Synthesis and Characterisation of NMC622 Cathodes for Lithium-Ion Batteries

Abstract

Effektive batterier med høy kapasitet blir stadig viktigere i samfunnet, hvor folk blir mer og mer avhengig av bærbare elektroniske enheter og elektriske kjøretøy. På bakgrunn av dette har Glencore Nikkelverk AS startet et prosjekt hvor overflødige kjemikalier blir brukt til syntese av batterier, noe som også vil bidra til å redusere avfall fra bedriften. I denne masteroppgaven ble NMC622-pulver syntetisert ved hjelp av en ko-presipiteringsmetode, til bruk som aktivt katodemateriale i litium-ion batterier. Nikkel- og kobolt-forløpere fra Glencore Nikkelverk AS ble brukt til å syntetisere pulveret (CPGC), og et referansepulver ble også syntetisert med nikkel- og koboltforløpere fra Sigma-Aldrich (CPSA). De strukturelle, morfologiske og elektrokjemiske egenskapene til pulverene og de resulterende katodene ble undersøkt ved hjelp av karakteriseringsteknikker som SEM, XRD, BET, EIS og galvanostatisk sykling. Begge pulverene var faserene, med en lav grad av kationmiksing, og hadde til en viss grad sfærisk morfologi. Grunnet store CPGC partikler, var det stor forskjell i spesifikt overflateareal for pulverene. Dette kan ha vært et resultat av at kloridioner var tilstede i løsningen under syntesen. Den elektrokjemiske ytelsen til CPGC var svært ujevn, muligens grunnet sidereaksjoner som tidvis førte til at den tilsynelatende kapasiteten oversteg den teoretiske maksimale kapasiteten. Dette kan også skyldes tilstedeværelse av kloridioner som fasiliterer katalyse av uønskede sidereaksjoner i elektrolytten. CPSA viste bedre syklingsresultater, med kapasiteter rundt 200 mAh/g, og stabil sykling over 100-200 sykler. CPSA ble dekket med et aluminiumsfosfatbelegg (AL-CPSA) i et forsøk på å redusere degradering av kapasitet grunnet oppløsning av mangan i elektrolytten. AL-CPSA viste noe bedre kapasitetsretensjon enn CPSA, men hadde lavere initiell kapasitet, på rundt 140-155 mAh/g. Bruk av kloridløsninger som nikkel- og koboltforløpere fra Glencore Nikkelverk AS har vist seg å være upraktisk, sannsynligvis grunnet kloridinnholdet i disse, og forslag har blitt fremlagt slik at bedriften kan unngå lignende problemer i fremtiden.

Efficient high-capacity batteries are becoming more and more important in our society, where the population is increasingly dependent on portable electronic devices and electric vehicles. In light of this, Glencore Nikkelverk AS has initiated a project where left-over chemicals are used for battery synthesis, which will also help reduce unwanted waste from the company. In this thesis, NMC622 powder for use as active cathode material in lithium-ion batteries was synthesised using a co-precipitation procedure. Nickel and cobalt precursors supplied by Glencore Nikkelverk AS was used to synthesise the powder (CPGC), and a reference batch was made using nickel and cobalt precursors from Sigma-Aldrich (CPSA). The structural, morphological and electrochemical properties of the powders and the resulting cathodes were investigated using a range of techniques, including SEM, XRD, BET, EIS and galvanostatic charge-discharge cycling. Both powders were phase pure with a low degree of cation mixing, and had somewhat spherical morphology. There was a large disparity in specific surface area due to larger particles for CPGC, possibly caused by the presence of chloride during synthesis. The electrochemical performance of CPGC was erratic, possibly due to side-reactions, which caused apparent capacity to drift beyond theoretical maximum. This can also be a result of potential presence of chloride, which could facilitate catalysis of unwanted side-reactions of the electrolyte. CPSA had better cycling results, with capacities around 200 mAh/g, and stable cycling over 100-200 cycles. CPSA was coated with aluminium phosphate (AL-CPSA), in order to reduce capacity degradation due to dissolution of manganese into the electrolyte. AL-CPSA showed slightly better capacity retention than CPSA, but had lower initial capacity, at around 140-155 mAh/g. Using chloride solutions from Glencore Nikkelverk AS has proved inconvenient, most likely due to the chloride content, and suggestions have been made so that the company may avoid similar problems in the future.