Fabrication, process development and practical implementation of conversion negative electrode and nickel-rich positive electrodes for lithium-ion batteries

Abstract

Bu tez, yüksek performanslı pozitif ve negatif elektrot aktif malzemelerinin sentezini ve bunların lityum iyon pillerde pratik uygulanmasını bildirmektedir. Negatif elektrot (N) kısmı, hibrit dönüşüm tipi bir malzemenin hidrotermal yöntemle üretimini içermektedir. Elektrokimyasal tersinirliği geliştirmek için manyetit parçacıkları iletken bir yapı olan kısmen indirgenmiş grafen oksidin katmanlarında oluşturulmuştur. Hibrit malzemenin aktif lityum kayıpları nedeniyle tam hücrelerde yeterince performans gösterememesi, elektrokimyasal ön lityumlama ile telafi edilmiştir.Pozitif elektrot kısmındaysa, lityum nikel kobalt alüminyum oksit (NCA) üretiminde karşılaşılan zorluklardan biri olan alüminyum iyonlarının kristal içerisine homojen olarak dahil edilememesi sorununa çözüm aranmaktadır. Bu sebeple, iki farklı üretim metodu kullanılmıştır. İlk yaklaşım, elektrokimyasal olarak aktif yüzeylerin oluşumunu teşvik etmek ve birincil parçacıkların anizotropik büyümesini yönlendirmek için yakılabilir bir şablon kullanılması ve parçacıkların Pechini yöntemiyle sentezlenmesidir.İkinci yaklaşım, benzersiz akış özellikleri sergileyen bir Couette-Taylor sürekli akış reaktöründe NCA'nın birlikte çöktürme yöntemiyle sentezlenmesidir. Alüminyum iyonları sisteme geçiş metali/şelat maddesi oranının, alüminyum iyonu içeren solüsyonların reaktöre beslenme pozisyonunun ve akış hızının değiştirilmesiyle eklenmiş ve yoğun ve küresel yapıda partiküller elde edilmiştir. Malzemelerin elektrokimyasal karakterizasyonları, gerçek pil sistemlerindeki performanslarını yansıtması açısından lityum iyon içeriğinin sınırlı olduğu tam hücre sistemlerinde araştırılmıştır. Tezin son kısmında elektrot malzemelerimiz aynı hücre içerisinde test edilmiş, böylece malzemelerin pratik uygulamalarda birlikte kullanılma imkanları değerlendirilmiştir.

This Ph.D. thesis reports the synthesis of the high-performance positive and negative electrode active materials (EAMs) and their practical implementation to lithium-ion batteries (LIBs). The negative electrode section involves the construction of a hybrid conversion-type material via hydrothermal synthesis. Magnetite particles are formed throughout the conductive network of partially reduced graphene oxide for enhancing the electrochemical performance. The limited applicability of the material in full-cells due to active lithium losses is compensated by electrochemical pre-lithiation.From the positive electrode perspective, lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA) is developed via two distinct routes to enable homogeneous incorporation of aluminum species to the crystal, which is a current challenge associated with the fabrication of nickel-rich compounds. Our first approach employs a sacrificial template-assisted Pechini process for promoting the formation of more stable and electrochemically active facets of the primary particles. The second approach employs a co-precipitation synthesis of NCA via a Couette-Taylor flow reactor, exhibiting unique flow characteristics. The inclusion of aluminum is achieved by alteration of the transition metal/chelating agent ratio, the feed position or regime of the aluminum species into the reactor, resulting in dense and spherical particles. Their electrochemical performance is investigated in NCAgraphite full-cells, which is essential for a more reliable representation of the true capacity of our synthesized EAMs due to the limited lithium-ion content. Lastly, we couple the N and P materials synthesized in the scope of this thesis to investigate their practical applicability in the same LIB cell.