Lithium nickel manganese cobalt oxide as a positive electrode material in lithium ion batteries
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
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
2019-07-31
Department
Major/Subject
Functional Materials
Mcode
CHEM3025
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
75 + 1
Series
Abstract
Li-ion batteries are the most popular rechargeable batteries due to their high power and energy density, long cycle life, safety and environmental friendliness. Lithium nickel manganese cobalt oxide, LiNixMnyCo1-x-yO2 is an increasingly widely used positive electrode material in Li-ion batteries. Its advantages over other positive electrode materials are its high energy density and long cycle life. It was originally designed to replace lithium cobalt oxide, LiCoO2 in order to decrease the usage of cobalt, which is currently an expensive and often unethically produced material. Lithium nickel manganese cobalt oxide is widely studied and developed into better characteristics. In the literature part of this work, the electrochemistry of Li-ion battery cells is introduced, after which the characteristics of lithium nickel manganese cobalt oxide as the positive material in Li-ion batteries are described. The characteristics include composition, crystal structure and electrochemical performance. Effects of structural modifications, doping, coatings and additives on the electrochemical performance are discussed. In the experimental part, four LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 materials were investigated as the positive electrode material in Li-ion battery cells. Differences between the materials were the secondary particle size of the nickel manganese cobalt oxide precursor and temperature of the lithiation process. Half cells using lithium as the negative electrode and full cells using graphite on the negative electrode were investigated. Structural characterization was performed using X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Electrochemical characterization was performed using cyclic voltammetry, electrochemical cycling and electrochemical impedance spectroscopy. Higher lithiation temperature was found to lead to an increase in the secondary particle size and to a higher deviation from the stoichiometric layered lithium-transition metal oxide crystal structure. The material with the lowest deviation from the layered crystal structure had the highest cycle life, and both of the materials with the higher lithiation temperature had faster lithium ion diffusion. All the materials had very similar electrochemical performances. High calendering pressure enhanced the rate capability of the electrodes by increasing electron transfer between the active material particles. The material with the smallest secondary particle size had the lowest discharge capacities at all charging rates. The materials with a larger particle size were found to most likely have a better contact with the current collector on the positive electrode. Charge transfer resistances were growing faster in cells with a 70 % state of charge than in cells with a 30 % state of charge.Litiumioniakut ovat suosituimpia ladattavia akkuja johtuen niiden korkeista teho- ja energiatiheyksistä, pitkästä sykli-iästä, turvallisuudesta ja ympäristöystävällisyydestä. Litiumnikkelimangaanikobolttioksidi, LiNixMnyCo1-x-yO2 on yhä laajemmin käytetty positiivielektrodimateriaali litiumioniakuissa. Sen etuja muihin positiivielektrodimateriaaleihin ovat korkea energiatiheys ja pitkä sykli-ikä. Se suunniteltiin alun perin korvaamaan litiumkobolttioksidi, LiCoO2 ja siten vähentämään koboltin käyttöä, koska koboltti on nykyään kallis ja usein epäeettisesti tuotettu materiaali. Litiumnikkelimangaanikobolttioksidin ominaisuuksia tutkitaan ja kehitellään laajasti. Tämän työn kirjallisuusosassa litiumioniakkujen sähkökemia esitellään, minkä jälkeen kuvaillaan litiumnikkelimangaanikobolttioksidin ominaisuuksia litiumioniakkujen positiivielektrodi-materiaalina. Ominaisuudet sisältävät koostumuksen, kiderakenteen ja sähkökemiallisen suorituskyvyn. Rakenteellisten muutosten, seostuksen, pinnoitteiden ja lisäaineiden vaikutukset käsitellään. Kokeellisessa osiossa neljää LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 materiaalia tutkittiin positiivielektrodimateriaaleina litiumioniakkukennoissa. Materiaalien väliset erot olivat nikkelimangaanikobolttioksidi-lähtöaineen sekundääripartikkelikoko ja litiointiprosessin lämpötila. Työssä tutkittiin puolikennoja, joiden negatiivielektodi oli litiumia, ja kokokennoja, joiden negatiivielektrodin aktiivinen materiaali oli grafiittia. Rakenteellinen karakterisointi tehtiin käyttäen röntgendiffraktiomenetelmää ja pyyhkäisyelektronimikroskooppia. Sähkökemialliseen karakterisointiin käytettiin syklistä voltammetriaa, galvanostaattisia mittauksia ja sähkökemiallista impedanssispektroskopiaa. Korkeamman litiointilämpötilan havaittiin johtavan sekundääripartikkelikoon kasvuun ja korkeampaan poikkeavuuteen stoikiometrisesta kerrostuneesta litium - transitiometallioksidi-kiderakenteesta. Materiaalilla, jolla oli vähiten poikkeavuutta kerrostuneesta kiderakenteesta, oli pisin sykli-ikä ja molemmilla materiaaleilla, joilla oli korkeampi litiointilämpötila, oli nopeampi litiumionien diffuusio. Kaikilla materiaaleilla oli lähes samanlaiset sähkökemialliset suorituskyvyt. Yli kolmen tonnin kalanterointipaine paransi kaikkien elektrodien latausnopeuskykyä parantamalla aktiivisen materiaalin partikkelien välistä elektronien kuljetusta. Materiaalilla, jolla oli pienin sekundääripartikkelikoko, oli matalin purkukapasiteetti kaikilla latausnopeuksilla, mutta erot purkukapasiteeteissa olivat kuitenkin pieniä. Materiaaleilla, joilla oli isompi partikkelikoko, havaittiin olevan luultavasti parempi kontakti positiivisen elektrodin virrankerääjään. Varauksensiirtovastukset kasvoivat nopeammin kennoissa, joiden latausaste oli 70 % kuin kennoissa, joiden latausaste oli 30 %.Description
Supervisor
Kallio, TanjaThesis advisor
Lahtinen, KatjaKeywords
li-ion battery, lithium nickel manganese cobalt oxide, particle size, lithiation, cycle life, rate capability