Lithium cobalt oxide particles as positive electrode materials in Li-ion batteries
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Author
Date
2017-01-09
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
95 + 4
Series
Abstract
Li-ion batteries are widely used for portable electronic devices, such as mobile phones and laptop computers. Although they have been successfully commercialized, new applications such as electric vehicles, require higher power and energy density. Therefore, many efforts have been made to improve Li-ion battery cell performance. Lithium cobalt oxide, LiCoO2 is one of the most used positive electrode materials in Li-ion batteries. It was the first positive electrode material used in commercial Li-ion batteries, and has many advantages such as high energy density and excellent cycle life. The disadvantages of lithium cobalt oxide include for example expensive price of cobalt, and thermal instability at high voltages. Since its commercialization in Li-ion batteries, investigations have been widely performed to improve safety, price and rate capability of lithium cobalt oxide. In addition, several other positive electrode materials have been introduced as well. In the literature section of this thesis, the effect of different parameters in lithium cobalt oxide on its electrochemical properties are described. These include preparation process, particle size, phase transitions in the structure upon cycling, stoichiometry, and doping. In addition, the typical Li-ion battery characterization methods and their use in the research are introduced. In the experimental section, the electrochemical properties of three different lithium cobalt oxide materials were investigated. The materials were lithium poor lithium cobalt oxide (LCO12), stoichiometric lithium cobalt oxide (LCO13) and doped lithium cobalt oxide (LCO07). All three materials had the same precursor. The material structural characterization was done with X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The electrochemical characterization was done using galvanostatic measurements, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and galvanostatic intermittent titration technique (GITT). The doped lithium cobalt oxide had clearly the best rate capability and cycle life properties. The superior rate capability was attributed to the smaller crystal size and the doping. The long cycle life was related to small increase in cell impedance during cycling. Correspondingly, the short cycle life was related to large increase in cell impedance. The long cycle life and small increase in the impedance of the doped material indicate that the material was more stable than the two other materials. Because of this, less side reactions with electrolyte occurred. The diffusion coefficients were determined to be 10-12-10-11 cm2/s for all three materials at states of charge (SoC) of 35-65% and 75-100%. This value was in agreement with values presented in literature. At SoC of 0-10% there were differences in diffusion coefficients. The cause for this was concluded to be caused by either the differences between materials or error in GITT-measurement.Litiumioniakkuja käytetään laajalti kannettavassa elektroniikassa, kuten matkapuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa. Niiden menestyksekkäästä kaupallistamisesta huolimatta uudet sovelluskohteet, kuten sähköautot, vaativat suuren energia- ja tehotiheyden. Tästä johtuen litiumioniakkuja tutkitaan edelleen kennon suorituskyvyn parantamiseksi. Litiumkobolttioksidi, LiCoO2 on yksi käytetyimmistä positiivielektrodimateriaaleista litiumioniakuissa. Se oli ensimmäinen litiumioniakuissa käytetty positiivielektrodimateriaali, ja sen etuja ovat muun muassa sen korkea energiatiheys ja sykli-ikä. Litiumkobolttioksidin haasteita ovat muun muassa koboltin korkea hinta, sekä terminen stabiilius korkeissa jännitteissä. Litiumioniakkujen kaupallistamisesta saakka litiumkobolttioksidia on tutkittu paljon sen turvallisuuden, hinnan sekä suurilla virroilla laskevan suorituskyvyn parantamiseksi. Myös muita positiivielektrodimateriaaleja on otettu käyttöön. Tämän diplomityön kirjallisuusosassa käydään läpi erilaisten litiumkobolttioksidin ominaisuuksien vaikutusta sen sähkökemiallisiin ominaisuuksiin. Näitä ovat muun muassa litiumkobolttioksidin valmistusprosessi, partikkelikoko, faasimuutokset syklauksen aikana, Li/Co – suhde sekä seostus. Lisäksi työssä esitellään tyypillisiä litiumioniakkujen karakterisointimenetelmiä ja niiden käyttöä litiumioniakkututkimuksessa. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kolmen erilaisen litiumkobolttioksidimateriaalin sähkökemiallisia ominaisuuksia. Materiaalit olivat litium-köyhä (LCO12), stoikiometrinen (LCO13) ja seostettu (LCO07) litiumkobolttioksidi. Kaikki kolme materiaalia oli valmistettu samasta prekursorista. Materiaalit karakterisoitiin käyttäen röntgendiffraktiomenetelmää (X-ray diffraction, XRD) ja pyyhkäisyelektronimikroskooppia (Scanning electron microscope, SEM). Materiaalien sähkökemiallisessa karakterisoinnissa käytettiin galvanostaattisia mittauksia, impedanssimenetelmää (Electrochemical impedance spectroscopy, EIS) ja galvanostaattista titrausmenetelmää (Galvanostatic intermittent titration technique, GITT). Seostetun litiumkobolttioksidin suorituskyky eri virroilla ja sykli-ikä olivat selvästi parhaat. Eri virroilla saatavan suorituskyvyn syyksi pääteltiin seostetun materiaalin muita pienempi kidekoko ja seostus. Pitkään sykli-ikään liittyi kennon impedanssin hidas kasvu. Vastaavasti lyhyeen sykli-ikään liittyi impedanssin nopea kasvu. Seostetun materiaalin pitkä sykli-ikä ja hidas impedanssin kasvu viittaavat siihen, että materiaali oli muita materiaaleja stabiilimpi, ja näin ollen sivureaktioita elektrolyytin kanssa tapahtui vähemmän. Kaikkien materiaalien diffuusiokertoimeksi määritettiin 10-12-10-11 cm2/s latausasteväleillä (state of charge, SoC) 35-65% ja 75-100%. Tämä on hyvin samansuuntainen kuin kirjallisuudessa esiintyvät arvot. Diffuusiokertoimen arvoissa 0-10% SoC:ssa oli eroja, joiden tarkkaa syytä ei saatu määritettyä tässä työssä.Description
Supervisor
Kallio, TanjaThesis advisor
Rauhala, TainaKeywords
Li-ion battery, lithium cobalt oxide, doping, stoichiometry, rate capability, cycle life
