scanning electron microscopy (SEM) kombinerad med energy dispersive spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) och Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). De elektrokemiska karakteriseringsmetoderna utfördes av rate capability, cyclic voltammetry (CV) och electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Syntetisk grafit visade bättre rate capability resultat än naturlig grafit med en ökning i kapacitet av 102 % efter cykling. Det här berodde mest på formationen av sprickor i strukturen vilket ledde till bättre spridning av litiumjonerna. Stabiliteten av syntetisk grafit kan dock vara sämre på grund av sprickorna i strukturen vid långsiktig cykling, vilket leder till att kapacitetsbehållningen kan minska mera än naturlig grafit. Resultaten av CV visade fyra reversibla toppar för båda materialen vilket betyder att alla reaktioner är reversibla och att de har god elektrokemisk stabilitet mellan elektrod/elektrolyt interfas. EIS resultaten visade en minskning av impedans i den andra halvcirkeln för syntetisk grafit vilket betyder bättre spridning av litiumjoner, detta stämmer överens med slutsatserna tagna baserat på rate capability resultaten. Ytterligare forskning av beläggning av naturlig grafit borde utföras för att få bättre stabilitet vilket skulle leda till bättre cyklingsförmåga.