Modification of Cathode Materials for Lithium-Ion Accumulators

Tato dizertační práce je věnována studiu vlastností katodových materiálů pro lithno-iontové akumulátory. V teoretické části práce je uveden přehled katodových materiálů a stručný úvod do rozsáhlé problematiky lithono-iontových akumulátorů. V rámci práce byl stanoven jako cíl studium vlastností katodového materiálu LiCoO2 a jejich úprava pomocí dopování dalšími prvky. Tato práce byla následně rozšířena o studium nové generace vysokonapěťových katodových materiálu. U těchto materiálů byla studována syntéza jejich fyzikální a elektrochemické vlastnosti a vliv použitých elektrolytů na jejich elektrochemickou stabilitu. Dále se práce zaměřuje na vliv dopování těchto materiálů a vliv další části baterie tedy použitého separátoru na celkové elektrochemické vlastnosti těchto typů katodových materiálů. Výsledky dosažené během práce ukázali, že dopování katodového materiálu LiCoO2 draslíkem a sodíkem vede k úpravě některých elektrochemických vlastností jako je stabilita při cyklování případně stabilita při vyšší zátěži a také k zlepšení stability katodového materiálu během jeho stárnutí. U vysokonapěťových materiálů se podařilo syntetizovat katodový materiál LiNi0,5Mn1,5O4 ve srovnatelné i lepší kvalitně v porovnání se zahraničními pracovišti v obou jeho možných formách. Proces syntézy byl také sledován in-situ pomocí SEM mikroskopu, díky čemuž byla provedena jedinečná studie změn, které během syntézy tohoto materiálu probíhají. Byly také stanoveny nejvhodnější elektrolyty z pohledu stability při vysokém napětí, pro tento materiál, což je důležité pro jeho budoucí praktické použití. Dopováním tohoto materiálu pomocí chromu se povedlo zvýšit stabilitu a kapacitu jak při cyklování za normálních podmínek tak při cyklování při vyšší teplotě i při vyšší proudové zátěži. Byl také prokázán značný vliv použitých separátorů na celkové elektrochemické vlastnosti vysokonapěťových katodových materiálů, což by mohlo být velkým přínosem pro jejich praktické nasazení v budoucnu.This doctoral thesis deals with properties of cathode materials for Lithium-Ion accumulators. The theoretical part consists of an overview of the cathode materials and a brief introduction into the very wide area of Lithium-Ion accumulators. The goal of this work was to study the LiCoO2 cathode material and to prepare some modifications of it by doping with other elements. This work was then extended with the study of the new generation of high-voltage cathode materials. The aim of this part was to study their synthesis, their physical and electrochemical properties and the influence of used electrolytes on their electrochemical stability. The work then focuses on the influence of doping these materials and the influence of another part of the battery – the separator – on the overall properties of these types of cathode materials. The results show that doping the LiCoO2 cathode material with sodium and potassium lead to an enhancement of some electrochemical properties as stability during cycling or stability at higher loads and also the long-term stability during aging is better. The LiNi0,5Mn1,5O4 high voltage material was synthetized in both its forms in comparable or even better quality compared with the results from foreign laboratories. The synthesis process was watched in-situ by SEM, thanks to which a unique study of the ongoing changes during synthesis was done. Also the best suitable electrolytes for this material were identified from the viewpoint of stability at high voltages, which is important for the future practical use. Doping of the material with chromium resulted in better stability and capacity both during cycling at standard conditions and at higher temperature and load. A significant impact of the separators on the overall electrochemical properties of the cathode materials was proved, which could be a big benefit for their future usage.