Zero strain cathode

Abstract

For å realisere fast fase-batterier som en levedyktig, markedsklar teknologi må problemer med tap av kontakt mellom batterikomponenter løses, da det medfører tap av kapasitet som til slutt ødelegger batteriet. En av komponentene som leder til tap av kontakt er katoden, som under batterisykling viser gjentatt utvidelse og kompresjon av strukturen.

For å løse dette problemet ønsker vi å konstruere en katode uten volumendring, ihvertfall ved grensen mellom elektrolytt og katode, og helst uten å kompromisere på den elektrokjemiske ytelsen til komponenten. I dette prosjektarbeidet har målet vært å konstruere en kompensasjonsordning ved utnyttelse av allerede eksisterende katodematerialer.

Strukturer ble komponert via sammenføyning i fast fase, og elektrokjemisk og kjemo-mekanisk karakterisering ble gjennomført i celler med flytende elektrolytt. Tverrsnitt av de konstruerte katodene viste at morfologien ikke var ideell. Galvanostatisk sykling viste tap av ytelse i form av lavere kapasitet sammenliknet med referansematerialet, og elektrokjemiske impedans-målinger viste at motstanden mot ladningsoverføring økte gjennom settet med prøver. Dekonstruering av celle viste at dette var grunnet degradasjon av strukturen. Røntgenstrålediffraksjon av katodene ved ulike ladetilstander indikerte at strukturen ikke begrenset endringer i gitterstrukturen, og elektrokjemisk dilatometri gjennomført under sykling viste at økende mengde av den ene komponenten minimerte den makroskopiske volumendringen. Den mest balanserte andelen av de to komponentene ble videre manipulert via varmebehandling.

Varmebehandling løste noen av problemene med morfologi som tidligere ble identifisert i prøvene, og førte til høyere orden av struktur i det andre materialet. Den varmebehandlede partikkelen hadde mye bedre elektrokjemisk ytelse, men litt lavere kolombisk effektivitet. Dette ble det teorisert at var grunnet restriksjon mot endring i gitterstrukturen, dog noen endringer i gitterstruktur ble observert for kjernen via røntgenstrålediffraksjon. Elektrokjemisk dilatometri viste at volumendringen i den varmebehandlede partikkelen var noe større enn for den som ikke var varmebehandlet, men fortsatt mindre enn for andre prøver i settet som ble undersøkt. Over den sykletiden som partikkelen ble utsatt for hold den seg veldig bra, og den så fortsatt stort sett ut som ny etter 200 sykler.

I konklusjon ble kompensasjon-ordningen gjennomført med god elektrokjemisk ytelse og redusert volumendring, men strukturen som fører til netto null volumendring har ikke blitt identifisert enda.

On the path to realizing solid state battery technology as a viable market option, the issue of loss of interfacial contact leading to capacity degradation remains in part due to chemo-mechanical changes on the electrodes during battery cycling. In an attempt to alleviate this issue without compromising on electrochemical performance, this work aims to construct a compensation-scheme which should result in no mechanical changes observable at interfaces, and thus no mechanical changes leading to loss of contact at the cathode-electrolyte interfaces. This is done by alteration of the morphology of currently existing cathode materials.

Structures were composed by solid state coating, and electrochemical and chemo-mechanical assessments were carried out in liquid electrolyte cells. In the constructed structures, cross-sections showed non-desireable morphologies inside the structure. Galvanostatic cycling showed degradation of performance in relation to reference materials by way of capacity loss. Further, electrochemical impedance measurements showed that along the set of samples, the charge-transfer resistance increased drastically after cycling. Through post-mortem investigations of the structures, this was determined due to the disintegration of part of the structure. In-situ XRD at regular intervals throughout a charge/discharge cycle indicated that lattice parameters of the structure were not restricted by incorporation into the structure, and electrochemical in-operando dilatometry showed that the absolute height variations between charged and discharged state decreased as the loading the second material used increased. The highest loading ratio of the two components were further altered by annealing.

The annealed structure resolved some of the morphology issues identified in the set of samples, and lead to an increased ordering of the second material. The annealed structure showed a massive improvement in electrochemical performance, though a slight decrease in coulumbic efficiency. This was theorised due to restriction of lattice parameter changes, though some lattice changes in the structure were still observed in in-situ XRD during cycling. Electrochemical dilatometry showed that the volume changes of the annealed structure were slightly bigger than those of the structure, but the volume change was still less than other investigated samples. Over the span of cycling investigated, the annealed structure held up well as per post-mortem assessments. Thus, the compensation-scheme achieved good electrochemical performance while reducing the volume changes, though the ratio and final morphology of structure resulting in no visible volume change at all has yet to be identified.