Lithium ethylene glycol thin films by ALD/MLD – Deposition and properties

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2019-08-20

Department

Major/Subject

Chemistry

Mcode

CHEM3023

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

107+9

Series

Abstract

Incoming high-capacity electrode materials for Li-ion batteries are often chemically and mechanically unstable and stand to greatly benefit from a protective coating or a compatible electrolyte material. In this work, a Li–organic thin-film material is pioneered with promising properties for these uses. These lithium ethylene glycol (LiEG) films were grown using atomic/molecular layer deposition (ALD/MLD), which enables the conformal coating of even high-aspect-ratio surfaces. The aliphatic (non-aromatic) flexibility of LiEG could allow it to endure the volume changes of electrodes and inhibit the Li+-depleting formation of solid electrolyte interphases, while its baked-in lithium may contribute to the electrolyte content of the battery. In this work, the existing literature on the deposition and uses of aliphatic ALD/MLD films was tabulated and thoroughly discussed. The chemical and thermal stability as well as electrochemical and mechanical properties of the films were also reviewed. The information gained was utilised in developing and optimising the deposition process for LiEG, and in studying its properties. At an optimal temperature of just 80 °C, the growth of LiEG was conformal and linear in SEM images and XRR patterns, respectively. The material was confirmed amorphous by GIXRD, and a proposed structure of (–Li2–O–C2H4–O–)n was matched by FTIR scans. The films were stable in dry air but unstable in the presence of water, with both immediate and longer-term chemical changes occurring in ambient air, as determined from FTIR, XRR and GIXRD data as well as AFM images. LiEG appeared highly resistive and attained promisingly high ionic conductivity values in impedance spectroscopy, both of which are desired properties in an electrolyte material. A stable operating range with few chemical changes was also observed in cyclic voltammetry and rate tests. Moreover, a coating of LiEG improved the performance of a Li–organic electrode. In tensile testing, LiEG compared favourably with results published for other hybrid films. A coating or electrolyte with these properties could dramatically improve the longevity and feasibility of high-capacity electrode materials and thus enable the production of Li-ion batteries with significantly higher energy density.

Li-ioniakuille kehitettävät korkeakapasiteettiset elektrodimateriaalit ovat usein kemiallisesti ja mekaanisesti epästabiileja, ja ne hyötyisivät siksi suojakerroksesta tai sopivasta elektrolyytistä. Tässä työssä kehitettiin uusi Li–orgaaninen ohutkalvomateriaali, jonka ominaisuudet olivat lupaavia näihin käyttötarkoituksiin. Nämä litiumetyleeniglykoli (LiEG) -kalvot valmistettiin atomi- ja molekyylikerroskasvattamalla (ALD/MLD), joka mahdollistaa monenmuotoisten pintojen konformaalisen päällystämisen. LiEG:n alifaattinen (epäaromaattinen) taipuisuus ja sen sisältämä litium voi auttaa sitä kestämään elektrodien tilavuudenmuutokset ja hidastamaan kiinteän elektrolyytin rajapinnan muodostumista sekä elektrolyytin vähenemistä akussa. Tässä työssä on käyty perusteellisesti läpi tähänastinen kirjallisuus alifaattisten ALD/MLD-kalvojen kasvattamisesta ja käyttökohteista. Katsaus sisältää myös kalvojen lämpö- ja kemiallisen stabiilisuuden sekä niiden sähkökemialliset ja mekaaniset ominaisuudet. Katsauksesta saatua tietoa hyödynnettiin LiEG:n kasvatuksen optimoinnissa sekä sen ominaisuuksien tutkinnassa. LiEG:n kasvu oli konformaalista ja lineaarista optimilämpötilassa, jo 80 °C:ssa, mikä todettiin vastaavasti SEM-kuvista ja XRR-käyristä. Materiaali havaittiin GIXRD:llä amorfiseksi, ja FTIR-käyrät vastasivat ennalta arvioitua (–Li2–O–C2H4–O–)n -rakennetta. LiEG:n havaittiin lisäksi olevan stabiili kuivassa ilmassa, mutta reagoivan altistuessaan vedelle sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä, FTIR-, XRR- ja GIXRD-mittauksia sekä AFM-kuvia hyödyntämällä. LiEG vaikutti resistiiviseltä ja saavutti korkeita ioninjohtavuuden arvoja impedanssispektroskopialla; molemmat näistä ovat kiinteälle elektrolyytille suotuisia ominaisuuksia. LiEG-puolikennoille löydettiin myös kemiallisesti vakaa jänniteväli syklisellä voltammetrialla sekä lataus- ja purkunopeustesteillä. LiEG päällyste lisäksi paransi Li-orgaanisen elektrodin toimintaa. Vetokokeiden tulokset taas vertautuivat suotuisasti toisiin ohutkalvoihin. Näillä ominaisuuksilla pinnoite tai elektrolyytti voisi huomattavasti parantaa korkeakapasiteettisten elektrodien käyttöikää, ja siten mahdollistaa merkittävästi korkeammat energiatiheydet Li-ioniakuissa.

Description

Supervisor

Karppinen, Maarit

Thesis advisor

Heiska, Juho

Keywords

atomic layer deposition, molecular layer deposition, lithium-ion battery, solid-state electrolyte, solid electrolyte interphase

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201908254995

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM