| dc.description.abstract | I dette prosjektet ble effekten av tortuositet og elektroder med porøsitets gradient studert under hurtigladning. To grafitt pulvere med ulik morfologi ble brukt til å lage elektroder. Disse pulverne er kalt S48 og S93. Tortuositeten til disse elektrodene ble målt med elektrokjemisk impedans målinger ved bruk av symmetriske celler som hadde grafitt som både arbeid- og mot- elektrode. For å verifisere valget om å bruke den forenklede transmittans modellen, ble tortuositeten målt for to ulike elektrolytter. Disse elektrolyttene bestod av 0.01M and 0.1M Bu4NPF6 i 1:1 vt% forhold av EC og DMC. Resultatene gav tortuositet på 3.01 ± 0.07 og 3.79 ± 0.36 for elektroder laget av S93-pulveret med henholdsvis 0.01M og 0.1M elektrolytt. Elektrodene laget av S48-pulveret hadde en høyere tortuositet lik 5.20 ± 0.10 og 5.61 ± 0.35 for elektrolytter med konsentrasjon på henholdsvis 0.01M og 0.1M.
Videre ble hurtigladnings evnen til de to ulike elektrodene testet ved å lade fra C/2 til 5C. For disse målingene ble en anode kontrollert 3-elektrode celle bruk. Den bestod av grafitt som mot-elektrode, en overdimensjonert litium jernfosfat katode som arbeids-elektrode og litium metal som referanse- elektrode. Resultatene viste en høy ladningstilstand lik 93.7% ved C/2 for cellen bestående av grafitt med lavest tortuositet. En lavere ladningstilstand lik 90.4% var imidlertid observert for cellen bestående av grafitt elektrode med høyest tortuositet. I tillegg, ble en lavere motstand målt for S93- cellen ved bruk av elektrokjemiske impedans målinger av de to cellene. Disse observasjonene skyldes trolig en lengre og mer kompleks transport vei for litium ioner gjennom elektroden med høy tortuositet.
Videre ble effekten av elektroder med porøsitets gradient undersøkt. Disse elektrodene bestod av et nedre lag med geometrisk tetthet på 1.45 g/cm3, og et topp lag med geometrisk tetthet lik 1.25 g/cm3. Denne elektroden ble sammenlignet med en et-lags elektrode, med geometrisk tetthet som korresponderte til den gjennomsnittlige tettheten til to-lags elektroden lik 1.35 g/cm3. Både to- og et-lags elektrodene ble laget av S93- pulveret. Fabrikkeringen av tolags elektrodene var utfordrerne og gav en ujevn fordeling av det aktive materialet.
Hurtigladnings egenskapene for de to elektrodene ble sammenlignet med tilsvarende prosedyre som beskrevet for S48- og S93-cellen. Resultatene viste at et-lags elektro- den oppnådde en høyere ladningstilstand med 89.4% ved ladning på C/2, sammenlignet med 82.4% for to-lags elektroden. I tillegg ble et betydelig større kapasitets tap observert for to-lags elektroden, da kapasiteten falt med 46.44% ved å øke ladehastigheten fra C/2 til 1C. Dette var betydelig høyer sammenlignet med et-lags elektroden som hadde et kapasitets fall på 21.7% for samme økning i landingshastighet. Hovedteorien for disse observasjonene var relatert til en ujevn fordeling av det aktive materialet på tolags elektroden. Videre ble transporten av litium ioner i det nederste laget på to-lags elektroden vurdert som dårlig. Dette skyldes at elektrolytten trolig ikke evnet å diffunder langt inn i dette laget. Dårlig kontakt mellom det nederste laget og kopper folien var også vurdert som en kilde til de dårligere egenskapene for tolags elektroden. Til slutt ble motstanden i de to cellene målt med elektrokjemisk impedans målinger. Fra disse resultatene ble en høyere total motstand observert for cellen med to-lags elektrode. | |
| dc.description.abstract | In this project the effect of tortuosity and porosity graded graphite electrodes were studied during fast charging. Two graphite powders, named S48 and S93, with different morphology were used to make electrodes, in which the tortuosity of these electrodes was measured with electro- chemical impedance spectroscopy. Symmetrical cells having graphite as both the working- and counter- electrode were used for the measurements. To verify the choice of using the simplified transmission line model to evaluate the impedance data, the tortuosity was measured with two different electrolytes. These consisted of 0.01M and 0.1M Bu4NPF6 in 1:1 wt% EC and DMC. The result gave tortuosity of 3.01 ± 0.07 and 3.79 ± 0.36 for electrodes made by the S93-powder for the 0.01M and 0.1M electrolyte respectively. A higher tortuosity was measured for the S48- powder with 5.20 ± 0.10 and 5.61 ± 0.35 for the 0.01M and 0.1M electrolytes respectively.
Further, the fast charge ability of electrodes made by the two powders were evaluated with charging rates from C/2 to 5C. For these experiments an anode controlled 3-electrode cell was used having graphite, oversized lithium iron phosphate and lithium metal as the counter-, working- and reference- electrode respectively. The cell with graphite electrode of the lowest tortuosity (S93-cell) gave the best rate performance. This cell had the highest state of charge at C/2 equal 93.7%, compared to 90.4% for the cell having graphite electrode with the highest tortuosity(S48-cell). Furthermore, the capacity fade was lower for the S93-cell. Additionally, from electrochemical impedance results, a lower total resistance was measured for the S93-cell. These observations were likely to be caused by a reduced intercalation rate for the high tortuosity graphite electrodes, as these electrodes have longer and more complex pathways for lithium ions.
Furthermore, the effect of porosity graded graphite electrodes was studied by fabricating double layer electrodes having a bottom layer with geometrical density equal 1.45 g/cm3 and a top layer with geometrical density of 1.25 g/cm3. This electrode was compared to a single layer electrode with uniform geometrical density corresponding to the theoretical average geometrical density of the double layer electrode equal 1.35 g/cm3. The double-and single-layer electrodes were made by the S93-powder. The manufacturing of the double layer electrodes was challenging and resulted in an uneven loading distribution.
The fast charge ability of the double- and single- layer electrodes were studied by using the same set-up and test program as described for the S48-and S93-cell. The result showed a higher stat of charge for the single layer electrode compared to the double layer electrode with corresponding values of 89.4% and 82.4% at C/2. Furthermore, the capacity fade was larger for the double layer electrode equal 46.44 % by increasing the charging rate from C/2 to 1C. For the same increase in charging rate, a capacity fade of 21.7% was observed for the single layer electrode. The reduced performance of the double layer electrode was assumed to be caused by an uneven loading distribution, and the dense bottom layer which inhibits the electrolyte’s ability to penetrate into the electrode. Consequently, the intercalation rate of lithium ions is reduced in this region. Additionally, the electrical contact between the bottom layer and the current collector was not optimal which also reduced the performance of this cell. Lastly, from the electrochemical impedance results, the total resistance was highest for the cell with the double layer electrode. | |
