The Effect of FEC and Water on NMC Cathodes for Li ion Batteries with LiFSI based Electrolytes

Abstract

Litium ion batterier er den nåværende dominerende batteriteknologien på grunn av deres overlegne energitetthet. Den økende etterspørselen etter bedre og mer effektiv energilagring for bærbar elektronikk og elektriske kjøretøy krever ikke bare økt ytelse, men også forbedringer i sikkerhet og redusert brennbarhet. Ved å erstatte den nåværende markedsledende elektrolytten, litiumheksafluorfosfat (LiPF6), med litiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI)-baserte elektrolytter, forbedres den termiske stabiliteten, fuktighetsfølsomheten og sikkerheten til batteriene. Imidlertid forårsaker substitusjonen av saltet nye problemer angående korrosjon av aluminiums strømkollektoren på katodene. Denne oppgaven undersøker to tilsetningsstoffer, fluoretylenkarbonat (FEC) og vann (H2O), for å se om disse kan lindre korrosjonsproblemet samtidig som de beholder celleytelsen og sykling stabiliteten for LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2 (NMC) katoder. Syklisk voltammetri på aluminium og galvanostatisk syknling på NMC111 katoder ble utført med fire forskjellige LiFSI elektrolytt sammensetninger. Etterfulgt av flere karakteriseringsmetoder som skanningelektronmikroskopi (SEM), energidispersiv spektroskopi (EDX), optisk emisjonsspektroskopi (GDOES) og infrarød spektroskopi (FTIR) for å analysere aluminium- og katodeoverflatene og deres komposisjon. Analysen viser at både FEC og vann demper de oksidative strømmene på aluminiumsstrømkollektoren, både separat og kombinert. Fra den sykliske voltammetrien er det observert at tilsetning av FEC demper korrosjonen mer enn vann, spesielt ved høye potensialer. Overflatemorfologien observert fra SEM viser at FEC gir tykkere overflatelag enn vann, men at å kombinere tilsetningsstoffene gir det mest jevnt fordelte passiverende laget. Ingen store forskjeller i overflatelagsammensetning kan observeres, kun et høyere innhold av de ulike elementene for prøvene syklet i den FEC-holdige elektrolyttene. Den galvanostatiske syklusen til NMC katodene viser at FEC degraderer celleytelsen og syklusstabiliteten, dette observeres ikke for de vannholdige elektrolyttene. For den kombinerte elektrolytten observeres overlegne utladningskapasiteter, men dårlige coulombiske effektiviteter og dårlig syklusstabilitet er fortsatt et problem. Overflatene på katodene viser ingen store forskjeller i overflatesammensetning og utseende. Fra denne analysen kan det konkluderes med at tilsetning av 10 vekt% FEC resulterer i dårlig celleytelse, men å kombinere det med 1000 ppm vann forbedrer celleytelsen. Imidlertid kan dårlige coulombiske effektiviteter, dårlig syklusstabilitet og lekkasjestrømmer fortsatt observeres i batteriene. Dette fører til forslaget om at videre arbeid bør fokusere på å optimalisere FEC-innholdet sammen med 1000 ppm av H2O, ved å undersøke om et lavere FEC-innhold kan føre til en økning i den fordelaktige ytelsen til litium ion batteriene.

Lithium ion batteries are the current dominating battery technology, due to their superior energy density. The increasing demand for better and more efficient energy storage for portable electronics and electric vehicles not only requires increased performance, but also enhancements in safety and reduced flammability. Replacing the current market leader electrolyte, lithium hexafluorophosphate (LiPF6), with lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) based electrolytes, improves the thermal stability, moisture sensitivity and overall safety of the batteries. However, the solute substitution causes new problems concerning corrosion of the aluminium current collector on the cathodes. This thesis investigates two additives, fluoroethylene carbonate (FEC) and water (H2O), to see if these could alleviate this corrosion problem while still retaining the cell performance and cycling stability for LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2 (NMC) cathodes. Cyclic voltammetry on aluminium and galvanostatic cycling on NMC111 cathodes were conducted, with four different LiFSI electrolyte compositions. Followed by several characterisation methods such as scanning electron microscopy (SEM) imaging, energy dispersive x-ray (EDX) analysis, glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy to analyse the aluminium and cathode surfaces and their respective compositions. The analysis shows that both FEC and water repress the oxidative currents on the aluminium current collector, both separately and combined. From the cyclic voltammetry, it is observed that the addition of FEC represses the corrosion further than the water, especially at higher potentials. The surface morphology observed from SEM shows that FEC causes thicker surface layers than the water, but that the combined additives result in the most evenly distributed passivating layer. No large distinction in surface layer composition can be observed, only a higher content of the elements for the FEC containing electrolytes. The galvanostatic cycling of the NMC cathodes shows that FEC degrades the cell performance and cycling stability, this is not observed for the water containing electrolytes. For the combined electrolyte superior discharge capacities are observed, however poor coulombic efficiencies and poor cycle stability are still observed. The surfaces of the cathodes show no large differences in surface composition and appearance. From this analysis, it can be concluded that the addition of 10 wt% of FEC results in poor cell performance, but combining it with 1000 ppm of water increases the poor cell performance. However, poor coulombic efficiencies, poor cycling stability and leak currents can still be observed. This leads to the suggestion that further work should focus on optimising the FEC content together with the 1000 ppm of H2O, by investigating if a lower FEC content could cause an increase in the beneficial performance of the Li ion batteries.