Syntetisering av NMC111-katoder til Litium-ionbatterier

Å oppnå Li-ion batterier (LIBer) med høy energy tetthet, avhenger blandt annet av pulveregenskapene til det aktive katodemateriale. Det er under syntesen av dette pulveret de ekstrinsike og intrinsike egenskapene blir dannet. For å oppnå optimale pulveregenskaper krever slik produksjon ofte en streng kontroll av forholdene. To av disse er atmosfære og valg av forløpere. I samarbeid med Glencore Nikkelverk, ble nikkelklorid og kobaltklorid løsninger testet som forløpere i produksjon av NMC111 katoder. En utradisjonell syntesemetode i luft ble introdusert. Denne var basert på en utfellingsmethode og en hydrotermisk metode. Effekten av klorid (Cl) og luft under utfellingssteget ble undersøkt ved å sammenlikne resultatene med en tradisjonell utfellingsmetode, som tok i bruk vandige forløperløsninger og en inert atmosfære. Krystallstruktur og krystallstørrelse ble undersøkt ved hjelp av røntgendiffraksjon (XRD), og videre analysert ved hjelp av Rietveld raffinering. Morfologi og partikkelstørrelse ble undersøkt ved hjelp av sveipelektronmikroskopi (SEM). Overflatearealet ble beregnet ved hjelp av nitrogen adsorpsjon og Brunauer-Emmett-Teller (BET) teori. Katodenes elekrokjemiske egenskaper ble testet ved å lade og utlade halv- celler galvanostatisk. Motstanden i halv-cellene ble målt ved å bruke elektrokjemisk impedans spektroskopi (EIS). Syklingsstabiliteten ble sammenliknet med kommersielle NMC111 katoder, og metoder for optimalisering ble introdusert. Ulike pulveregenskaper resulterte i varierende elektrokjemiske aktiviteter. Partikkelstørrelse, morfologi og overflatearealet ble tydelig påvirket av Cl anioner i løsningen under utfellingen. Alle pulverne som ble syntetisert i inert atmosfære viste en fase-ren NMC111. Disse viste også høyest initial utladningskapasitet, og høyest gjennomsnittlig colombisk effektivitet over 80 sykler (99.3 %). Inert-syntetiserte pulver som brukte standard vandige løsninger, ga en høyere kation miksing og en mindre gjennomsnittlig partikkelstørrelse (7.8 % og 200 nm) relativt til pulver laget med Cl-forløpere (2.4 % og 400 nm). Den sistnevnte viste høyest initial utladningskapasitet (143 mAh/g ved 0.2C) og bedre bevaring av kapasiteten etter 80 sykler (76 %). Dette er grunnet pulverets relativt lave kation miksing, partikkel dimensjoner og morfologiske egenskaper. Egenskapene effektiviserer Li diffusjonen og danner stabile strukturer under den elektrokjemiske syklingen. Allikevel hadde alle celler lave elektrokjemiske egenskaper sammenliknet med tidligere rapporterte NMC111 katoder. Alle prøvene som ble syntetisert i luft var sensitive for Mn oksidasjon, og ingen av dem oppnådde en faseren NMC111. Sekundærfaser hadde en stor innvirkning på syklingen, da alle disse viste seg å oppnå lav initial kapasitet. Ett hydrotermisk steg ble inkludert i en av syntesene, noe som reduserte dannelsen av sekundærfaser. Dette begrenset tilgangen på oksygen og undertrykte oksidasjonen av Mn. Videre ble det konkludert at Li ikke reagerte fullstendig med det utfelte hydroksidet under høyt trykk, ved 120 ◦C. Ved bruk av en kort varmebehandling (5 timer) ved 850 ◦C ble små partikler dannet. Disse agglomererte og dannet mindre overflateareal og mindre kontakt med elektrolytten. Dette resulterte i store variasjoner i den coulombiske effektiviteten mellom syklene. De optimaliserte parameterne for syntese i luft kombinerte 1) Cl-forløpere, 2) ett hydrotermisk steg, 3) Li reaksjon i kalsineringssteget, og 4) en 15 timers varmebehandling. Dette resulterte i de beste egenskapene, i henhold til faserenhet og elektrokjemisk sykling. Med en utladningskapasitet på 80 mAg/h ved 0.2C, hvor 87 % var bevart etter 80 sykler, viste den allikevel svært lavte verdier i forhold ett kommersielt NMC111 katode materiale. Funnene og de videre anbefalingene vil forhåpentligvis bidra til økt bruk av Cl-forløpere, og muliggjøre mer miljøvennlige og mer effektive syntesemetoder av batterier med høy energi tetthet, lav kostnad og høy sikkerhet. Dette er avgjørende for ett velfungerende samfunn basert på fornybare energikilder