Pursuing Sustainable Cathodes with High Rate Capability

Litium-ionebatterier (LiBer) er forventet å bli en av fremtidens viktigste energilagringskilder, da de gir mulighet for å lagre og bruke energi uten å produsere drivhusgasser. CO2-fotavtrykket til LiBer er derimot i stor grad bestemt av fremstillingsprosessen, som krever store mengder energi. En betydelig andel av denne energien brukes for å tørke elektrodene, der det giftige organiske løsemiddelet N-Metyl-2-pyrrolidon (NMP) må samles opp etter bruk for å unngå utslipp til miljøet. NMP må brukes for å løse det kommersielt brukte bindemiddelet polyvinyldifluorid (PVDF). Denne oppgaven har fokusert på å bytte ut NMP og PVDF med vann og lignin, henholdsvis, med formål om å redusere energiforbruket i LiB produksjon. En annen viktig oppgave har vært å forbedre ytelsen til katodene i LiBer under bruk, hvor fremgangsmåten her har vært å strukturere katodene mekanisk. Katoder med litium-nikkel-mangan-cobolt-oksid (NMC111) som aktivt materiale ble produsert ved hjelp av en vannbasert produksjonsrute med lignin som bindemiddel. For å forbedre fukte-egenskapene og utladningskapasiteten til katodene ble to ulike struktureringsmetoder brukt, og fem ulike strukturer. Tre av disse var linjestrukturer, keramisk blad-perforering (Perf), små linjer (SL) og store linjer (LL), mens to var hullstrukturer, små pillarer (SP) og store pillarer (LP). Strukturene ble undersøkt og dimensjonene målt ved hjep av skanning elektronmikroskop (SEM). Effekten av strukturene på diffusjonslengdene i katodene ble undersøkt med potensialsteg krono-amperometri (PSCA) og en modell for diffusjon mellom plane overflater. De ustrukturerte og strukturerte katodene ble testet og sammenliknet elektrokjemisk ved galvanostatisk inn- og utladning, i knappeceller med Li-metal som anoder. I tillegg ble motstanden målt ved å bruke elektrokjemisk impedans spektroskopi (EIS). Kjemisk dekomponering som et resultat av inn- og utladning ble undersøkt med energidispersiv røntgendetektor (EDS). Til slutt ble katodene sammenliknet med katoder med PVDF som bindemiddel. De ustrukturerte lignin katodene presterte tilstrekkelig, med en nær sammenheng mellom kapasitet og tykkelse. Katodene med lav tykkelse (31 μm) ble målt til å ha en kapasitet rundt 60 mAh/g ved 5 C, som raskt ble redusert for katodene med høyere tykkelse. Den ohmske og SEI-lag motstanden ble målt til å øke betydelig med tykkelse, som indikerer en dekomponering av elektrolytten under testing. Katodene var ellers kjemisk stabile, med en begrenset formasjon av CEI-lag og ingen lekking av overgangsmetaller fra det aktive materialet under galvanostatisk inn- og utladning. Strukturering av katodene forbedret egenskapene, både høyhastighetsutladningen og fuktingen. Perf, SL, LL og SP hadde alle høyere kapasitet opp til 5 C enn de ustrukturerte katodene for tykkelser rundt 100 μm. LP viste seg å hemme egenskapene til katoden, sannsynligvis som følge av at for store mengder av det aktive materialet har blitt sammenpresset, som har ført til redusert porøsitet og lavere ionisk ledningsevne. Perf, SL, LL og SP strukturene ga lavere ohmsk og SEI-lag motstand, sammenliknet med de ustrukturerte katodene med lik tykkelse, som tyder på økt fukting og lite dekomponering av elektrolytten. Strukturene endres i liten grad under testing. Linjestrukturen Perf ga den beste kapasiteten for samtlige strømmer for katodene med ≈ 100 μm tykkelse, hvor en kapasitet på 60 mAh/g ble målt ved 2 C og 20 mAh/g ble målt ved 5 C, som var dobbelt så høyt som den ustrukturerte katoden. Denne katodestrukturen ble sammenliknet med linjestrukturerte PVDF katoder med dobbelt så stor avstand mellom linjene, for tykkelser mellom 50 og 150 μm. PVDF katodene presterte like bra eller bedre enn samtlige av katodene med lignin, hvor de likeste kapasitene ble målt for katodene på ≈ 150 μm (≈20 mAh/g ved 2.5 C). Resultatene indikerer dermed at PVDF katodene har bedre egenskaper for de laveste tykkelsene, hvor ionetransport ikke er en begrensende faktor, men ved å strukturere, kan ytelsen deres bli lik for de tykke katodene. Bruk av lignin i katoder med NMC111 virker dermed lovende, men krever videreutvikling av struktureringsteknikker for å oppnå samme ytelse som PVDF. Diffusjonsmodellen klarte å modellere strømresponsen fra PSCA, hvor den beregnet teoretiske tidskonstanter som var like de eksperimentelle verdiene, uavhengig av katodetykkelse. De beregnede effektive diffusjonskoeffisientene til de ustrukturerte og strukturerte katodene ble funnet til å være svært like, fra 1.34 til 3.73∙10-9 m2/s, som indikerer at det er diffusjon i elektrolytten som undersøkes. Ved å finne diffusjonslengden fra den effektive diffusjonskoeffisienten og den eksperimentelle tidskonstanten, ble det fastslått at diffusjon fant sted i diffusjonslaget på NMC partiklene, da verdiene var mellom 10.1 og 33.9 μm. Dermed måler PSCA diffusjon gjennom diffusjonslaget på partikkeloverflatene, og teknikken kan ikke brukes til å undersøke endringer i diffusjon som følge av strukturering av katodeoverflaten