Moisture Tolerant Lithium-ion Capacitors

Abstract

Litium-ionkondensatorer (LiCs) er svært energikrevende å produsere, spesielt på grunn av tørkingen av komponentene og tørkeromsfasilitetene som kreves for å gjøre det. Å redusere tørkingen kan spare betydelige mengder energi. Men med det elektrolyttsaltet som er vanlig å bruke i dag, LiPF6, er spormengder av vann svært ødeleggende. LiPF6 gjennomgår en hydrolysereaksjon som produserer HF som er svært giftig og kan bryte ned materialene i LiC. For å gjøre LiC mer vanntolerant, kan LiPF6 erstattes av LiFSI. Dette saltet produserer ikke HF i hydrolysereaksjonen og forventes dermed å øke vanntoleransen.

Målet med denne masteroppgaven var å undersøke hvilken effekt vannforurensning har på LiC-katodene som er laget av aktivert karbon. Tre elektrolytter med ulike nivåer av vannforurensning ble testet mot elektroder laget av aktivert karbon. Den elektrokjemiske stabiliteten til elektrodene ble evaluert gjennom galvanostatisk sykling kombinert med tester der man holder spenningen konstant over en lengre tid ved de øvre og nedre cut-off-spenningene til katoden. Lekkstrømanalyse, elektrokjemisk impedansspektroskopi, Raman-spektroskopi og post-mortem SEM er også utført.

Resultatene viser at tilsetning av vann ikke reduserer korrosjonspotensialet noe vesentlig. Imidlertid ble det observert at vann øker mengden parasittiske reaksjoner. Nedbrytningsprodukter bir deponert på overflaten til AC-elektrodene, og fungerer sannsynligvis som en passiverende film. Denne filmen inneholder sannsynligvis LiOH dannet fra hydrolysereaksjonen til LiFSI, og for den negativt polariserte AC-elektroden ytterligere LiOH fra reaksjonen mellom OH- og Li+ og muligens noe LEDC fra LiOH-katalysert reduksjon av EC. Ved den øvre cut-off-spenningen forbedrer denne filmen kapasitetsbevaringen. Ved den nedre cut-off-spenningen ble det imidlertid observert at det er en terskel for hvor mye vann som må tilsettes før fordelene med den passiverende filmen overvinner ulempene med økt mengde parasittiske reaksjoner. Ved en vannmengde på 2300 ppm er kapasitetsbevaringen like god eller bedre enn uten vann ved begge cut-off-spenningene, noe som viser at å erstatte LiPF6 med LiFSI kan spare energi fra tørkeprosessen og dermed redusere produksjonskostnadene.

Lithium-ion capacitors (LiCs) are very energy demanding to produce, especially due to the drying of the components and the dry room facilities required to do so. Reducing the amount of drying can save a significant amount of energy. However, with the currently used electrolyte salt, LiPF6, trace amounts of water is detrimental. LiPF6 is prone to undergo a hydrolysis reaction that produces HF which is highly toxic and can degrade the materials in the LiC. To make the LiC more moisture tolerant, LiPF6 can be replaced by LiFSI. This salt does not produce HF in the hydrolysis reaction and is thus expected to increase the water tolerance.

The aim of this thesis was to examine the effect of water contamination on the activated carbon cathodes of LiCs. Three electrolytes with different levels of water contamination were tested against electrodes made from activated carbon. The electrochemical stability of the electrodes were evaluated through galvanostatic cycling combined with voltage hold tests at the upper and lower cut-off voltages of the cathode. Leakage current analysis, electrochemical impedance spectroscopy, Raman spectroscopy and post-mortem SEM have also been performed.

The results show that addition of water do not significantly lower the corrosion onset potential. However, water was observed to increase the amounts of parasitic reactions happening. Degrada- tion products are deposited on the AC electrode surface, likely acting as a passivating film. This film is likely containing LiOH formed from the hydrolysis reaction of LiFSI, and for the negatively polarised AC electrode additional LiOH from the reaction of OH– and Li+ and possibly some LEDC from LiOH catalysed reduction of EC. At the upper cut-off voltage, this film is seen to improve the capacity retention. On the lower cut-off voltage, however, it was observed that there is a threshold of how much water that needs to be added before the advantages of passivating film overcome the disadvantages of the increased amounts of parasitic reactions happening. At a water level of 2300 ppm, the capacity retention was just as good or better than with no water for both cut-off voltages, demonstrating that the replacement of LiPF6 with LiFSI has the possibility of saving energy from the drying process and thus lowering production costs.