The Impact of Atomic Layer Deposition on the Cycle Life of Metallic Lithium Anodes

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-05-04

Department

Major/Subject

Kemia ja materiaalitiede

Mcode

CHEM3049

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

40

Series

Abstract

An ever-increasing demand for energy and the adverse climate impacts associated with fossil fuels are driving the world toward a more sustainable society. This transition presents new requirements for energy storage systems and batteries in general, which traditional Li ion batteries are struggling to meet. Post-Li ion battery technologies, especially lithium metal negative electrodes (anodes) (LMA), are the holy grail of energy density and of high interest to researchers today. This thesis handles atomic layer deposition (ALD) coatings on LMAs and their effect on cell stability. The aim of the thesis is to explore all current studies on the subject and asses the effects of different ALD coating materials through several parameters, with the emphasis on cycle life. The main advantage of LMAs is the high specific capacity of Li, which would prove extremely favourable in the production of more energy dense batteries. Unfortunately, the high reactivity of Li causes the formation of dendrites, which lower the efficiency of the cell and ultimately short it through contact with the positive electrode (cathode). ALD coatings can serve as a protective barrier for the anode, limiting the formation of dendrites and improving performance. The selection for coating materials in the literature is somewhat narrow due to the nascent nature of the field, however, most common materials researched are oxides of various metals, particularly Al2O3. It was found that ALD coatings with optimised thicknesses significantly improve the cycle life of LMAs based on capacity retention and coulombic efficiency. ALD allows for the growth of ultrathin and uniform protective layers on top of LMAs, which protect the anodes from side reactions and facilitate a more uniform flow of ions. Further examination of experiment conditions found that there is a positive correlation between the electrolyte volume used and the lifetime of symmetric Li-Li cells. This is noteworthy, as it makes it more difficult to compare studies which have employed different volumes of electrolyte. It also means that experiments conducted in high electrolyte volumes may require further testing in more practical lower volume settings. Further improvement of LMAs is still needed before commercialisation, even though ALD has proven to be capable of increasing the stability of the cells. This improvement may require the combined efforts of ALD and some other method, such as solid electrolyte engineering. However, if LMAs are ever successfully optimised for practical use, they would revolutionise the battery industry.

Jatkuvasti kasvava energian tarve ja fossiilisten polttoaineiden haitalliset ilmastovaikutukset ovat tekijöitä, jotka pakottavat maailmaa siirtymään kohti uusiutuvia energianlähteitä kuten tuuli- ja aurinkovoimaa. Tämä siirtymä kuitenkin asettaa uusia vaatimuksia myös energian varastoimismenetelmille, joita perinteisillä litiumioniakuilla on vaikeuksia täyttää. Seuraavan sukupolven akkuteknologioihin kuuluvat litiummetallinegatiivielektrodit (anodit) (lithium metal anode, LMA) ovat energiatiheyden parhaimmistoa ja täten tutkijoiden mielenkiinnon kohteena. Tämä tutkielma käsittelee atomikerroskasvatusmenetelmällä (atomic layer deposition, ALD) kasvatettujen suojaavien pinnoitteiden vaikutusta litiumanodien stabiliteettiin uudelleenladattavissa akkukennoissa. Työn tavoitteena on tarkastella kaikkia kirjallisuudessa saatavilla olevia tutkimuksia aiheesta ja arvioida eri ALD-pinnoitemateriaalien vaikutuksia Lianodien suorituskykyyn. Suorituskykyä arvioidaan eri parametrien avulla, mutta työn painopisteenä on pinnoitteiden vaikutus syklielämään. Litiummetallianodien paras ominaisuus on litiumin korkea ominaiskapasiteetti, mikä tekisi niistä erittäin soveliaita käyttökohteisiin, joissa vaaditaan korkeaa energiatiheyttä. Näitä anodeja ei kuitenkaan ole otettu onnistuneesti käyttöön uudelleenladattavissa akuissa litiumin reaktiivisuuden takia. Litiumin reaktiivisuus johtaa akun käytön aikana neulamaisten litiumdendriittien muodostumiseen, jotka laskevat akun tehokkuutta ja voivat kasvaessaan aiheuttaa vaarallisen oikosulun. ALD-pinnoitteilla voidaan suojata reaktiivista litiumia ympäristöltään, jolloin dendriittien muodostumista voidaan ehkäistä. Yleisimmät kirjallisuudessa tutkitut materiaalit pinnoittamiseen ovat olleet metallioksideja tai litiumyhdisteitä. Työn pohjalta voidaan todeta, että paksuudeltaan optimoidut ALD-pinnoitteet parantavat Li-anodien sykli-ikää merkittävästi kapasiteetin pysyvyyden ja coulombisen tehokkuuden perusteella. ALD-menetelmä mahdollistaa ohuen ja yhtenäisen pinnoitteen luomisen, joka suojaa anodia ja edesauttaa ionien yhtenäistä siirtymistä. Työssä tarkasteltiin myös tutkimusten kokeellisten olosuhteiden vaikutusta symmetristen LMA-akkujen elinikään. Tarkastelun pohjalta voidaan todeta, että testeissä käytettyjen elektrolyyttitilavuuksien ja akkujen eliniällä on positiivinen korrelaatio. Tämä voi olla viite siitä, että suorittamalla testejä suuremmassa tilavuudessa voidaan saavuttaa parempia eliniän tuloksia. Tämä voi olla tutkimustulosten arvioinnin kannalta ongelmallista, sillä joidenkin lähteiden mukaan Li-anodien onnistunut kaupallistaminen voi vaatia toimintakykyä pienissä elektrolyyttitilavuuksissa. Jatkokehitystä litiummetallianodien toimintakyvyn parantamiseksi vaaditaan, vaikka ALD-pinnoitteet ovatkin osoittaneet parantavansa syklielämää. Tämä tulee vaatimaan ALD:n ja muun tekniikan yhdistämisen kuten kiinteiden elektrolyyttien käytön nestemäisten sijaan. LMA-teknologia on ominaisuuksiltaan erittäin lupaava ja kykenisi mullistamaan koko akkuteollisuuden, jos niiden stabiliteettiongelmat saadaan ratkaistua.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Pakseresht, Sara

Keywords

ALD, atomic layer deposition, lithium metal anode, metallic lithium anode, electrode, batteries

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202407305127

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM