Enhancing electrochemical discharge of lithium-ion batteries with iron-based redox couple electrolytes
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden 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
2022-08-22
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
55
Series
Abstract
The demand for lithium-ion batteries (LIB) is increasing rapidly around the world, driven especially by electrification of transport. This leads to increasing amounts of end-of-life LIBs in the future. LIBs contain both environmentally hazardous materials and valuable finite metals and therefore, efficient recycling methods are needed. However, a major obstacle in LIB recycling is that spent LIBs often contain residual energy, which can lead to fires and explosions during the recycling process. Electrochemical discharge using salt solutions is reported to completely discharge LIBs efficiently. The method causes significant corrosion on the battery and potentially releases toxic gases to the environment. Additionally, the voltage recovery effect is often not considered, where the battery voltage increases after discharge. The discharge behaviour and the recovery effect are studied in this thesis through numerous experiments. A novel approach of using an iron-based redox couple electrolyte is introduced. The batteries were submerged in a solution and their voltage was measured hourly both during discharge and after it. From the experimental data, the effects of electrolyte concentration, discharge time and battery type are investigated. The results show that in general, the redox couple electrolyte discharges the batteries to lower voltages compared to previous experiments using single salts found in literature. The discharge rate was found to increase with electrolyte concentration, while discharge time reduced the voltage recovery effect. However, the battery type has a significant impact on the discharge behaviour and safe voltages were not reached with all batteries. Additionally, some amount of variance was found between individual batteries of the same type. Some batteries experienced corrosion, also depending on the battery used. Therefore, the method doesn’t seem to be universally applicable to all different kinds of batteries.Litiumioniakkujen kysyntä kasvaa nopeasti maailmanlaajuisesti, erityisesti ajoneuvojen sähköistymisen ansiosta. Tämä johtaa myös kasvavaan käytettyjen litiumioniakkujen määrään tulevaisuudessa. Litiumioniakut sisältävät sekä ympäristölle haitallisia aineita että arvokkaita metalleja, joten niille tarvitaan tehokkaita kierrätysmenetelmiä. Suuri haaste käytettyjen litiumioniakkujen kierrätyksessä on niiden sisältämä ylijäämäenergia, joka voi aiheuttaa tulipaloja tai räjähdyksiä kierrätysprosessin aikana. Sähkökemiallinen purku suolaliuosten avulla on väitetysti tehokas menetelmä litiumioniakkujen täydelliseen purkamiseen. Tämä menetelmä kuitenkin aiheuttaa merkittävästi korroosiota akkuun ja voi mahdollisesti aiheuttaa haitallisia päästöjä ympäristöön. Lisäksi jännitteen palautumista ei ole huomioitu, missä litiumioniakun jännite kasvaa sähkökemiallisen purkamisen jälkeen. Tässä diplomityössä litiumioniakkujen käyttäytymistä purun aikana ja jännitteen palautumista tutkitaan useiden kokeiden avulla. Uusi lähestymistapa käyttää redox-parielektrolyyttiä esitellään. Akut upotettiin suolaliuokseen ja niiden jännite mitattiin tunneittain sekä purun aikana että sen jälkeen. Elektrolyytin konsentraation, purkuajan ja akkutyypin vaikutuksia analysoidaan kokeellisesta datasta. Tulokset osoittavat, että yleisesti ottaen redox-parielektrolyytit purkavat akkuja alhaisempaan jännitteeseen verrattuna aiempiin kokeisiin kirjallisuudessa yksittäisillä suoloilla. Purku nopeutuu elektrolyytin konsentraation kasvaessa, kun taas jännite palautuu vähemmän pidemmillä purkuajoilla. Akkutyypillä on kuitenkin merkittävin vaikutus purkukäyttäytymiseen ja turvallisen jännitteen rajoihin ei päästy kaikilla akuilla. Lisäksi saman akkutyypin yksittäisten akkujen välillä on pieniä eroavaisuuksia. Jotkin akut korrondoituivat purun aikana, riippuen akkutyypistä. Tätä menetelmää ei voi siis täysin soveltaa kaikille erilaisille akuille.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Serna, RodrigoKeywords
lithium-ion battery, discharge, voltage recovery, battery recycling