Optimizing the carbon additive in LiNi0.5Mn1.5O4 batteries

Abstract

I denne oppgaven ble et alternativ til carbon black som karbonadditiv studert, i tillegg til å evaluere mengden karbonledende innhold i et LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) batterisystem. Tre forskjellige karbontilsetninger, Carbon black (CB), Acetylene black (AB) og Ketjen black (KB) ble brukt til å lage karbonelektroder og ble brukt som karbontilsetninger i LNMO elektroder. Halvcelleposeceller ble brukt til å evaluere disse elektrodene. Karbontilsetninger og glødede karbontilsetninger elektroder ble testet med 1M LiPF6 i EC/EMC=50/50 (v/v) med syklisk voltammetri. Deretter ble LNMO og karbontilsetninger elektroder laget og testet med den samme elektrolytten under galvanostatisk sykling. I tillegg til dette ble også reduserte normaliserte mengder AB (LNMO AB NORM) og KB (LNMO KB NORM 0.5 og LNMO KB NORM 1.0), normalisert ved å bruke carbon black overflatearealet som referansefaktor, testet med LNMO katoder. . De glødede elektrodene fungerte ikke videre på grunn av en begrenset effekt basert på resultatene. På den annen side viste LNMO AB den beste generelle ytelsen med en maksimum spesifikk utladningskapasitet på 139.8 ±1.6 mAh/g og en colombisk effektivitet på over 99% etter 208 sykluser ved C/2 rate, noe som resulterte i en kapasitetsbevaring på 85.5%, ovenfor med 136.0 ±4.3 og 135.6 ±6.9 mAh/g og en kapasitetsbevaring på henholdsvis 83.2% og 61.9% for LNMO CB og KB. Det ble også gjennomført høyere sykkelrater der LNMO AB presterte bedre enn de to andre elektrodene. Som en del av analysen viste differensial kapasitet at LNMO KB opplevde en høyere polarisering sammenlignet med LNMO CB og AB. For de normaliserte LNMO elektrodene viste LNMO AB NORM de beste resultatene med en maksimum utladningskapasitet på 133.2 ±4.2 mAh/g og en kapasitetsbevaring på 87.2% sammenlignet med 137.8 ±1.6 og 141.8 ±9.9 mAh/g og en kapasitetsbevaring på 34.1% og 59.1% for henholdsvis LNMO KB NORM 0.5 og LNMO KB NORM 1.0. Ved høyere sykkelrater viste LNMO AB NORM bedre ytelse enn de to normaliserte KB elektrodene. Kapasitetsfallet for LNMO elektrodene med normalisert ketjen black var tydelig, men viste en tendens til at en økning på 0.5 vekt% innhold av KB nesten doblet kapasitetsbevaring. Post mortem Raman spektroskopi viste den samme tendensen for alle prøvene, med en reduksjon i den tredje Ni-O toppen etter sykling. Scanning Electron Microscope (SEM) og energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) viste at alle LNMO elektrodene etter sykling hadde ødelagte LNMO partikler, men det ble ikke identifisert noe ukjent lag eller andre komponenter sammenlignet med de uberørte elektrodene.

In the present thesis, an alternative to carbon black as carbon additive was studied, in addition to evaluating the amount of carbon conductive content in a LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) battery system. Three different carbon additives, Carbon black (CB), Acetylene black (AB) and Ketjen black (KB) were used to make carbon electrodes and were used as carbon additives in LNMO electrodes. Half cell pouch cells were used to evaluate these electrodes. Carbon additives and annealed carbon additives electrodes were tested with 1M LiPF6 in EC/EMC=50/50 (v/v) with cyclic voltammetry. Next, LNMO and carbon additives electrodes were made and tested with the same electrolyte under galvanostatic cycling. In addition to this, reduced normalized amounts of AB (LNMO AB NORM) and KB (LNMO KB NORM 0.5 and LNMO KB NORM 1.0), normalized by using the carbon black surface area as the reference factor, were also tested with LNMO cathodes. The annealed electrodes did not work further due to a limited effect based on the results. On the other hand, LNMO AB presented the best overall performance with a maximum specific discharge capacity of 139.8 ±1.6 mAh/g and a coulombic efficiency over 99% after 208 cycles at C/2 rate, which resulted in a capacity retention of 85.5%, above the 136.0 ±4.3 and 135.6 ±6.9 mAh/g and the capacity retention of 83.2% and 61.9% for LNMO CB and KB, respectively. Rate tests were also performed were LNMO AB performed better than the other two electrodes. As part of the analysis, differential capacity showed that LNMO KB experienced a higher polarization compared to LNMO CB and AB. For the LNMO normalized electrodes, LNMO AB NORM presented the best overall results with a maximum discharge capacity of 133.2 ±4.2 mAh/g and a capacity retention of 87.2% compared to the 137.8 ±1.6 and 141.8 ±9.9 mAh/g and capacity retentions of 34.1% and 59.1% for the LNMO KB NORM 0.5 and LNMO KB NORM 1.0, respectively. On the rate tests, LNMO AB NORM presented a better performance than the two normalized KB electrodes. The capacity fade for the LNMO electrodes with normalized ketjen black was clear, but showed a tendency that an increase of 0.5 wt% content of the KB almost doubled the capacity retention. Post mortem Raman spectroscopy showed the same tendency for all the samples, with a decrease in the third Ni-O peak after cycled. Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) showed that all the LNMO electrodes after cycled had broken LNMO particles, but no unknown layer or different components compared to the pristine electrodes was identified.