aalto1 untyped-item.component.html
Development of Li-organic battery materials with atomic/molecular layer deposition
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2021-08-06
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
94 + app. 88
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 48/2021
Abstract
Li-ion battery (LIB) is a piece of the puzzle for solving the present climate and energy crisis. Hence, the adaptation of LIBs is rapidly increasing, which has evoked severe concerns about the abundance, sustainability, and recyclability of the electrode raw materials. Cycle life is one of the main parameters regarding the sustainability of the LIBs, and it can be improved by protecting the active materials with suitable coatings.
The scope of this thesis was twofold: (i) to challenge new organic electrode (OE) materials as more sustainable alternatives to current electrode materials, and (ii) to develop new Li-organic protective coating materials for the LIB electrodes. The gas-phase atomic/molecular layer deposition (ALD/MLD) thin-film technique provides unique advantages for both applications, and it was comprehensively utilized in this thesis. The focus was on developing new Li-organic ALD/MLD processes, which are still scarce in the literature. The overall goal was to show the applicability, benefits, and uniqueness of ALD/MLD technology to deposit various Li-organic materials for potential battery applications.
In addition to five new ALD/MLD processes for OE anode materials, an empirical method for simplifying source temperature's optimization in ALD/MLD based on thermogravimetric analysis was developed. The OE anode materials showed similar intrinsic electrochemical performance metrics as previously measured with conventional electrodes with bulk materials. As the thin-film electrodes deposited from the gas phase do not contain any additives that are usually mixed with the active material, they can be considered a perfect model for studying the electrode materials' intrinsic properties. The post-mortem X-ray analysis of the cycled electrodes showed amorphization of the active material whenever the charge-discharge voltage plateau was lost. The performance decay is proposed to be caused by the excess lithiation of the aromatic core and subsequent side reaction.
Pioneering work with three new ALD/MLD processes for possible Li-organic protective coatings was accomplished in this thesis. One of the processes utilized CO2 for the first time in the ALD/MLD process to deposit lithium alkyl carbonates. The lithium alkyl carbonates are an exciting group of materials because they are abundant in the organic part of the solid electrolyte interphase (SEI), forming naturally in the LIBs. This development allows the depositions of artificial SEI coatings. Furthermore, films of dilithium-1,4-benzenedisulfonate were deposited, diffraction patterns reported, and performance evaluated. The performance still needs to be improved, and the Li-organic coatings applied on conventional electrodes, but the groundwork is now laid down.
Litiumioniakut ovat yksi tärkeä osa ilmasto- ja energiakriisin ratkaisemisessa, mikä kiihdyttää niiden käyttöönottoa. Käytön yleistyessä huoli kasvaa raaka-aineiden kestävän kehityksen mukaisesta käytöstä, saatavuudesta ja kierrätettävyydestä. Akut olisi syytä myös suunnitella kestämään mahdollisimman pitkään. Litiumioniakun elinkaaren purku- ja lataussyklien määrää voidaankin kasvattaa suojaamalla aktiiviset materiaalit pinnoitteella.
Tässä väitöskirjassa tutkittiin (i) uusia, vaihtoehtoisia ja kestävän kehityksen mukaisia orgaanisia akkumateriaaleja ja (ii) kehitettiin litiumorgaanisia pinnoitteita akkujen aktiivisten materiaalien päällystykseen. Työssä hyödynnettiin atomi/molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD) menetelmää, joka tarjoaa ainutlaatuisen lähestymistavan molempiin sovelluskohteisiin. Työ keskittyi uusien litiumorgaanisten ALD/MLD ohutkalvojen kasvatus prosessien kehittämiseen, mistä julkaistua tietoa on olemassa vielä vain vähän. Päämäärä oli osoittaa ALD/MLD tekniikan soveltuvuus ja sen potentiaali litiumioniakkujen kehittämisessä.
Työssä kehitettiin viisi uutta ALD/MLD prosessia orgaanisille anodimateriaaleille ja empiirinen tapa optimaalisen lähdelämpötilan arvioimiseksi ALD/MLD prosesseille termogravimetrian avulla. Ohutkalvojen sähkökemiallinen karakterisointi osoitti, että niiden ominainen käyttäytyminen vastasi aiempia tuloksia tavanomaisista elektrodeista. Ohutkalvoelektrodit eivät kuitenkaan sisällä lainkaan lisäaineita, joita normaalisti käytetään elektrodien valmistamisessa. Tämä tekee ohutkalvoelektrodeista erinomaisia mallielektrodeja, jonka avulla voidaan tutkia materiaalien luontaisia ominaisuuksia. Ohutkalvoelektrodien käytön jälkeisissä (post-mortem) diffraktio tutkimuksissa havaittiin, että näyte muuttuu amorfiseksi ja todettiin tämän muutoksen yhteys purku-latauskäyrän käyttäytymiseen. Tämä voi johtua aromaattisen hiilirungon litioitumisesta ja sen sivureaktiosta nestemäisen elektrolyytin kanssa.
Työssä tehtiin uraauurtavaa kehitystä litiumorgaanisten ALD/MLD pinnoitteiden parissa. Yksi prosesseista käytti ensimmäisenä hiilidioksidia lähtöaineena litiumkarbonaattiesterien valmistuksessa ohutkalvoina. Litiumkarbonaattiesterit ovat mielenkiintoinen funktionaalinen ryhmä, koska niitä muodostuu elektrodin ja elektrolyytin kiinteässä rajapinnassa (Solid Electrolyte Interphase, SEI). Tämän kehityksen ansiosta voidaan nyt valmistaa täysin keinotekoinen SEI. Toinen ALD/MLD prosessi kehitettiin dilitium-1,4-bentseenidisulfonaatille, jonka diffraktogrammi ja (sähkö)kemialliset ominaisuudet arvioitiin. Litiumorgaanisten materiaalien suorituskykyä on pystyttävä parantamaan ja niiden toiminta tulee testata oikean elektrodimateriaalin päällä. Pohjatyö on kuitenkin nyt aloitettu.
Description
Defence is held on 6th August 2021 at 12:00
Zoom link: https://aalto.zoom.us/j/69831465560
Supervising professor
Karppinen, Maarit, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: Multia, Jenna; Khayyami, Aida; Heiska, Juho; Karppinen, Maarit. Low-pressure thermogravimetric analysis for finding sublimation temperatures for organic precursors in atomic/molecular layer deposition. Journal of Vacuum Science & Technology A, 2020, 38, 5, 052406.
DOI: 10.1116/6.0000345 View at publisher
- [Publication 2]: Heiska, Juho; Nisula, Mikko; Rautama, Eeva-Leena; Karttunen Antti J.;Karppinen, Maarit. Atomic/molecular layer deposition and electrochemical performance of dilithium 2-aminoterephthalate. Dalton Transactions, 2020, 49, 5, 1591-1599.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202006254037DOI: 10.1039/C9DT04572D View at publisher
- [Publication 3]: Multia, Jenna; Heiska, Juho; Khayaami, Aida; Karppinen, Maarit. Electrochemically active in situ crystalline lithium-organic thin films by ALD/MLD. ACS Applied Materials and Interfaces, 2020, 12, 37, 41557-41566.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202010025798DOI: 10.1021/acsami.0c11822 View at publisher
- [Publication 4]: Heiska, Juho; Madadi, Milad; Karppinen, Maarit. CO2-based atomic/molecular layer deposition of lithium ethylene carbonate thin film. Nanoscale Advances, 2020, 2, 6, 2441-2447.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202008214782DOI: 10.1039/D0NA00254B View at publisher
- [Publication 5]: Heiska, Juho; Sorsa, Olli; Kallio, Tanja; Karppinen, Maarit. Benzenedisulfonic acid as an ALD/MLD building block for crystalline metal-organic thin films. Chemistry - A European Journal, 2021, 27, 34, 8799-8803.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202107017875DOI: 10.1002/chem.202100538 View at publisher