Industrial research of LKMNO spinel cathodes

Celem niniejszej pracy magisterskiej jest zbadanie zależności pomiędzy grubością katody a parametrami wydajnościowymi akumulatora litowo-jonowego. Pierwszym krokiem są badania na poziomie tzw. celi, następnie w ogniwie złożonym z wytworzonego materiału katodowego i komercyjnej anody, a ostatecznie w akumulatorze litowo-jonowym zawierającym dobrane, o najlepszych parametrach grubości wytworzonych w laboratorium zarówno katod jak i anod. W części doświadczalnej jako materiał katodowy został użyty spinel litowo-manganowy podstawiony potasem i niklem (LKMNO). Inne badania sugerują, że zmodyfikowany w ten sposób materiał osiąga dużą pojemność właściwą, rzędu 250 mAh/g, wysoką wydajność oraz stabilność strukturalną, która może utrzymać się na tym samym poziomie przez setki cykli ładowanie/rozładowanie. Oprócz tego, obecność LKMNO w ogniwie umożliwia przeprowadzenie tych procesów bardzo szybko. Jego dodatkową zaletą jest to, iż jest mniej szkodliwy dla środowiska naturalnego w porównaniu do uprzednio wykorzystywanych materiałów katodowych. Do jego produkcji została użyta niskotemperaturowa synteza zol-żel. Umożliwia ona otrzymanie jednorodnych i o wysokiej czystości produktów o rozmiarach nanometrycznych. Materiałem anodowym w pierwszym przypadku była anoda komercyjna, zaś w optymalizowanym ogniwie, które zostało wytworzone w laboratorium - grafit z Na-CMC. Jako elektrolit zastosowano roztwór soli LiPF6 rozpuszczonej w mieszaninie węglanu etylenu i węglanu dietylu (EC/DEC) w stosunku objętościowym 50:50.Techniki, które zostały użyte do badania akumulatorów litowo-jonowych zawierających LKMNO w swoim składzie to: galwanostatyczne testy ładowania/rozładowania oraz elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS). Za pomocą testów możliwe było określenie wydajności oraz odwracalności ogniw. Zaś EIS posłużyła do badania mechanizmów ewolucji i degradacji impedancji.Wyniki wykazały, że najlepiej pracującą katodą okazała się elektroda najgrubsza, czyli 200 µm. Przeciwne rezultaty otrzymano dla anody, bowiem to jedna z najcieńszych, bo 80 µm spełniła postawione wymagania.

The aim of this thesis is to investigate the relationship between the cathode thickness and the performance parameters of a lithium-ion battery. The first step is research at the level of the so-called cell, then in a cell consisting of the produced cathode material with a commercial anode and finally in a lithium-ion battery containing selected, with the best parameters thickness, both produced cathodes and anodes in the laboratory.In the experimental part, potassium and nickel substituted lithium-manganese spinel (LKMNO) was used as the cathode material. Other studies suggest that the material modified in this way, achieves a high specific capacity, 250 mAh/g, high efficiency and structural stability that can be maintained at the same level for hundreds of charge/discharge cycles. In addition, the presence of LKMNO in the cell enables that these processes are carried out very quickly. Its additional advantage is that it is less harmful to the environment compared to previously used cathode materials. Low-temperature sol-gel synthesis was used to produce this material. It makes that it is possible to obtain homogeneous and high-purity products with nanometric dimensions. The anode material in the first part was a commercial anode, in the optimized cell, which was produced in the laboratory - graphite with Na-CMC. The electrolyte was a solution of LiPF6 salt dissolved in a 50:50 volumetric mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate (EC/DEC).The techniques that were used to test lithium-ion batteries containing LKMNO in their composition are: galvanostatic charge/discharge tests and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Using the tests, it was possible to determine the efficiency and reversibility of the cells. The EIS was used to study the mechanisms of evolution and degradation of impedance.The results showed that the thickest electrode, 200 µm, turned out to be the best working cathode. The opposite results were obtained for the anode, because one of the thinnest, 80 µm, met requirements.