Abstrakti
Litiumioniakut ovat yksi tärkeä osa ilmasto- ja energiakriisin ratkaisemisessa, mikä kiihdyttää niiden käyttöönottoa. Käytön yleistyessä huoli kasvaa raaka-aineiden kestävän kehityksen mukaisesta käytöstä, saatavuudesta ja kierrätettävyydestä. Akut olisi syytä myös suunnitella kestämään mahdollisimman pitkään. Litiumioniakun elinkaaren purku- ja lataussyklien määrää voidaankin kasvattaa suojaamalla aktiiviset materiaalit pinnoitteella.
Tässä väitöskirjassa tutkittiin (i) uusia, vaihtoehtoisia ja kestävän kehityksen mukaisia orgaanisia akkumateriaaleja ja (ii) kehitettiin litiumorgaanisia pinnoitteita akkujen aktiivisten materiaalien päällystykseen. Työssä hyödynnettiin atomi/molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD) menetelmää, joka tarjoaa ainutlaatuisen lähestymistavan molempiin sovelluskohteisiin. Työ keskittyi uusien litiumorgaanisten ALD/MLD ohutkalvojen kasvatus prosessien kehittämiseen, mistä julkaistua tietoa on olemassa vielä vain vähän. Päämäärä oli osoittaa ALD/MLD tekniikan soveltuvuus ja sen potentiaali litiumioniakkujen kehittämisessä.
Työssä kehitettiin viisi uutta ALD/MLD prosessia orgaanisille anodimateriaaleille ja empiirinen tapa optimaalisen lähdelämpötilan arvioimiseksi ALD/MLD prosesseille termogravimetrian avulla. Ohutkalvojen sähkökemiallinen karakterisointi osoitti, että niiden ominainen käyttäytyminen vastasi aiempia tuloksia tavanomaisista elektrodeista. Ohutkalvoelektrodit eivät kuitenkaan sisällä lainkaan lisäaineita, joita normaalisti käytetään elektrodien valmistamisessa. Tämä tekee ohutkalvoelektrodeista erinomaisia mallielektrodeja, jonka avulla voidaan tutkia materiaalien luontaisia ominaisuuksia. Ohutkalvoelektrodien käytön jälkeisissä (post-mortem) diffraktio tutkimuksissa havaittiin, että näyte muuttuu amorfiseksi ja todettiin tämän muutoksen yhteys purku-latauskäyrän käyttäytymiseen. Tämä voi johtua aromaattisen hiilirungon litioitumisesta ja sen sivureaktiosta nestemäisen elektrolyytin kanssa.
Työssä tehtiin uraauurtavaa kehitystä litiumorgaanisten ALD/MLD pinnoitteiden parissa. Yksi prosesseista käytti ensimmäisenä hiilidioksidia lähtöaineena litiumkarbonaattiesterien valmistuksessa ohutkalvoina. Litiumkarbonaattiesterit ovat mielenkiintoinen funktionaalinen ryhmä, koska niitä muodostuu elektrodin ja elektrolyytin kiinteässä rajapinnassa (Solid Electrolyte Interphase, SEI). Tämän kehityksen ansiosta voidaan nyt valmistaa täysin keinotekoinen SEI. Toinen ALD/MLD prosessi kehitettiin dilitium-1,4-bentseenidisulfonaatille, jonka diffraktogrammi ja (sähkö)kemialliset ominaisuudet arvioitiin. Litiumorgaanisten materiaalien suorituskykyä on pystyttävä parantamaan ja niiden toiminta tulee testata oikean elektrodimateriaalin päällä. Pohjatyö on kuitenkin nyt aloitettu.
Julkaisun otsikon käännös | Litiumorgaanisten akkumateriaalien kehitys atomi/molekyylikerroskasvatuksella |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-64-0331-1 |
Sähköinen ISBN | 978-952-64-0332-8 |
Tila | Julkaistu - 2021 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli) |
Tutkimusalat
- atomi/molekyylikerroskasvatus
- litiumioniakku
- orgaaninen elektrodi
- litiumorgaaninen pinnoite
Sormenjälki
Sukella tutkimusaiheisiin 'Litiumorgaanisten akkumateriaalien kehitys atomi/molekyylikerroskasvatuksella'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.Laitteet
-
-
-
Raaka-aineiden tutkimusinfrastruktuuri
Maarit Karppinen (Manager)
Kemian tekniikan korkeakouluLaitteistot/tilat: Facility