Vehicle Battery Safety Roadmap Guidance

The safety of electrified vehicles with high capacity energy storage devices creates challenges that must be met to assure commercial acceptance of EVs and HEVs. High performance vehicular traction energy storage systems must be intrinsically tolerant of abusive conditions: overcharge, short circuit, crush, fire exposure, overdischarge, and mechanical shock and vibration. Fail-safe responses to these conditions must be designed into the system, at the materials and the system level, through selection of materials and safety devices that will further reduce the probability of single cell failure and preclude propagation of failure to adjacent cells. One of the most important objectives of DOE's Office of Vehicle Technologies is to support the development of lithium ion batteries that are safe and abuse tolerant in electric drive vehicles. This Roadmap analyzes battery safety and failure modes of state-of-the-art cells and batteries and makes recommendations on future investments that would further DOE's mission

Novel Cathode Framework, Effective Electrolyte Modification, And Electrode Structural Modification Of High Performance Lithium Sulfur Batteries

Firstly, TiN nanotube arrays have been investigated as an effective skeleton in the cathode of lithium-sulfur batteries. A series of TiN nanotubes with various diameter and length have been synthesized and tested. Moreover, graphene nanoplatelets have been utilized as a structural anchor to support the TiN nanotubes, and the synergetic effect of composite material and its enhancement on Li-S battery electrochemical performance and cycling stability have been studied. Secondly, the improvement of electrode structural design has been evaluated for their effectiveness by using an in-situ characterization method with other electrochemical characterization. Lastly, the facile method of using transition metal cations as the electrolyte additive has been proven to be capable of protecting lithium metal anode effectively. As a summary, the result of the research could result in a more rational design of novel lithium-sulfur batteries with high performance. It serves as an alternative to conventional lithium-ion batteries, rendering more practical to large-scale production of electric automotive with lower cost and wider application of digital electronics

Rechargeable lithium-air batteries using mathematical modelling

PhD ThesisThroughout the years numerous studies for non-aqueous Li-air or Li-oxygen batteries have been investigated to elucidate their reactions and mechanisms. However, there have been only a few models developed for Li-air batteries. Therefore, the main objective of this work was to develop mathematical models for non-aqueous Li-air battery to increase understanding of the air cathode behaviour as well as predict the battery performance during cycling. A micro-macro homogeneous mathematical model was developed for a rechargeable Li-air battery using a concentrated binary electrolyte theory, and validated against experimental data. The dynamic behaviour of the porous cathode was determined by a numerical solution of the combined continuity, transport and kinetics equations. The microscopic behaviour included the local mass transfer between lithium peroxide (Li2O2) layer inside the cathode and active surface morphology changing with the Li2O2 solid precipitate growth. The model predicted that the capacity and discharge potential were sensitive to the solubility of oxygen and also the cathode porosity, the cathode structure and kinetic parameters. In addition, the charging behaviour was simulated by modelling the dissolution of solid Li2O2 product. The model suggested that the charging voltage can be decreased depending on capability of electrolyte to dissolve the Li2O2 discharge products. To improve the battery performance, the promising structure of a Li-air flow battery system with a electrolyte recycling unit continuously delivered the discharge capacity and provided high power density.National Metal and Materials Technology Center (MTEC): Ministry of Science and Technology, and Royal Thai Government

Engineering M-si (m:ag, Cu) Thin Films As Negative Electrodes For Lithium Ion Batteries

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Günümüzde her kesimden insanın hızlı, verimli ve kolay iletişim için taşınabilir elektronik aletlerden (bilgisayarlar, cep telefonları, kameralar, fotoğraf makinaları, MP3 çalarlar, CD çalarlar, DVD oynatıcılar, radyolar, televizyonlar) yararlandığı bilinmektedir. Taşınabilir tüm bu elektronik ürünlerin görevlerini uzun süreli ve etkin olarak sürdürebilmeleri için temel şart yüksek enerji yoğunluğuna sahip, güvenli, uzun ömürlü, bakımı kolay yapılabilen, kısa sürede şarj edilebilen ve çevreye zarar vermeyen bir enerji kaynağına sahip olmalarıdır. Günlük kullanım ihtiyaçlarının yanı sıra özellikle taşıma sektöründe de yüksek miktarda enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır. Tekrar şarj edilebilen/ ikincil lityum-iyon bataryalar (LİB) sahip olduğu üstün özellikler sayesinde gerek ev aletlerinde gerekse de taşıma sektöründe yaygın olarak kullanılan enerji kaynaklarından biridir. Tekrar şarj edilebilir pil olan lityum iyon piller, ikincil piller olarak da bilinirler; deşarj olduktan sonra tekrar şarj edilerek kullanılabilen elektrokimyasal hücrelerdir. Diğer ikincil pillerle (gümüş-çinko, nikel-çinko, nikel-hidrojen) karşılaştırıldıklarında bakım gerektirmemeleri ve uzun ömürlü olmalarının yanı sıra geniş çalışma sıcaklık aralığına, uzun raf ömrüne, çabuk şarj olabilme kabiliyetine, yüksek güçlü deşarj kapasitesine, yüksek enerji verimliliğine ve yüksek spesifik enerji yoğunluğuna sahip olmaları sebebiyle de sıkça tercih edilmektedirler. Pahalı olmaları ve yüksek sıcaklıklarda hızlı bozunmaları ise sahip oldukları en büyük dezavantajlardır. İlk olarak 1970 yılında lityum metalinin enerji uygulamalarında kullanımına ait avantajlar fark edildikten sonra 1972'de Exxon TiS2 yapısında katot üreterek Li'a karşı gerçekleştirdiği ilk lityum pilini üretmiştir. Katmanlı yapıdaki sülfür içeren katot malzemelerinin uzun çevrimler boyunca kararlı kalmadığı 1980'de kanıtlandıktan sonra Goodenough ve arkadaşları metal oksitleri alternatif katot malzemesi olarak önermişlerdir. Bu öneriyi takiben 1991 yılında ilk defa Sony LiCoO2'in katot, karbonun anot olarak kullanıldığı ticari LİB'ları üretmiştir. Bu hücrelerde 3,6 V üstünde potansiyel elde edilmiş, uzun çevrimler boyunca kararlılık gösteren lityum iyon pillerin üretilmesi başarılmıştır. Enerji sektöründeki artan ihtiyaçlara uygun şekilde cevap verebilmek ve çevreye en az zarar veren teknolojinin kullanımını yaygınlaştırmak için tekrar şarj edilebilen LİB'larla ilgili yapılan çalışmalar son yıllarda oldukça hız kazanmıştır. 2008 yılında dünyadaki satış miktarı 36 milyar dolar, 2013 yılında ise değeri 51 milyar dolara ulaşan LİB pazarının 2020 yılına kadar 100 milyar doları geçmesi beklenmektedir. Elektrikli araçlar bu teknolojinin gelişmesinde ayrı bir öneme sahiptir. Tekrar şarj edilebilen LIB temel olarak anot/katot, separatör ve eletrolitten oluşmaktadır. Anot malzeme negatif elektrot, katot ise pozitif elektrot olarak görev alır. Pilin şarj reaksiyonu sırasında dışarıdan uygulanan fazla voltajı takiben pozitif elektrottan Li iyonları ayrılır, elektrolit boyunca difüz ederek negatif elektrotun yapısına yerleşirler (interkele ederler). Bu sırada pozitif elektrottan ayrılan elektronlar akım iletici kablo vasıtasıyla anoda elektron iletirler. Deşarj reaksiyonu sırasında ise anoda geçen (interkeleeden) lityum iyonları katottaki ilk yerlerini almak üzere hareket (deinterkele) ederken, elektronlar da depolanan enerjiyi istenilen uygulama için transfer ederler. Bu reaksiyonların yüksek verimle gerçekleşebilmesi için elektrot malzemeleri yüksek elektrik iletkenliğinde, hafif ve elektrolitle uyumlu olmalıdır. Elektrot üretiminde malzemeler yüksek iletken metal folyolara lamine edilir veya folyo üzerine biriktirilir. Pil elemanlarının biraraya getirilmesi sırasında folyoların üzerindeki elektrot malzemeleri arasında gerçekleşmesi muhtemel kısa devreyi önlemek için mikro gözenekli seperatörler veya jel/katı elektrolitler kullanılarak hücre içerisinde lityum iyonlarının yer değiştirmesi sağlanmalıdır. Dünya'da LİB performansını geliştirmek için yapılan çalışmalar hücre elemanları ve elektrot dizaynı olarak temel şekilde sınıflandırılabilir. Bu çalışmalar sonucu sadece US patent ofisinde kayıtlı 10.000'e yakın lityum iyon teknolojisi üzerine patent olduğu görülmüştür. Elektrot malzemelerinin bileşimleri (kompozit üretimi dahil olmak üzere) ve yapısal (gözenekli) özelliklerini geliştirmek üzerine çalışanların yanı sıra, elektrolit ve membran özelliklerini geliştirmek için de çalışan araştırma grupları bulunmaktadır. Günümüzde LİB'da pozitif elektrot olarak öncelikli olarak katmanlı (LiCoO2), spinel (LiMn2O4) ya da olivin (LiFePO4) yapıda malzemelerin kullanımı araştırılırken, negatif elektrot (anot) malzemesi olarak öncelikle karbon (C) daha sonra kalay (Sn), alüminyum (Al), antimon (Sb), bizmut (Bi) ve silisyum (Si) esaslı malzemelerin kullanımları değerlendirilmekteditr. Son yıllarda alternatifleri arasından Si yüksek kapasiteye sahip olması (3579 mAsg-1 oda sıcaklığında) ve hammaddesinin dünyada bol ve ucuz bulunmasından dolayı, araştırmalarda sıkça tercih edilmektedir. Si anotunun uygulanmasında karşılaşılan en büyük sorun ise malzemenin düşük elektrik iletkenliği (10-3 S cm-1), düşük lityum difüzyon katsayısı (10-14-10-13 cm2s-1), lityumla reaksiyon sırasında birim hücrede gerçekleşen yüksek hacimsel (%300) değişim ve lityumla reaksiyon potansiyelinin elektrolit parçalanma potansiyel değerinin altında olması sebebiyle yüzeyinde kararlı olmayan katı elektrolit ara yüzeyi (SEI: solid electrolyte interphase) oluşturmasıdır. Bu sorunun üstesinden gelebilmek için nanokompozit elektrotların kullanımı önerilmiştir. Bu bağlamda, gümüş (Ag) ve bakır (Cu) sahip oldukları yüksek elektrik iletkenliğikleri sayesinde geçmiş çalışmalarda tercih edilmişlerdir. Böylece, Si filmin içinde bulunan bu metal atomları, lityumla reaksiyona girmedikleri şartlar altında, hem elektrotun içinde yeni elektron yolları açmasına, hem çevrim testi boyunca Si'un elektrotta oluşabilecek elektrokimyasal aglomerasyonunun engellenmesine hem de Si-Li arasında gerçekleşen reaksiyon sonucunda oluşan yüksek hacimsel değişimi mekanik tampon olarak sindirerek, hacimsel değişimin yıkıcı etkisinin azalmasına sebep olmuşlardır. Si bazlı nanokompozit malzemeler literatürde sıkça kullanılmıştır. Lityumla reaksiyona girmeyen Cu atomları, Ag atomlarına nazaran sahip oldukları daha düşük atomik kütlelerinin yanı sıra, sergiledikleri sünek davranışları ve Si'la farklı fazlar (ör:Cu3Si) meydana getirmeleri sebebiyle galvonastatik test boyunca lityumla reaksiyonlarının tersinir olmasını sağlayabileceğini de kanıtlamıştır. Dahası Cu, negatif elektrotun akım toplayıcı Cu folyo ile arasındaki adezyonunu artırarak, yüksek çevrim ömrü ve iyi kapasite saklama özelliği kazandırdığı da kanıtlanmıştır. Şimdiye kadar, sol-jel, elektron demeti ile buharlaştırma, iyon katkılama, kimyasal buhar çökeltme, ultrasonik radyasyon, melez büyütme teknikleri ile SiCu kompozit filmleri üretilmiştir. Bu çalışmalar sonucunda üretim yönteminin özelliklerine bağlı olarak elektrotun tane özelliklerinin ve bu yüzden de elektrokimyasal performansının değiştiği gözlemlenmiştir. Bu sebeple araştırmacılar sıfır (0D), tek (1D), iki (2D) ve üç (3D) boyutta elektrot malzemeleri üreterek, LIB'da anot malzemesi olarak kullanımları durumunda özelliklerini incelemiştir. Sonuçlar temel olarak nano boyutta üretilen elektrot malzemelerin ilk kapasitelerinin daha yüksek olduğunu ve çevrim ömürlerinin daha uzun olduğunu kanıtlamıştır. Fakat elektrotun içerisinde aktif malzemenin tane boyutunun azalması aynı zamanda ikincil reaksiyon olarak tanımlanan oksitlenme ve katı elektrolit ara yüzey filminin yüksek miktarda oluşmasına neden olmaktadır. Bu oluşum sebebiyle ilk deşarj reaksiyonu (lityumun interkele ettiği) yüksek olsa da reaksiyonun geri dönüş veriminin oldukça düşük olduğu gözlenmiştir. Günümüzde LİB'ları elektrikli araç gibi ileri teknoloji aletlerinde kullanmak için yüksek akım yoğunluklarında verimli performans sergilemeleri en önemli gereksinimleridir. Bu noktada yüksek miktarda gerilimi tolere edebilecek yapıda Si anot üretimi oldukça önem kazanmaktadır. Bu şekilde ekonomik olarak uygun şartlarla elde edilen elektrotun çevrim testi boyunca hem mekanik olarak bütünlüğünü koruması hem de yüksek kapasite sergilemesi hedeflenmektedir. Bu kapsamda yapılan çalışmalarda malzeme seçimi ve proses dizaynının önem kazandığı görülmektedir. Bu tezde, yukarıdaki bilgiler göz önüne alınarak yüksek kapasite-çevrim performansı sergileyen anot eldesinin hem malzeme seçimi hem de üretim proseslerinde yapılan iyileştirmeler ile eldesi hedeflenmiştir. Malzeme seçimi kapsamında Si anotların performanslarını geliştirmek için birinci başlıkta lityuma karşı aktif özellik sergileyen yüksek elektrik iletkenliğine sahip Ag, ikinci ve üçüncü başlıkta ise lityuma karşı inaktif davranış sergileyen Cu atomu ilavesiyle kompozit filmler üretilmiştir. Proses gelişimi için ise ilk başlıkta Ag atomlarının çevrim testine etkisini inceleyebilmek ve SiAg filminin en verimli çalışacağı test aralığını bulmak için farklı galvanostatik test koşullarında test uygulanmıştır. İkinci başlıkta ise geleneksel manyetik sıçratma prosesi yerine 'sürekli olmayan, şiddetli akımla manyetik sıçratma' (High power pulsed magnetron sputtering: HPPMS) yöntemi kullanılarak homojen özellikte Si film sağlanmıştır. Üçüncü başlıkta ise iyon desteğinin elektron demeti buharlaştırma prosesine adapte edilmesi sayesinde yüksek yapışma özelliğine sahip şekilli ince filmler başarıyla elde edilmiştir. İncelenen tezin birinci bölümünde kullanılan Ag elementinin anot malzemesi olarak kullanımı üzerine yapılmış çalışmalar, Ag elementinin 0,2 V altındaki potansiyellerde lityumla reaksiyona girdiğini ortaya koymuştur. 0,005-1,2 ve 0,2-1,2 V aralığında test edilen, manyetik sıçratma yöntemiyle elde edilmiş bu kompozit film, 0,005-1,2 V aralığında 20 çevrim sonunda çok düşük kapasite değerleri sergilerken, 0,2-1,2 V aralığında test edildiğinde 60 çevrim sonunda 1700 mAsa g-1 deşarj kapasitesi ortaya koymuştur. Bu durum 0,2-1,2 V aralığında lityumla reaksiyona girmeyen nanoboyutta dağılmış Ag atomlarının Si filmi içerisinde elektron iletimlerini sağlayacak yollar oluşturmaları ile açıklanmıştır. Ag malzemesinin pahalı ve ağır olması, Li'la reaksiyon vermeyen ve yüksek elektrik iletkenliğine sahip, daha düşük atomik kütle ağırlığındaki Cu atomlarının alternatif olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Bu sebeple, ikinci bölümde Si elektrodun özelliklerini geliştirmek için Cu atomları film kalınlığı boyunca miktarsal dağılımları değişecek şekilde manyetik sıçratma yöntemiyle biriktirilmişlerdir. Bu başlıkta Si film üretimi sırasında ark oluşumunu engellemek ve homojen özellikte film elde etmek için HPPMS yöntemi kullanılmıştır. Üretilen film kaplama/altlık ara yüzeyinde %100 at. Cu atomları içerirken kaplama/elektrolit arayüzeyinde %10 at. Cu içerecek şekilde tasarlanmıştır. Cu atomlarının sahip oldukları yüksek elektrik iletkenliği ve süneklik çevrim testi boyunca kaplamada oluşan gerilimin dağılmasına yardımcı olmuş, yüksek performans elde edilmesi başarılmıştır. Bu sayede 100 çevrim sonunda 1500 mAsa g-1 deşarj kapasite sergileyen anot malzemesi elde edilmiştir. Son bölüm de ise kalınlık boyunca bileşimi değiştirme yaklaşımı eğik açılı elektron demeti buharlaştırma yöntemi kullanılarak denenmiştir. Kaplamanın ilk 5 dakikasında uygulanan iyon desteği sayesinde kaplamanın altlığa yapışmasının artması beklenmiştir. Bu deneylerde eğik açılı elektron demeti buharlaştırma yönteminin seçilmesinin temel sebebi prosesin farklı nanoşekilli yapıları düzenli dizilimli olarak elde edilmesine olanak sağlıyor olmasıdır. Bu yöntem sayesinde son başlıkta bileşimi kalınlık boyunca değişen helis şekilli SiCu ince filmleirn üretimi gerçekleştirilmiş, anot malzemesi olarak kullanımları değerlendirilmiştir. Bu tasarımla helis şekli sayesinde hem mekanik mukavemetin gelişmesi, hem de Cu atomlarının kalınlık boyunca oranlarının değişmesi sonucu oluşan hacimsel değişimin neden olduğu gerilimin dağılması amaçlanmıştır. Galvanostatik test sonuçları kalınlık boyunca değişen Cu miktarı sayesinde (elektrot/akım toplayıcı ara yüzeyinde %30 at. Cu bulunurken, elektrot/elektrolit ara yüzeyinde %10 at. Cu bulunmaktadır) elektrot üzerinde oluşan stres yayılımının değiştiğini ve bu sayede 100 çevrim testi sonunda 1200 mAsa g-1 deşarj kapasitesi sergileyebildiğini göstermiştir. Bu tezde uygun malzeme seçimi ve proses dizaynı ile fiziksel buharlaştırma yöntemleri kullanılarak (manyetik sıçratma ve iyon destekli eğik açılı elektron demeti buharlaştırma) Si bazlı filmlerin lityum iyon bataryalarda anot malzemesi olarak kullanımları için üretilebileceği gösterilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalara ait sonuçlar elektrot malzemesinin bileşiminin ve elektrottaki boşluk miktarının/dağılımının yüksek elektrokimyasal performans sergileyen anot malzemesi eldesinde oldukça önemli olduğunu göstermiştir. Elektrottan elde edilen yüksek performans yüksek adezyon kuvvetiyle altlığa bağlı olan ince filmin yapısal, bileşimsel ve morfolojik özellikleriyle, elektrot yüzeyinde oluşan SEI filminin kararlılığıyla ve uygulanan galvanostatik test koşullarıyla ilişkilendirilmektedir. İçinde bulunduğumuz hızla değişen düzende ilerleyen teknolojiyi yakalamak açısından LİB teknolojisini geliştirmek için yapılacak araştırma-geliştirme faliyeteleri oldukça önemlidir. Bu amaç dikkate alındığında yapılan bu tezin LİB teknolojileri için anot geliştirilmesi yönünde araştırma-geliştirme faaliyetlerini destekleyici nitelikte sonuçlar içerdiği düşünülmektedir.It is essential to use low-cost and environmentally friendly energy storage systems. In this concept, all inovations done in energy storage devices are issued from accurate material selection and process design. In todays world, among alternative energy storage devices, lithium ion battery (LIB) becomes more important. They provide electrical power for a wide variety of applications such as power tools, aerospace and small portable electronic devices. However, current LIB technology can not satisfy the energy and power requirements of long life cell phones, electrical/hybrid vehicles and smart grids. We consider the example of smartphones, when graphitic based LIB are used, its charge can only endure for one day. When the use of LIB in Tesla Roadster (EV) is considered, EV carries 6831 lithium ion cells which together weight half a ton in the car. However, so many cells can only cover a distance of about 450-500 km, which is around half the driving distance of a fully loaded gasoline vehicle. Taking into consideration these facts, Department of Energy (DoE, USA) and the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japon) indicate that improving the battery performance with higher energy density, longer battery life and lower cost should be the priority in energy researches. Therefore, making successful development in LIB will be the strategic target to work on for nations around the world. So far, one of the challenge substituting graphite with high capacity alternative materials has been highlighted as a crucial challenge. In this sense, the use of various materials (C, Sn, Al, Sb, Bi) has been evaluated as anodes in LIB. Among them, silicon (Si) becomes prominent due to its high theoretical storage capacity (3579 mAh g-1 at room temperature), low operation potential (-370 mV vs Li/Li+), eco friendliness, high abundance on Earth's crust and low cost comparable to those of graphite. Despite these merits of Si, it has not yet replaced graphite in commercial applications, because when lithium ions (Li+) reacts with Si, more than 300% volume expansion occurs generating an immense amount of stress in the anode. This stress causes a severe material collapse and electrical isolation, resulting in low coulombic efficiency (CE) and rapidly declining capacity. Moreover, as the electrochemical alloying potential of Si is above the solvent reduction level, a passive film (solid electrolyte interphase (SEI)) forms at the electrode/electrolyte interface. Herein, it is worth to note that volume expansion in cycling yields unstable SEI between the Si surface and electrolyte, which leads to an increase in impedance. Finally, the low electrical conductivity (10-3 S cm-1) and low Li diffusion coefficient (10-14-10-13 cm2s-1) in Si hinder fast electron transfers resulting high resistance in the electrode, hence failure in the early stages of cycling. To be able to use Si electrodes in electrical vehicles or other advanced technological devices, highly stress-tolerant Si anodes that would withstand massive current demands while providing high energy density should be designed. It is known that, all potential commercial anode architectures have not been able to deliver a combination of high power and high energy density over a long range of cycles. Thus, there is a need to design LIB electrodes that can be discharged/charged at high rates to meet the high current demands of advanced technologies. At the same time, the mechanical integrity should be maintained and the production cost should be feasible. Herein, fabricating nano-structructured Si thin film by physical vapor deposition techniques becomes prominent because it is believed that delamination and quick faillure of the thin film electrodes might be prevented by using nano-engineering strategies, including nano-structuring and composition grading. In this dissertation, taking the above-mentioned claims as motivations an original idea of engineering Si based films to be used as negative electrodes in lithium ion batteries has been proposed. Magnetron sputtering and (glancing angle) electron beam evaporation processes have been chosen as the production techniques. Magnetron sputtering is used since highly energetic sputtered particles are believed to promote the intermetalic formation along the film as well as the adhesion of the coating to the substrate, and glancing angle electron beam evaporation method has been utilized since the process enables one to design nanoarchitectured thin film with a well aligned morphology. To overcome the above mentioned restrictions of Si based anodes some researchers are working to design new functional electrodes and others optimize the testing conditions and/or innovate cell designs. The objective of this study is to gain insights in how to design new negative electrodes for next generation LIB. The results show that both process and material science engineerings should be used to produce next generation Si based electrodes. Following this idea, in this dissertation a material selection is purposed: use of electrochemically active (Ag) or inactive elements (Cu) with Si has been evaluated. Moreover, we have also modified production processes and characterization methods: cut-off voltages of the galvanostatic tests are optimized in the first chapter, high power pulsed magnetron sputtering (HPPMS) is used to deposit Si film in the second chapter, then ion assistance is adopted to the glancing angle electron beam deposition process in the third chapter. In this dissertation, a compositional improvement has been done by cosputtering Ag atoms with Si, in the first chapter. Ag atoms having the highest electrical conductivity among all materials are believed to create electron conductive pathways in the Si anode so that a Si based film with 3.2 microns thickness could be able to cycle with high performance. As Ag atoms are also electrochemically active versus Li, the lithiation reactions of SiAg film has been optimized by using different lower cutoff voltages in galvanostatic test. The SiAg composite electrode fails in 20 cycles when cycled between 0.005-1.2 V, whilst delivers around 1700 mAh g-1 after 60th cycled when cycled between 0.2-1.2 V. The approach proposed in this study is believed to offer a new gateway for material science to handle both the material properties as well as the testing conditions, to increase the electrochemical performance of the new electrodes. The fact that Ag is a heavy and expensive metal, an alternative electrochemically inactive element Cu is used in the second chapter where we fabricate functionally graded SiCu film with 2.4 micron thickness. By tuning Cu content of the film along the thickness and improving the interaction between highly energetic Si and Cu atoms, a Si based electrode with high rate capability and cycle performance has been achieved by magnetron sputtering process. Herein Cu has been particularly chosen since it is the second most conductive metal after Ag. Plus being inactive versus Li, ductile behavior of Cu is expected to improve both physical and mechanical properties of the Si based electrodes. In the experiments, HPPMS process has been used to deposit Si film without arcing. The functionally-graded Si-Cu film performs 1500 mAh g-1 after 100th cycle when cycled at 100 mA g-1, and deliver roughly 700 mAh g-1 when cycled at 500 mA g-1. This high capacity value has been first found in the literature for such a thick film electrode. This outstanding performance of the electrode is believed to be a result of synergy gathered from its compositional, structural and morphological particularities: The highly adherent compositionally graded film has high electronic conductivity as well as mechanical tolerance against volumetric changes due to Cu atoms existence. Cu atoms provide minimum electrochemical sintering or Si particle agglomeration during cycling. Plus, as a result of the varying Cu atoms presence along the film thickness (pure Cu at the bottom and 10%at. Cu at the top) the stress

Designing Ionic Pathways to Improve Overall Kinetics of Lithium ion Batteries

Department of Energy Engineering(Battery Science and Technology)Lithium-ion batteries (LIBs) have been considered as the most attractive energy storage systems. They have been used in a wide range of applications from portable devices to large-scale stationary energy storage systems (ESSs) due to their merits superior to other energy storage systems such as leadacid, Na-S, and redox flow batteries. They have higher cell voltages at > 3.6 V, higher efficiencies at >90 % and longer cycle life when compared with their alternatives. However, more research and development activities would be required before large-scale LIBs are widely spread for automotive and stationary fields. Power densities as well as energy densities should be improved higher with cost reduction. Many efforts have been devoted to not only discovering high-performance active materials but also enhancing ionic and electric conductivities. In order to increase ionic conductivities, smaller particles in a nanoscale level are favored to give larger surface area and shorter ionic diffusion length. Electric conductivities are enhanced by coating active materials with conductive materials such as metallic and carbonaceous compounds. The main topic of this thesis is how to design ionic pathways for improving overall kinetics of LIBs even if electric conductivity enhancement is involved. As the simplest strategy which can be used as a startup, nanosizing in the primary particle level was tried for LiMnPO4 olivine(LMP) to overcome its poor electric and ionic conductivities. By confining Mn3(PO4)2 precipitation on surface of a precursor seed of Li3PO4, the size of LMP particles is limited to less than 100 nm for a smaller dimension. Larger active area and shorter ionic transport length resulting from the nanosizing improved kinetic properties of LMP as a cathode material for LIB cells. When compared with LMP particles synthesized by a conventional co-precipitation method, the performances are recognized to be considerably enhanced. As the next strategy, the primary-particle-level nanosizing was evolved to the secondary-structure level of morphology control. Hollow structures with porous shells were designed for a conversionreaction-based anode material Fe3O4. The structure was chosen because hollow particles benefit from larger surface area on which active materials meet electrolyte, shorter pathways for lithium ions to pass through and voids within hollow shell providing buffer space during lithiation. The hollow structure was proved more beneficial in terms of electrochemical performances when compared with its nonhollow counterpart. Hollow void of ~80 nm diameter accommodated volume expansion during lithiation while the porous shell structure allowed lithium ions move through in a facile manner and enhanced accessibility to surface of the active materials. As the third strategy of morphological control following primary- and secondary-structure levels, higher level structures were designed for another conversion-reaction-based anode materials, Co3O4. Two different morphologies of Co3O4 (plate-like and rod-like) were achieved through pseudomorphic conversion, depending on macroscopic morphologies of parent metal-organic-frameworks (MOFs). Both Co3O4 nanostructures were composed of almost identical 10 nm-sized primary nanocrystals. These Co3O4 nanomaterials were utilized as an electrode in lithium ion batteries (LIBs), and their electrochemical properties were comparatively investigated. It was revealed that the different cyclability and rate capability are attributed to their different microstructures. The pseudo-monolithic integration of primary and secondary structures at higher level was the governing factor, which determined the electrochemical performances of the Co3O4 electrode. In addition to the morphology controls in nanoscales, crystallographic parameters of graphite as an anode material were controlled for the same purpose of improving ionic conduction or transport during faradaic reactions. To widen the ionic pathways inside active materials, the d-spacing of graphite increased from 0.3359 nm to 0.3395 nm by oxidizing natural graphite under a mild condition. Oxygencontaining functional groups were developed not only at edges but also on planes of graphite. Subsequent thermal reduction of the oxidized graphite eliminated a portion of the functional groups, but did not change d-spacing significantly. The enlargement of d-spacing reduced kinetic hindrance of lithium ion movement within the expanded graphite by reserving more space for the ionic transport route. In addition, the activation energy of lithium ion intercalation in expanded graphite are reduced by surface charge polarization of graphite induced by hydrogen bonds between oxygen atoms of carbonates in electrolytes and hydrogen atoms of surface functional groups. The expanded graphite showed higher delithiation capacities especially at high currents. By designing ionic pathways of electroactive materials, overall kinetics was enhanced, resulting in a much better improved electrochemical storage system.ope

Novel Technique of Fabrication of Porous Copper and Copper Oxide to Improve the Lithium Ion Battery Performance

Due to widespread and long-term application, Lithium-ion batteries are considered as promising power sources for portable devices, satellites, medical instruments, computers, electric vehicles and grid application. It started to occupy the market once Sony commercialized in 1991. Rechargeable lithium ion batteries drawing people attention due to their peculiar properties such as high energy density and low self-discharge compared to other alkali metals. However, these widespread and long-term applications still require better batteries in terms of performance, safety and cost, which can be achieved by better utilization of anode materials and/or an optimized design of battery configuration. There are several challenges in improving the battery performance, safety and to reduce the cost. The goal of this work was to design a high-performance battery with fabricating porous current collector and copper oxide. Current collector are essential features of batteries and being responsible for efficient charge transport to active electrode materials. In this study, a chemically treated high surface area, three-dimensional copper current collectors considerable improve the anodic performance of a batteries, by means of enhance in specific capacity and control over the fast decay. The electron transfers rapidly at the junction of the metal foam, the active material, and the electrolyte which increase the rate of redox reaction. On the other hand, the transfer of electron relatively slowly between foil current collector and the electrolyte surface of the active material. Impedance analysis also reveals that the charge transfer resistance is lower in porous copper current collector than the non-porous one. Unique properties of porous copper current collector improve the first discharge specific capacity of Li2 Ti5O12 (LTO) from 168.5 mAhg-1 to 235.8 mAhg-1 in comparison with the non-porous copper current collector. Moreover, fabrication of binder-free copper oxide on top of porous copper can open new window to the battery research

Preparation, Characterization and Performance Study of Modified Titanium Dioxide Nanocrystals for the Lithium-Ion Battery

Title from PDF of title page, viewed on August 11, 2015Dissertation advisor: Xiaobo ChenVitaIncludes bibliographic references (pages 156-172)Thesis (Ph.D.)--Department of Chemistry and Department of Geosciences. University of Missouri--Kansas City, 2015The lithium-ion battery is one of the most widely used rechargeable batteries in today’s life. As an energy storage device, it can convert the stored chemical energy into electrical energy when it is being used. Titanium dioxide nanocrystals are well-known for the photocatalytic ability. However, benefited from the nanostructure and the electrochemical reactivity of lithium-ions, titanium dioxide nanocrystals are also investigated as a promising anode material used for the lithium-ion battery. It is safer than graphite as it can prevent the lithium deposition and formation of the solid electrolyte interphase; additionally, it is an environmentally friendly and economical material that can also provide good theoretical capacity. These superiorities have attracted many research interests and make it a target material in this dissertation. However, the battery made by titanium dioxide suffers poor battery performances that are caused by two major drawbacks of the material. The low electronic conductivity in the solid phase and the low diffusion coefficient of lithium-ions cause only a thin surface layer of the titanium dioxide particle to be effectively used for the intercalation and extraction of lithium-ions at high charge/discharge rates; thus, the actual application is hindered. In order to improve the battery performances, three modification methods were discussed: hydrogenation, vacuum treatment, and carbon coating. The structural and electronic properties of the pure titanium dioxide nanocrystals and the new modified titanium dioxide nanocrystals were studied with: transmission electron microscopy, x-ray diffraction patterns, Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, thermal gravimetric analysis, ¹H magic-angle spinning solid state nuclear magnetic resonance spectroscopy, electron spin resonance spectroscopy, and x-ray photoelectron spectroscopy. The coin cells used titanium dioxide nanocrystals as electrode materials and were tested and analyzed in terms of discharge capacity, Coulombic efficiency, and rate performance. The electrochemical impedance spectroscopy was also studied in order to understand the electrochemical system. Compared with the pure titanium dioxide nanocrystals, the hydrogenated titanium dioxide nanocrystals, the vacuum-treated titanium dioxide nanocrystals, and the carbon-coated titanium dioxide nanocrystals showed improved battery performances. The structure and battery performances of three different titanium dioxide nanocrystals were related and discussed systematically.Introduction -- Experimental and analytical methods -- Design, preparation and properties of the hydrogenated titanium dioxide nanocrystals -- Design, preparation and properties of the vacuum-treated titanium dioxide nanocrystals -- Design, preparation and properties of the carbon-coated titanium dioxide nanocrystals -- Conclusio

Design of experiments applied to lithium-ion batteries : a literature review

The statistical design of experiments methodology (DoE) has been a valuable tool since its conception for the understanding of the relationship between factors and responses. Although it has been employed successfully in different research fields and industries for years, its application to the evaluation of lithium-ion batteries (LIBs) is just getting recognition. LIBs are one of the most promising technologies for a complete transition to sustainable energies, are the main technology behind electric vehicles and are fundamental for the continual development of portable electronic devices. This paper presents a critical literature review of the available DoE works applied to the manufacturing and characterisation of LIBs. An overview of DoE and the most important available designs are first presented, followed by a general introduction of the statistical analysis required for the interpretation of the results including regression models. Several aspects of the LIBs such as ageing, capacity, electrode formulation, active material synthesis, thermal design, charging and parameterisation are discussed based on the main objective of the respective DoE studies found in the literature. A case study is presented to visualise the practical application of DoE to the LIBs field. Perspectives and future outlook are given to highlight opportunities and potential areas of research in the application of traditional and modern designs to the LIB’s field. This critical review contributes to a better understanding of the DoE methodology with a focus on LIBs or LIBs related aspects which will lead to faster developments in the field