Usporedba grafita i litijevog titanata kao interkalirajućih anodnih materijala za litij ionske galvanske članke

master's thesis

• Title (english): The comparison of graphite and lithium titanate as intercalating anode materials for Li-ion batteries
• Author: Jan Bartolec
• Mentor: Zoran Mandić (mentor)
• Committee member: Zoran Mandić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Marijana Kraljić Roković (član povjerenstva)
• Committee member: Vladimir Dananić (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Chemical Engineering and Technology; Zagreb
• Defense date and country: 2024-02-22, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Chemistry

Abstract

Svrha ovog rada bila je pripraviti elektrode od grafita i litijeva titanata (LTO) te ih testirati za primjenu u litij ionskim galvanskim člancima. Elektrode su dobivene prevlačenjem paste od aktivnih materijala, veziva i aditiva na strujni kolektor od bakrene folije s tankim slojem vodljivog ugljika. Litij ionski galvanski članci priređeni su kao dugmasti članci u kućištu od nehrđajućeg čelika i u komercijalnoj El-Cell ćeliji. Elektrokemijska testiranja provedena su u dvo-elektrodnom i tro-elektrodnom sustavu elektrokemijskim metodama cikličke voltametrije, pražnjenja/punjenja članka i elektrokemijske impedancijske spektroskopije. Za određivanje veličine čestica korišteno je dinamičko raspršenje svjetlosti. Ciklički voltamogram za LTO pokazuje jasne strujne vrhove bez difuzijskog repa što znači da je brzina interkalacije litijevih iona veća od brzine izmjene elektrona. Za grafit se može vidjeti da je proces interkalacije stupnjevit jer se on mora strukturno reorganizirati što nije slučaj kod LTO-a, a odvija se pri mnogo nižim potencijalima od LTO što pogoduje stvaranju SEI sloja koji uzrokuje značajan pad kapaciteta u prvom ciklusu punjenja/pražnjenja. Kod LTO je pad kapaciteta u prvom ciklusu znatno manje izražen. Naponi punjenja/pražnjenja za LTO su relativno stabilni u cijelom području rada sve dok se materijal u potpunosti ne potroši, dok su kod grafita u stalnom porastu prilikom punjenja i padu prilikom pražnjenja. S brojem ciklusa punjenja i pražnjenja, kulonske učinkovitosti teže jedinici. Spektri elektrokemijske impedancijske spektroskopije opisali su ponašanje elektroda prije i poslije cikličke voltametrije i dokazali povećanje polarizacijskog otpora i smanjenje brzine difuzije litijevih kationa kod LTO elektrode, a kod grafitne elektrode je rastao otpor SEI sloja i polarizacijski otpor. Testiranja u tro-elektrodnim sustavima omogućila su istovremeno praćenje potencijala radne elektrode i protuelektrode (Li) uz pomoć litijeve referentne elektrode. Dobiveni rezultati naponskih profila i specifičnih kapaciteta nisu pokazali značajna odstupanja u odnosu na dvo-elektrodne sustave. Dinamičko raspršenje svjetlosti pokazalo je nešto veću uniformnost i veličinu čestica kod LTO nego grafita.

Abstract (english)

The purpose of this work was to prepare graphite and lithium titanate (LTO) electrodes and test them for their use in Li-ion batteries. Electrodes were obtained by coating a paste consisting of active material, binder and a conductive additive on a current collector made of copper foil with a thin layer of conductive carbon. Li-ion cells were prepared as coin cells in a stainless steel case and in a commercial El-Cell. Electrochemical tests were performed in a two-electrode and three-electrode systems using cyclic voltammetry, constant current discharge/charge and electrochemical impedance spectroscopy. Dynamic light scattering was used to determine the particle size. The cyclic voltammogram for LTO shows current peaks without a diffusion tail, which means that the rate of intercalation of lithium ions is higher than the rate of charge transfer. For graphite, it can be seen that the intercalation process is gradual due to the structural reorganization of the active material. It also takes place at much lower potentials than that of LTO, which favours the SEI formation. The formations of SEI layer at graphite electrode is highly pronounced in the first charging/discharging cycle, leading to the deterioration of capacity. With LTO, the drop in capacity is much less pronounced. Stable discharge profiles were observed for LTO, while for graphite the voltages were continuously rising (charging) and falling (discharging). Coulombic efficiencies approached a value of 1 with every successive charging/discharging cycle. Electrochemical impedance spectroscopy spectra described the behavior of the electrode before and after cyclic voltammetry and proved an increase in polarization resistance and a decrease of diffusion rate of lithium cations in the case of the LTO electrode, while the resistance of the SEI and polarization resistance increased in the case of the graphite electrode. Three-electrode systems enabled simultaneous monitoring of the working electrode and the counter electrode (Li) with the help of a lithium reference electrode.
The obtained results of voltage profiles and specific capacities did not show significant deviations in relation to two-electrode systems. Dynamic light scattering showed slightly higher uniformity and bigger particle size in LTO than graphite.

• Keywords: litij ionski galvanski članci; grafit; litijev titanat; interkalacija
• Keywords (english): Li-ion batteries; graphite; lithium titanate; intercalation
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:149:026602
• Study programme: Title: Applied Chemistry - Graduate study; specializations in: Environmental chemistry and green technologies, Advanced materials and technologies, Applied organic chemistry; Course: Advanced materials and technologies; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: sveučilišni/a magistar/magistra primijenjene kemije (sveučilišni/a magistar/magistra primijenjene kemije)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2024-02-28 14:24:15