Negative Electrode Materials for Lithium Ion Batteries

Julkaisun otsikon käännös: Litium-ioniakkujen negatiivielektrodimateriaalit

Elina Pohjalainen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Litium-ioniakut ovat nykyään yleisin akkutyyppi kannettavissa laitteissa, ja niiden käyttö yleistyy myös suuremman mittakaavan sovelluksissa. Lukuisia erilaisia elektrodimateriaaleja on tutkittu litium-ioniakuille, joista monet ovat myös jo kaupallisessa käytössä. Elektrodi-materiaalit ja kennon muut ominaisuudet vaikuttavat suuresti akun ominaisuuksiin, hintaan ja turvallisuuteen. Tämän väitöskirjatyön painopiste on negatiivielektrodimateriaaleissa ja elektrodien valmistusmenetelmissä, jotka ovat ympäristöystävällisiä ja turvallisia suuren mittakaavan sovelluksiin. Työn ensimmäinen osa käsittelee litiumtitanaattia, Li4Ti5O12 (LTO), negatiivielektrodi-materiaalina, ja erityisesti partikkelin morfologian vaikutusta materiaalin sähkökemialliseen käyttäytymiseen. Työssä verrataan kahta LTO-materiaalia, joilla on sama kiderakenne, mutta erilainen morfologia, ja osoitetaan, että pieni partikkelikoko ja suuri pinta-ala tuottavat parempia tuloksia akussa. Lisäksi litiumin (de)insertiopotentiaalin ja litiumin varastoinnin havaitaan olevan erilaista partikkelin pinnalla kuin partikkelin sisäosissa. Tulokset osoittavat, että LTO:n ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa muuttamalla partikkelien morfologiaa. Lisäksi tutkittiin johtavuushiilen vaikutusta LTO-elektrodien toimintaan. Kun LTO-elektrodeja mitattiin pienillä virrantiheyksillä huoneen lämpötilassa, johtavuushiilen vaikutus oli vähäinen. Kuitenkin vaativammissa olosuhteissa (korkeilla virrantiheyksillä ja matalissa lämpötiloissa) havaitaan johtavuushiilen hyödyllinen vaikutus erityisesti pienemmällä LTO:n partikkelikoolla. Johtopäätöksenä todetaan, että johtavuushiilen vaikutus LTO-elektrodien toimintaan riippuu niin LTO-partikkelien kuin elektrodin morfologiasta. Työn toisessa osassa tutkitaan vesiliukoisen akrylaattisideaineen (Acryl S020) käyttöä LTO- ja grafiittielektrodien vesipohjaisessa valmistuksessa. Yleisesti käytetty PVDF (polyvinyyli-deenifluoridi) -sideaine on kallista ja tarvitsee liuottimeksi haitallisen NMP:n (N-metyyli-pyrrolidoni), ja tämän vuoksi vaihtoehtoisia materiaaleja on tutkittu paljon. Työssä näytetään, että LTO-elektrodeilla, jotka on valmistettu Acryl S020 -sideaineella, saavutetaan samanlaiset kapasiteetit kuin perinteisillä PVDF-sideaineeseen pohjautuvilla LTO-elektrodeilla. Lisäksi elektrodien valmistusta testattiin pilot-skaalan slot die ja gravuuripainatus -menetelmillä, joilla molemmilla saavutettiin tasaiset kapasiteetit yli 500 syklin ajan. LTO:n veden absorption/desorption mitattiin olevan reversiibeliä, joten vesipohjainen prosessi vaikuttaa mahdolliselta myös LTO-elektrodien valmistukseen. Lupaavia tuloksia saatiin myös Acryl S020 -sideaineella grafiittielektrodeissa, joilla mitattiin korkeammat kapasiteetit suurilla sähkövirroilla ja matalissa lämpötiloissa verrattuna grafiittielektrodeihin, jotka oli valmistettu CMC (karboksimetyyliselluloosa) ja SBR (styreenibutadieenikumi) sideaineyhdistelmällä.
Julkaisun otsikon käännösLitium-ioniakkujen negatiivielektrodimateriaalit
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Kallio, Tanja, Vastuuprofessori
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-6820-6
Sähköinen ISBN978-952-60-6821-3
TilaJulkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • litium-ioniakut
  • negatiivielektrodit
  • elektrodien valmistusmenetelmät

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Litium-ioniakkujen negatiivielektrodimateriaalit'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä