Investigations of Copper Contamination in Lithium-Ion Batteries Using Non-intrusive Analytical Methods

Abstract

Denne bacheloroppgaven tar for seg oppdagelse av kontaminasjon i litiumionbatterier under de første syklusene. Hovedmålet med oppgaven er å finne ut om analysemetoder som differensiell spenningsanalyse (DVA) eller inkrementell kapasitetsanalyse (ICA) kan indikere kontaminasjon. For dette ble både kontaminerte og ikke-kontaminerte NMC111-celler med litiumanoder laget og testet. Spenningskurven til cellene ble deretter analysert ved hjelp av DVA og ICA. På grunn av problemer med elektrolytten under produksjonen av cellene, er antallet resultater begrenset.

De ikke-kontaminerte NMC111-cellene fungerte som forventet. Litiumanoden resulterte i stabile celler som kunne brukes som referanse for de kontaminerte cellene. Den første runden med kontaminerte celler fungerte ikke som forventet og hadde en ujevn spenningskurve. Cellene var kontaminert med 0,4 mg kobber mellom separatoren og katoden. Hypotesen var at cellene ville reagere bort kobberet før de fortsatte oppladingen, noe som bør resultere i en liten stagnasjon. Vanskeligheter med målingen av små mengder kobber begrenset mengden forskning som kunne utføres.

De kontaminerte cellene viste en lik stagnasjon i spenning ved cirka 3,6 V. Etter stagnasjonen hadde alle cellene et spenningsfall før de ble ujevne. Den andre runden med kontaminerte celler ble laget med mindre kontaminasjon. Disse cellene fulgte samme oppførsel og eksemplifiserte samme stagnasjon som den første kontaminerte runden. Denne oppførselen antas å stamme fra dannelsen av metalldendritter på anodesiden. Disse dendrittene bryter seg gjennom separatoren, noe som forårsaker en intern kortslutning. Kortslutningen fører til høye strømmer som smelter dendrittene. Denne syklusen forårsaker kontinuerlig svingning i spenningen, noe som gjør cellene ubrukelige.

For å analysere spenningsdataene ble det laget et nytt analyseverktøy. Verktøyet er en figur som kombinerer spenningskapasitetsforhold, DVA, en ICA og det reversible potensialet for mulige metallredoksreaksjoner. Denne kombinasjonsfiguren tillater enkel undersøkelse mellom forskjellige typer analyser, noe som gjør det lettere å se sammenhenger. Figuren ble ikke brukt mye, på grunn av manglende fungerende kontaminerte celler.

Videre studier bør utforske potensialet til kombinasjonsfiguren. En større utvalgsstørrelse må lages, og forskjellige elektrodesammensetninger bør testes. I tillegg bør forskjellige C-rater og testprosedyrer testes. Til slutt må en ny måte å introdusere en nøyaktig mengde kobber i cellen utvikles.

This bachelor's thesis addresses the detection of contamination in lithium-ion batteries during the first cycles. The main goal of this thesis is to discover if analysis methods like differential voltage analysis (DVA) or incremental capacity analysis (ICA) might indicate contamination. For this, both contaminated and non-contaminated NMC111 cells with lithium anodes were created and cycled. The voltage curve of the cells during the cycling was then analysed using DVA and ICA. Due to issues with the electrolyte during the production of cells, the number of results is limited.

The non-contaminated NMC111 cells worked as expected. The lithium anode resulted in stable cells that could be used as a reference for the contaminated cells. The first batch of contaminated cells did not cycle properly and had an erratic voltage curve. The cells were contaminated with 0.4 mg of copper between the separator and the cathode. The hypothesis was that the cells would react away the copper before continuing the charging, resulting in a small stagnation. An issue with the measuring of small amounts of copper limited the amount of research that could be done.

The contaminated cells showed a similar stagnation in voltage at about 3.6 V. After the stagnation, all the cells experienced a voltage drop before turning erratic. A second batch of contaminated cells was created using less contamination. These cells followed the same behaviours, and exemplified the same stagnation as the first contaminated batch. This behaviour is theorised to stem from the creation of metal dendrites on the anode side. These dendrites puncture the separator, causing an internal short circuit. The short circuit causes high-currents, melting the dendrites. This cycle causes continuous fluctuation in the voltage, making the cells unusable.

To analyse the voltage data, a new analysis tool was created. The tool is a plot combining the voltage capacity relation, DVA, an ICA and the reversible potential of possible metal redox reactions. This combination figure allows for easy cross-examination between different kinds of analysis, which makes it easier to discern connections. The plot was not utilized much, due to the lack of working contaminated cells.

Further studies should explore the potential of the combination figure. A larger sample size needs to be made, and different electrode chemistries should be tested. In addition, different C-rates and cycling procedures should be tested. Finally, a new way to introduce an accurate amount of copper must be devised.