Cycle Life and Recycling of Positive Electrode Materials in Li-Ion Batteries

Julkaisun otsikon käännös: Li-ioniakkujen positiivielektrodimateriaalien elinikä ja kierrätys

Katja Lahtinen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Li-ioniakku on yleisin kannettavassa elektroniikassa, kuten matkapuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa, käytetty akkutyyppi. Lisäksi niitä käytetään energialähteenä sähköajoneuvoissa sekä uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinko- ja tuulivoiman, energiavarastoina. Liikenteen sähköistyessä viime aikoina Li-ioniakkujen kysyntä on kasvanut voimakkaasti, mikä on johtanut haasteisiin materiaalien kestävässä tuottamisessa. Tässä työssä tutkitaan kahta Li-ioniakkujen positiivielektrodimateriaalien kestävään tuottamiseen liittyvää tekijää: materiaalien elinikää ja kierrätettävyyttä. Työssä pyritään erityisesti ymmärtämään, miten seostusaineet tai epäpuhtaudet vaikuttavat positiivielektrodimateriaaleihin niiden eri elämänvaiheissa synteesistä kierrätykseen.      Ensimmäiseksi työssä tutkittiin Mg-seostuksen lisäämistä LiCoO2:iin eri synteesivaiheissa. Seostuksen lisäämisen litiointivaiheessa huomattiin edistävän Mg:n jakautumista partikkeleihin tasaisesti sekä parantavan morfologiaa, mikä vähensi materiaalien varauksensiirtovastuksen kasvua ja pidensi elinikää. Prekursorin seostaminen sen sijaan johti Mg:n kerääntymiseen partikkelien pinnoille ja heikensi kiteiden järjestäytyneisyyttä, mikä lyhensi materiaalin elinikää. Näytteiden ylilitioinnin huomattiin heikentävän kaikkien materiaalien suorituskykyä seostuksen lisäämisvaiheesta riippumatta, mutta se ei vaikuttanut litiointivaiheessa seostettujen LiCoO2:n elinikään. Yhden seostusaineen lisäksi työssä tutkittiin myös LiCoO2:n kaksoisseostusta ja sitä verrattiin ylilitiointiin. Mg-Ti-seostuksen huomattiin parantavan LiCoO2:n sähkökemiallista suorituskykyä niin että sähkönjohtavuus lisääntyi ja varauksensiirtovastuksen kasvu pieneni. Ylilitiointi lyhensi elinikää, kun materiaalia ikäännytettiin 3.0–4.2 V jänniteikkunassa.      Li-ioniakkujen raaka-aineiden kysyntä ja akkujätteen määrä kasvaa jyrkästi. Nykyisissä akkukierrätysmenetelmissä kaikki akun osat kierrätetään samassa prosessissa, mikä johtaa elektrodimateriaalien ja epäpuhtausmetallien sekoittumiseen. Metalliepäpuhtauksien kierrätykseen vaikuttavien seikkojen ymmärtämiseksi Li-ioniakkujäte kierrätettiin tässä työssä käyttäen hydrometallurgista kierrätysmenetelmää, ja talteen kerätyt materiaalit käytettiin LiCoO2:n syntetisoimiseen, jonka sähkökemiallista toimintaa tutkittiin. Prosessin pääepäpuhtauden huomattiin olevan Cu, joka laski syntetisoitujen materiaalien alkukapasiteettia. Uudelleensyntetisoidut LiCoO2:t kuitenkin myös laskivat impedanssin kasvua, mikä johti suorituskyvyn ja eliniän paranemiseen.      Vaihtoehtoisia menetelmiä nykyisille kierrätysmenetelmille käsiteltiin myös. Työssä tutkittiin uutta tapaa elvyttää käytettyjä positiivielektrodeja Li-ioniakusta uudelleenlitioimalla ne sähkökemiallisesti ilman aktiivisen materiaalin irrottamista virrankerääjästä. Seostuksen vaikutusta uudelleenkäytettävyyteen tutkittiin myös, ja Mg-Ti-seostuksen huomattiin parantavan sitä. Elvytettyjen materiaalien elinikä oli hieman huonompi kuin tuoreiden materiaalien, minkä pääteltiin johtuvan rakenteen järjestäytyneisyyden heikkenemisestä ja impedanssin kasvusta.
Julkaisun otsikon käännösLi-ioniakkujen positiivielektrodimateriaalien elinikä ja kierrätys
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Kallio, Tanja, Vastuuprofessori
  • Kallio, Tanja, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0718-0
Sähköinen ISBN978-952-64-0719-7
TilaJulkaistu - 2022
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • Li-ioniakku
  • positiivielektrodimateriaali
  • elinikä
  • kierrätys
  • seostus

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Li-ioniakkujen positiivielektrodimateriaalien elinikä ja kierrätys'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä