Synthesis and characterization of aluminum doped to extend cathode life in li-ion batteries

Abstract

Lithium-ion batteries have an important place in meeting the energy needs and are of greater importance than their cognates, thanks to their characteristics as secondary batteries. Volumetric and gravimetric energy densities are the main features that carry lithium-ion batteries to the top. Lithium-ion batteries consist of different parts: cathode, anode, separator and electrolyte. While the anode materials are generally based on silicon, carbon and tin, the cathode materials include layered LiCoO2, spinel LiMn2O4, olivine LiFePO4, layered LiNi0,8Co0,15Al0,05O2(NCA) and layered LiNiCoMnO2 (NMC). Nmc and nca cathode materials stand out due to their high energy densities. Of course, lithium-ion batteries also have some disadvantages. A prime example of this is the capacity reductions it experiences with the increasing number of cycles. The main reasons for the decrease in capacity are; The transformation of the layered structure into spinel structure, the contamination of the Lio structure on the cathode to the electrolyte structure as a result of the side reactions that occur, damage the stable structure of the electrolyte and lead to Li loss. Metal oxide surface modification methods come to the fore in studies conducted to prevent these disadvantages. In this study, nmc structure was synthesized by reprecipitation method. Xrd, and sem analyzes of the obtained structure were taken. Al2O3 surface modification method was applied on the cathode surface. Cyclic voltammetry analyzes of the nmc structures with and without the modification applied were made with the help of potentiometry and the results were compared.

Lityum iyon bataryalar enerji ihtiyacını karşılamada önemli yer tutmaktadır ve ikincil bataryalar olma özellikleri sayesinde soydaşlarından daha büyük önem arz etmektedir. Volumetrik ve gravimetrik enerji yoğunlukları ise lityum iyon bataryaları zirveye taşıyan başlıca özellikleridir. Lityum iyon bataryalar, katot, anot , seperatör ve elektrolit olmak üzere farklı bölümlerden oluşur. Katot, pozitif elektrot olarak karşımıza çıkarken, anot ise negatif elektrot olarak adlandırılır. Anot malzemeleri genellikle silisyum, karbon ve kalay bazlı olmakla birlikte katot malzemelerinde ise katmanlı LiCoO2, spinel LiMn2O4, olivin LiFePO4, katmanlı LiNi0,8Co0,15Al0,05O2(NCA) ve katmanlı LiNiCoMnO2 (NMC) örnek olarak gösterilebilir. Nmc ve nca katot malzemeleri yüksek enerji yoğunlukları sebebi ile öne çıkmaktadır. Lityum iyon bataryaların elbette bazı dezavantajları da vardır. Artan çevrim sayısı ile birlikte yaşadığı kapasite düşüşleri buna başlıca örnektir. Kapasite düşüşünün başlıca sebepleri; katmanlı yapının spinel yapıya dönüşmesi, katot üzerindeki Lio yapısının, gerçekleşen yan reaksiyonlar sonucunda elektrolit yapısına bulaşması, elektrolitin kararlı yapısına zarar vermekle Li kaybına yol açar. Bunun sonucunda elektrolit yapısında gerçekleşen reaksiyonlar sonucunda HF asidinin katot yapısına zarar verdiği görülmektedir. Bu dezavantajları engellemek amacıyla yapılan çalışmalarda metal oksit yüzey modifikasyonu yöntemleri öne çıkmaktadır. Bu çalışmada tekrardan çöktürme yöntemi ile nmc yapısı sentezlenmiştir. Elde edilen yapının xrd, ve sem analizleri alınmıştır. Katot yüzeyinde Al2O3 yüzey modifikasyonu yöntemi uygulanmıştır. Elde edilen modifikasyon uygulanmış ve uygulanmamış nmc yapılarının potansiyometri yardımı ile çevrimsel voltametrik analizleri yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır.