Investigation of aging mechanisms of lithium nickel manganese cobalt oxide positive and graphite negative electrodes in lithium ion batteries
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2021-10-19
Department
Major/Subject
Functional materials
Mcode
CHEM3025
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
94+5
Series
Abstract
Lithium ion battery technology is the most promising cell technology due to the fundamental advantage offered by lithium ion. Lithium ion batteries have become very popular due to their high energy density, long lifetime, and safety. However, to take the next step from the small portable devices to large-scale applications such as stationary energy storage and electric vehicles, lithium ion battery materials must be developed further to resist degradation. This would improve sustainable development and reduce the cost of lithium ion batteries. The aim of this thesis was to study the degradation of aged lithium ion battery electrode materials and to investigate aging mechanisms. The literature section of this thesis covers the fundamentals of lithium ion battery. In this section, an introduction of negative (graphite) and positive electrode (lithium nickel manganese cobalt oxide) material used in this work along with their alternatives are presented. Additionally, known degradation mechanisms of graphite and lithium nickel manganese cobalt oxide are presented. The characterization methods used in this work are also briefly introduced. In the experimental section, the degradation processes of aged graphite and LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 electrodes received from a commercial 18650 battery cell were studied by comparing the results with the electrodes of a fresh battery cell. For aging full cells were cycled to the state-of-health 80% at 45°C and the electrodes were studied separately before and after aging as half-cells. The scanning electron microscope (SEM) shows cracking for the positive and negative electrode, which is related to capacity fade due to contact loss. In addition, white deposits are found on the negative electrode surface. Results of the energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) suggests that solid electrolyte interphase (SEI) and cathode electrolyte interphase (CEI) formation occurs in the aged electrodes. X-ray diffraction (XRD) exhibits high cation disordering in the aged positive electrode. Aged negative electrodes suffer minor disordering according to the ID/IG ratio of Raman spectroscopy. Additionally, Raman spectroscopy shows the characteristic peak for lithium intercalated to graphite in aged electrodes. The results indicate that lithium plating has occurred at the negative electrode. In rate capability tests, the aged positive electrodes show extremely poor performance. Aged negative electrodes show a good rate capability performance with a coulombic efficiency near 100%. The differential capacity analysis of aged negative electrode exhibits minor capacity fade and improved kinetics in comparison to fresh electrode. The cyclic voltammetry (CV) shows slow lithium diffusion for both electrodes. CV of the aged positive electrode indicated capacity fade due to shrinkage of the H2-H3 phase transformation.Litiumioniakku teknologia on kennoteknologioista lupaavin, johtuen litiumionien tarjoamista fysikaalisista edusta. Litiumioniakut ovat tulleet suosituiksi niiden korkean energiatiheyden, pitkän elinkaaren ja turvallisuuden vuoksi. Jotta voitaisiin ottaa seuraava askel kohti suuren mittakaavan käyttökohteita, kuten sähköautoja ja liikkumattomia energiavarastoja, akkumateriaaleja on kehitettävä edelleen vastustamaan ikääntymistä. Tämä parantaisi litiumioniakkujen kestävää kehitystä ja vähentäisi niiden hintaa. Tämän työn tavoitteena oli tutkia vanhennettujen litiumioniakkumateriaalien heikentymistä ja ikääntymismekanismeja. Työn kirjallisessa osiossa käydään läpi litiumioniakkujen tyypillistä rakennetta, toimintaa ja sähkökemiaa. Kirjallisessa osiossa esitellään myös tarkemmin työssä käytettyä negatiivi- (grafiitti) ja positiivielektrodimateriaalia (litium-nikkeli-mangaani-koboltti-oksidi), sekä niiden tilalla yleisesti käytettyjä vaihtoehtoja. Lisäksi esitellään tunnetut ikääntymismekanismit grafiitille sekä litium-nikkeli-mangaani-koboltti-oksidille. Osion lopussa esitellään lyhyesti työssä käytettyjä karakterisointimenetelmiä. Kokeellisessa osiossa tutkittiin vanhennetun kaupallisen 18650 akkupariston grafiitti- ja LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2-elektrodin ikääntymisprosesseja vertaamalla tuloksia tuoreen akkupariston elektrodien kuntoon. Akut vanhennettiin käyttöiän loppuun 45°C lämpötilassa. Akkumateriaaleja tutkittiin erikseen puolikennoissa ennen ja jälkeen vanhentamisen. Vanhennetuista positiivi- ja negatiivielektrodimateriaaleista löydettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla mikrohalkeamia, jotka ovat yhteydessä kapasiteetin heikentymiseen johtuen heikentyneestä kosketuspinnasta materiaalien välillä. Lisäksi negatiivielektrodin pinnalta löydettiin esiintymä valkoisia partikkeleita. Energiadispersiivisen röntgenspektroskopian tulokset osoittavat kiinteän elektrolyytti-interfaasin ja katodielektrolyytti-interfaasin muodostuvan vanhennettuihin elektrodeihin. Röntgendiffraktiomenetelmällä havaittiin kationien epäjärjestyksen kasvaneen huomattavasti vanhennetuissa positiivielektrodimateriaaleissa. Tämän tiedetään olevan yhteydessä kapasiteetin heikentymiseen. Negatiivielektrodien kationien epäjärjestyksen havaittiin olevan vähäisempää tutkimalla ID/IG intensiteettien suhdetta Raman spektroskopialla. Lisäksi Raman spektroskopialla havaittiin metallista litiumia negatiivielektrodissa, mikä viittaa litiumin pinnoittumiseen elektrodin pinnalle. Galvanostaattisissa mittauksissa vanhennettujen positiivielektrodien suorituskyky oli erittäin heikko. Vanhennettujen negatiivielektrodien suorituskyky on hyvä ja niiden hyötysuhde on lähellä 100 prosenttia. Vanhennettujen negatiivielektrodien differentiaalisella kapasiteettianalyysillä havaittiin vähäistä kapasiteetin heikentymistä ja kinetiikan nopeutumista verrattuna tuoreisiin negatiivielektrodeihin. Syklisen voltammetrian mittauksista havaittiin litium diffuusion olevan hidasta molemmilla elektrodeilla. Vanhennetun positiivielektrodin syklinen voltammetria viittaa kapasiteetin heikentyneen, johtuen H2-H3 faasimuutoksen pienentymisestä.Description
Supervisor
Kallio, TanjaThesis advisor
Fedorovskaya, EkaterinaKauranen, Pertti
Keywords
lithium ion battery, lithium nickel manganese cobalt oxide, graphite, aging
