Preparation and characterization of high-density LMOS electrodes

Istotnymi kryteriami przy tworzeniu nowej technologii energetycznej są wpływ na środowisko, wydajność i cena. Akumulatory litowo-jonowe zrewolucjonizowały rynek elektroniki na całym świecie, a ich szybki rozwój i dominację rynku zawdzięczają wysokiej gęstość energii (250 Wh/kg) oraz napięciu – 3,6V. Praca ogniwa i jego parametry zależą od elementów składowych. Obecnie wykorzystuje się wiele różnych aktywnych materiałów katodowych, a każdy z nich ma swoje wady, są to m.in: wysoka cena, toksyczność, niestabilność strukturalna czy niskie przewodnictwo jonowe. Obiecującym materiałem katodowym jest spinel na bazie tlenku litowo-manganowego (LMO). Wyróżnia go przede wszystkim stosunkowo łatwa dostępność surowców, nietoksyczność oraz niskie koszty produkcji. Celem badań było przeskalowanie elektrody wykonanej ze spinelu litowo-manganowego, modyfikowanego siarką (LiMn2O3,99O0,01). Próbowano otrzymać elektrodę o znacznie większej pojemności od elektrody standardowej, taką w której na jednostkę powierzchni czy objętości przypada więcej katodowego materiału aktywnego, przy jednoczesnym zachowaniu optymalnych parametrów pracy elektrody w całej jej objętości. W trakcie badań sporządzono serię ogniw, zawierających katody o różnej grubości i składzie, a następnie przeprowadzano galwanostatyczne testy pod różnym obciążeniu prądowym. Otrzymane wyniki jednoznacznie pokazują, że grubość elektrody oraz jej skład ma ogromne znaczenie dla pracy całego ogniwa szczególnie przy szybkich procesach ładowania i rozładowania. Porównanie wszystkich danych pozwoliło na znalezienie optymalnej grubości oraz składu elektrody LMOS.

Environmental impact, efficiency and price are important criteria for the development of new energy technology. Lithium-ion batteries have revolutionized the electronics market around the world, with high energy density (250 Wh/kg) and 3.6V voltage due to their rapid growth and market dominance. The work of the cell and its parameters depend on the components. Today, many different active cathode materials are used, and each of them has its drawbacks, these are for example: high price, toxicity, structural instability or low ionic conductivity. A promising cathode material is a lithium manganese oxide (LMO) spinel. It is distinguished primarily by the relatively easy availability of raw materials, non-toxicity and low production costs. The aim of the study was to scale an electrode made of a sulphur-modified lithium manganese spinel (LiMn2O3.99O0.01). They tried to obtain an electrode with a much larger capacity than the standard electrode, in which more cathode active material per unit area or volume, while maintaining optimal electrode performance throughout its volume. During the tests, a series of cells were made up containing cathode of different thickness and composition, then galvanostatic tests were carried out under different current loads. The results obtained clearly show that the thickness of the electrode and its composition is of great importance for the operation of the entire cell, especially in fast charging and discharging processes. Comparing all the data made it possible to find the optimal thickness and composition of the LMOS electrode.