Electrochemical Studies on Degradation Mechanisms of Electrode Materials in Lithium-Ion Batteries

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKallio, Tanja, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, Finland
dc.contributor.authorRauhala, Taina
dc.contributor.departmentKemian ja materiaalitieteen laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Chemistry and Materials Scienceen
dc.contributor.labResearch Group of Electrochemical Energy Conversionen
dc.contributor.schoolKemian tekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Chemical Technologyen
dc.contributor.supervisorKallio, Tanja, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, Finland
dc.date.accessioned2020-11-05T10:00:06Z
dc.date.available2020-11-05T10:00:06Z
dc.date.defence2020-12-03
dc.date.issued2020
dc.descriptionThe public defense will be organized via remote technology. Follow defence on 3.12.2020 16:00 – 19:00: https://aalto.zoom.us/j/67985046418 Zoom quick guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide
dc.description.abstractLi-ion batteries are the primary power source in small consumer electronics, and they are becoming common in larger systems, such as (hybrid) electric vehicles and stationary energy storage, as well. In the large-scale applications, especially the safety and reliability requirements are strict, and the gradual degradation of Li-ion cell materials over time and use should be prevented. The aim of this thesis was to study the aging of Li-ion battery electrode materials and to investigate different strategies to improve their stabilities. The aging mechanisms in commercial graphite/LiFePO4 battery cells were studied at different temperatures. A post-mortem analysis of the aged cells revealed that the cell performance decline originated from side reactions at the graphite negative electrode. Furthermore, cycling at low temperatures was found to promote surface and intergranular cracking of the graphite particles, which likely originated from mechanical stress caused by large Li concentration gradients within the particles. In addition to the graphite negative electrode, the positive electrode materials can be a major source of cell aging. While commercial LiFePO4 was shown to be stable towards prolonged cycling, the most commonly used transition metal oxides (LiMO2, M=Co, Ni, Mn) are known to degrade especially at high potentials. In this work, small amounts of Mg and Ti co-doping (<1 mol-%) were shown to improve the electrochemical performance and to increase the durability of LiCoO2 by suppressing the impedance increase during cycling. On the other hand, Li overstoichiometry was found to be detrimental to the performance of LiCoO2 when cycled at relatively low potentials. To replace the expensive and often toxic transition metal oxides, organic electrode materials such as conducting polymers have been studied extensively, but a poor cycling stability restricts their use in commercial applications. In the present work, the addition of carbon nanotubes as a support for a common conducting polymer, polyaniline, was shown to improve its cycling stability. The carbon nanotube support inhibited mechanical changes of the electrode, and suppressed the deterioration of the electrical properties of the composite electrodes during cycling. Cell design also affects the aging of Li-ion batteries. Side reactions related to the faradaic Li-intercalation reaction are a major source of aging in Li-ion cells. By replacing one of the Li-intercalation electrodes with a capacitor-type electrode showing a purely capacitive charge-storage mechanism, the aging rate can be reduced. In this work, the preparation of this type of Li-ion capacitor cells was considered, and the electrode balancing, pre-lithiation of the intercalation electrode and different material combinations were considered.en
dc.description.abstractLi-ioniakut ovat yleisin akkutyyppi kannettavassa elektroniikassa, ja niiden käyttö on yleistynyt myös suuremmissa sovelluskohteissa, kuten sähkö- ja hybridiautoissa sekä stationäärisissä energiavarastoissa. Suuren kokoluokan sovelluksissa akkujen tulee täyttää tiukat vaatimukset turvallisuudesta sekä luotettavuudesta, ja akkumateriaalien heikkeneminen käytössä tulisi estää. Tässä työssä tutkittiin litiumioniakkujen elektrodimateriaalien ikääntymistä sekä keinoja sen ehkäisemiseksi. Kaupallisten grafiitti/LiFePO4-akkukennojen ikääntymismekanismeja tutkittiin avaamalla eri lämpötiloissa käytettyjä kennoja. Työssä havaittiin, että kennojen suorituskyvyn heikkeneminen johtui pääasiassa sivureaktioista akun grafiittinegatiivielektrodilla. Lisäksi akun latauksen ja käytön matalassa lämpötilassa huomattiin johtavan grafiittipartikkelien pintojen halkeiluun sekä rakeiden väliseen halkeiluun. Tämä aiheutui partikkelien sisäisistä Li-konsentraatioeroista johtuvasta mekaanisesta rasituksesta. Grafiittinegatiivielektrodin lisäksi myös positiivielektrodimateriaalit voivat olla merkittävä syy kennon ikääntymiseen. Kaupallisen LiFePO4-materiaalin todettiin olevan stabiili pitkäaikaisessakin käytössä, kun taas yleisimmin käytettyjen siirtymämetallioksidien (LiMO2, M=Co, Ni, Mn) on huomattu ikääntyvän nopeasti varsinkin korkeissa potentiaaleissa. Tässä työssä osoitettiin, että pieni määrä (<1 mol-%) Mg:ia ja Ti:a seostettuna LiCoO2:iin parantaa sen sähkökemiallista suorituskykyä ja kestävyyttä sekä vähentää materiaalin impedanssin kasvua kennon käytön aikana. Li-ylimäärä sen sijaan heikensi LiCoO2:n suorituskykyä matalissa potentiaaleissa. Koska siirtymämetallioksidit ovat kalliita ja usein myrkyllisiä, orgaanisia elektrodimateriaaleja kuten sähköä johtavia polymeerejä on tutkittu paljon, mutta huono stabiilius rajoittaa niiden käyttöä kaupallisissa sovelluksissa. Tässä työssä osoitettiin, että lisäämällä hiilinanoputkia tukimateriaaliksi sähköä johtavan polyaniliinin sekaan materiaalin kestävyyttä käytössä voidaan parantaa. Hiilinanoputket estivät mekaanisia muutoksia elektrodissa käytön aikana sekä hidastivat materiaalin sähköisten ominaisuuksien heikkenemistä. Li-ioniakkujen ikääntymiseen voidaan vaikuttaa myös kennon suunnittelun kautta. Faradisen Li-interkalaatioreaktion kanssa samanaikaisesti tapahtuvat sivureaktiot ovat tärkeä Li-ioniakkukennojen ikääntymisen syy. Korvaamalla toinen akun interkalaatioelektrodeista materiaalilla, jonka energianvarastointikyky perustuu puhtaasti kapasitiivisiin ilmiöihin, voidaan ikääntymistä hidastaa. Tällaista kennoa kutsutaan Li-ionikondensaattoriksi, ja tässä työssä perehdyttiin niiden valmistukseen, elektrodien tasapainotukseen sekä interkalaatioelektrodien esilitioimiseen ja testattiin erilaisia materiaaliyhdistelmiä.fi
dc.format.extent78 + app. 82
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-0118-8 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-0117-1 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/47417
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-0118-8
dc.language.isoenen
dc.opnSvensson, Ann Mari, Prof., Norwegian University of Science and Technology, Norway
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: T. Rauhala, K. Jalkanen, T. Romann, E. Lust, N. Omar and T. Kallio, Low-temperature aging mechanisms of commercial graphite/LiFePO4 cells cycled with a simulated electric vehicle load profile—A post-mortem study, Journal of Energy Storage 20 (2018) 344–356. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201811025562. DOI: 10.1016/j.est.2018.10.007
dc.relation.haspart[Publication 2]: K. Lahtinen, T. Rauhala, S. Räsänen, E. Rautama and T. Kallio, The effect of synthesis modifications on the lithium cobalt oxide using commercial precursors, Electrochimica Acta 327 (2019) 135012. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001021401. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.135012
dc.relation.haspart[Publication 3]: T. Rauhala, F. Davodi, J. Sainio, O. Sorsa and T. Kallio, On the stability of polyaniline/carbon nanotube composites as binder-free positive electrodes for electrochemical energy storage, Electrochimica Acta 336 (2020) 135735. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202002122207. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.135735
dc.relation.haspart[Publication 4]: T. Rauhala, J. Leis, T. Kallio and K. Vuorilehto, Lithium-ion capacitors using carbide-derived carbon as the positive electrode – A comparison of cells with graphite and Li4Ti5O12 as the negative electrode, Journal of Power Sources 331 (2016) 156–166. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201701191326. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.09.010
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries177/2020
dc.revBrandell, Daniel, Prof., Uppsala University, Sweden
dc.revHjelm, Johan, Prof., Technical University of Denmark, Denmark
dc.subject.keywordlithium-ion batteryen
dc.subject.keywordelectrode materialen
dc.subject.keywordagingen
dc.subject.keyworddegradation mechanismen
dc.subject.keywordpost-mortem analysisen
dc.subject.keywordconducting polymeren
dc.subject.keywordlithium-ion capacitoren
dc.subject.keywordlitiumioniakkufi
dc.subject.keywordelektrodimateriaalifi
dc.subject.keywordikääntyminenfi
dc.subject.keywordikääntymismekanismifi
dc.subject.keywordpost mortem-analyysifi
dc.subject.keywordsähköä johtava polymeerifi
dc.subject.keywordlitiumionikondensaattorifi
dc.subject.otherChemistryen
dc.titleElectrochemical Studies on Degradation Mechanisms of Electrode Materials in Lithium-Ion Batteriesen
dc.titleElektrodimateriaalien ikääntymismekanismit litiumioniakuissa: Tutkimus sähkökemiallisin menetelminfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2020-12-28_1636
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2020_11_04_klo_14_18
local.aalto.infraOtaNano
local.aalto.infraOtanano - Nanomicroscopy Center
local.aalto.infraRawMatTERS Infrastructure (RAMI)
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526401188.pdf
Size:
7.76 MB
Format:
Adobe Portable Document Format