Vertailuelektrodin käyttö litiumioniakkututkimuksessa
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Author
Date
2010
Department
Major/Subject
Fysikaalinen kemia
Mcode
Kem-31
Degree programme
Language
fi
Pages
vi + 109 s. + liitt. 11
Series
Abstract
For lithium-ion batteries to become common in large applications the technology must be improved. Electrode materials are the key to this and to accurately characterize their impact on the cell performance, a reference electrode should be used in the study. By employing a reference electrode the cell voltage and impedance can be divided in the contributions of the individual electrodes. Metallic lithium is widely used as reference electrode in lithium-ion battery studies. In this thesis a lithium reference electrode was placed into large-format, commercial lithium iron phosphate (LFP) / graphite cells. For characterizing the electrode materials, small reference electrode cells were assembled as well. Small cells consisted of either both electrode materials or only one of the materials as working electrode and Lithium as counter electrode. The cells also included a lithium reference electrode. Charging and discharging, that is cycling the cells and impedance spectroscopy was used as research methods. Except for the small graphite cells, all cells assembled showed good performance and were stable during cycling. The instability of the graphite cells was probably caused by the decreasing graphite electrode active area due to drying of the separator. The results improved when a thick separator able to soak up more electrolytes was used. In the small cells, the lithium counter electrode potential did not remain constant during cycling. In addition, its impedance varied and was in some of the cells considerably high. These problems related to the Lithium counter electrode were shown to be solved by employing a reference electrode in the measurements. The study conducted provided information on problems noticed in the performance of large-format cells. The impact of improvements in the LFP material was also demonstrated. The same phenomena were observed both with reference electrode measurements on large-format cells and with small cells assembled from LFP materials. Small LFP/graphite cells were used to demonstrate how the LFP/graphite ratio affects the cell behaviour. Measurements on graphite cells showed the typical potential plateaus of graphite electrodes and passivation of the graphite surface was also observed.Litiumioniakkujen yleistyminen suurissa sovelluskohteissa vaatii teknologian kehittämistä, jossa tärkeässä asemassa ovat kennojen elektrodimateriaalit. Jotta elektrodimateriaalien vaikutusta kennojen toimintaan voidaan karakterisoida tarkasti, täytyy tutkimuksissa käyttää vertailuelektrodia. Sen avulla on mahdollista jakaa kennojännite ja kennon impedanssi eri elektrodien osuuksiin. Vertailuelektrodina on litiumioniakkututkimuksessa yleisesti käytetty metallista litiumia. Työssä lisättiin litiumvertailuelektrodi isoihin litiumrautafosfaatti (LFP)-grafiittikennoihin. LFP- ja grafiittimateriaalien erillistä karakterisointia varten koottiin myös pieniä vertailuelektrodikennoja. Pienissä kennoissa oli joko vain toista materiaaleista tutkittavana elektrodina ja litiumia vastaelektrodina tai molempia elektrodimateriaaleja. Lisäksi kennoissa oli vertailuelektrodi. Tutkimusmenetelminä käytettiin kennojen latausta ja purkua eli syklausta sekä impedanssispektroskopiaa. Pieniä grafiittikennoja lukuun ottamatta kaikki työssä tutkitut kennot toimivat hyvin ja olivat syklaustesteissä stabiileja. Grafiittikennojen epästabiilius johtui luultavasti elektrodien aktiivisten pinta-alojen pienenemisestä separaattorin kuivumisen vuoksi, sillä tulokset paranivat käytettäessä enemmän elektrolyyttiä imevää, paksua separaattoria. Pienten kennojen litiumvastaelektrodin potentiaali ei pysynyt syklauksessa vakiona. Lisäksi elektrodin impedanssi vaihteli ja oli osassa kennoista merkittävän suuri. Nämä litiumvastaelektrodiin liittyvät ongelmat voitiin ratkaista käyttämällä mittauksissa vertailuelektrodia. Tehdyn tutkimuksen avulla pystyttiin analysoimaan isojen kennojen suorituskyvyssä havaittuja ongelmia ja materiaalikehityksen vaikutusta niihin. Samat ilmiöt nähtiin sekä isoilla kennoilla vertailuelektrodin avulla tehdyistä mittauksista että LFP-materiaalista kootuilla pienillä kennoilla. Pienillä LFP-grafiittikennoilla voitiin tutkia kennon tasapainotuksen eli LFP/grafiitti -suhteen vaikutusta kennon toimintaan. Grafiittikennoilla tehdyistä mittauksista nähtiin grafiittielektrodille tyypilliset lataus- ja purkukäyrien potentiaalitasanteet sekä grafiittipinnan passivoituminen.Description
Supervisor
Kallio, TanjaThesis advisor
Vuorilehto, KaiKeywords
lithium-ion battery, litiumioniakku, lithium reference electrode, litiumvertailuelektrodi
