Synthesis and characterization of novel cathode material with improved specific capacity and safety for lithium ion batteries

El Mofid, Wassima GND

Die steigenden Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien mit hoher spezifischer Leistung und Energie haben zur Entwicklung von mehreren Klassen von Materialien für die positive Elektrode geführt. Darunter sind unter anderem die vielversprechenden LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) Materialien. In diesem Zusammenhang ist das Thema dieser Arbeit eine umfangreichen Studie der elektrochemischen und strukturellen Eigenschaften des ursprünglichen Materials NMC (3:1:1) (LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2) und der drei neuen Materialien, die entweder durch Mono-Substitution von Co mit Al oder Fe: NMCA (LiNi0.6Mn0.2Co0.15Al0.05O2) und NMCF (LiNi0.6Mn0.2Co0.15Fe0.05O2) oder durch doppelte Substitution von Co mit Al und Fe NMCAF (LiNi0.6Mn0.2Co0.15Al0.025 Fe0.025O2) hergestellt wurden. Im ersten Schritt wurde eine Optimierung der Synthesebedingungen durchgeführt. Dazu wurden verschiedene Verfahren (z.B. Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie) verwendet, um homogene Phasen mit gut geordneter Struktur zu erhalten. Im zweiten Schritt wurden Struktur, morphologische und elektrochemische Eigenschaften der vier Materialien untersucht. Eine detailliertere Untersuchung wurde NMCAF gewidmet. Dieses Material zeigte die besten elektrochemischen Eigenschaften im Vergleich zu den ursprünglichen und den mono-substituierten Materialien. Ziel ist es zu verstehen, was die Mechanismen hinter der Verbesserung des elektrochemischen Verhaltens des doppelsubstituierten Materials sind. Schließlich wurde der Sicherheitsaspekt von NMCAF auf Basis einer detaillierten Untersuchung der thermischen Stabilität während der Lithium-Ionen-Deinterkalation diskutiert.

The increasing requirements for high power and energy lithium ion batteries have led to the development of several classes of materials for the positive electrode. Some of those are the promising LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) materials. In this context, the subject of this thesis is related to the extensive study of the electrochemical and structural properties of the pristine material NMC (3:1:1) (LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2) and the three novel materials obtained either by mono-substitution of Co with Al or Fe: NMCA (LiNi0.6Mn0.2Co0.15Al0.05O2) and NMCF (LiNi0.6Mn0.2Co0.15Fe0.05O2) or by double substitution of Co with Al and Fe NMCAF (LiNi0.6Mn0.2Co0.15Al0.025 Fe0.025O2). As a first step, an optimization of the synthesis conditions was carried out using various methods (e.g. X-ray diffraction, scanning electron microscopy) in order to obtain homogeneous phases with well-ordered structures. Structural, morphological and electrochemical properties of the four materials were then investigated. A more detailed study was devoted to NMCAF which showed better electrochemical properties compared to the pristine and the mono-substituted materials. The aim was to understand the phenomena behind the improvement of the electrochemical behavior of the double substituted material. The safety aspect of NMCAF was also discussed through a detailed study of the thermal stability during the lithium ion de-intercalation process.

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El Mofid, Wassima: Synthesis and characterization of novel cathode material with improved specific capacity and safety for lithium ion batteries. 2016.

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