Sustainable Cathode Production for Lithium-Ion Batteries

De siste årene har litiumionebatterier (LIB) inntatt en sentral rolle i energilagring for elektrifiseringen av transportsektoren. Det gjenstår fortsatt omfattende utvikling for at produksjonen skal bli bærekraftig. Det markedsledende katodematerialet består av det aktive materialet LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC111), det elektrisk ledende materialet Carbon Black (CB), og bindemiddelet polyvinyliden fluorid (PVDF). Denne oppgaven undersøker hvordan katodeproduksjon for LIB kan bli mer bærekraftig. Innledningsvis ble slurry-parametre endret for å finne optimal sammensetning for mekanisk og elektrokjemisk ytelse. Det resulterte i et prosentvis vektforhold på 85:10:5 for NMC111:CB:PVDF, med prosentvis vektforhold på 1:2 mellom faste stoffer og løsemiddel. Denne sammensetningen oppnådde en initiell utladningskapasitet på 156 mAh/g (C/10) og en kapasitetsretensjon på 93 % etter 19 sykler. Bindemiddelet PVDF er kun løselig i noen få, giftige løsemidler, eksempelvis N-metyl-2-pyrrolidon (NMP). NMP må ekstraheres etter tørking, og dette utgjør en av de mest energikrevende prosessene i hele katodeproduksjonen. I et forsøk på å eliminere dette produksjonssteget ble bindemiddelet PVDF erstattet med lignin, som er et fornybart, vannløselig plantemateriale. Generelt ledet økende mengde lignin til dårligere mekaniske egenskaper samt syklekapasitet. Rent lignin med NMP som løsemiddel ga sterk partikkelkohesjon, men lav adhesjon mellom strømsamleren og katodematerialet. Både adhesjonen til strømsamleren og den elektrokjemiske ytelsen økte når tørketemperaturen ble senket fra 90 ºC til 50 ºC. Prøven med rent, ufiltrert lignin tørket på 50 ºC oppnådde en initiell utladningskapasitet på hele 138 mAh/g, 141 mAh/g og 140 mAh/g under henholdsvis første, tredje og fjerde sykel med en C-rate på C/10. Når C-raten ble økt til C/2 oppnådde prøven en utladningskapasitet på 124 mAh/g ved sykel 14. Med unntak av prøven med rent lignin som binder økte valsing både den mekaniske og den elektrokjemiske ytelsen til katodene. Ettersom å bytte PVDF med lignin var en suksess ble løsemiddelet NMP forsøkt utbyttet med vann slik at ekstraksjonssteget kunne elimineres fra tørkeprosessen. Dette var hovedsakelig mislykket, og resulterte i tynne slurrier og ujevn tykkelse på katodebelegget. Problemene ble delvis løst ved å tilsette fosforsyre. Lavere pH i slurryen forbedret både slurry-egenskapene og adhesjonen til strømsamleren. Resultatene er lovende for framtidig forskning. Et undermål for oppgaven var å optimalisere tørkeprosedyren for katodebelegget. Temperaturen og lufthastigheten ble variert i en spesiallaget konveksjonsovn. Høyere temperaturer ga kortere tørketid, og differansene var større ved lavere temperaturer. Ved å øke temperaturen fra 50 ºC til 90 ºC ble tørketiden redusert med 77 %, mens en økning fra 90 ºC til 150 ºC reduserte tørketiden ytterligere 44 %. Høyere lufthastigheter var hardere for prøvene, og redusert tørkehastighet fra 1,0 m/s til 0,5 m/s hadde større effekt på oppsprekkingen enn temperaturen. Lavere tørkehastighet resulterte i færre sprekker. EDS analyser av en standard-prøve tørket ved 50 ºC viste jevn distribusjon av det aktive materialet, men noen agglomoreringer av CB. Bindemiddelet var jevnt distribuert gjennom katodebelegget. Ujevn beleggtykkelse og varierende geometri på belegget påvirket reproduserbarheten negativt, og dette var et gjennomgående problem i tørkeeksperimentene. Forslag til framtidig arbeid er presentert, og fokuserer på å forbedre prosedyrene brukt i denne oppgaven samt videre arbeid for å erstatte NMP med vann. Videre arbeid bør gjøres for å optimalisere katodematerialet slik at det blir lettere å jobbe med