Silicate cathodes for Lithium Ion Batteries

Det ble i starten av prosjektet gjort et bredt litteraturstudie, delvis foretatt av SINTEF og delvis av stipendiat. Stipendiat ble ansatt fra januar 2013 og har jobbet med videreutvikling av syntesemetoder for silicatbaserte katodematerialer. Utgangspunktet for prosjektet var sammensetningen Li2FeSiO4/C (LFS) hvor deler av eller alt Fe skal byttes ut med Mn. I tillegg til stipendiaten så har også 3 masterstudenter vært involverte i prosjektet. Stipendiaten har videreutviklet synteserutene for å oppnå faserene materialer av Li2MnSiO4/C (LMS) med varierende karboninnhold. LMS har blitt produsert både ved sol-gel syntese og flammespraypyrolyse. Sistnevnte metode er utført i løpet av 2015 og har gitt særdeles lovende resultater. I tillegg til LMS er det også produsert materialer hvor opp til 20% av Mn er byttet ut med Fe. Det er også laget materialer hvor Fe er byttet ut med Mn i LFS. Resultatene viser tydelige trender i forhold til stabilitet og batterikapasitet når sammensetningen varierer. På slutten av 2014 og i 2015 er det også jobbet med å dope materialet med andre overgangsmetaller. Vanadium (V) har gitt de mest lovende resultatene og viser at både stabilitet og kapasitet kan forbedres ved å erstatte deler av Mn-innholdet med V. Det er også gjort både in situ karakterisering med XRD samt TEM (med EELS) for å se på reaksjonsmekanismer og bedre forståelse av degradering av materialet. SINTEF har jobbet mye med å produsere katoder av råmaterialer fra norsk industri. Det er laget katodematerialer som er karakterisert med hensyn til materialegenskaper og batteriegenskaper. Materialene inneholder, som forventet, mer urenheter og sekundærfaser enn ved våtkjemiske syntesemetoder som er utviklet i prosjektet og effekten av disse urenheten på batteriegenskapene er studert. Materialene fungerer bra med tanke på at utgangsmaterialene og fremstillingsmetodene har betydelig lavere kostnad enn fremstilling med mer komplekse metoder. Det ble også forsøkt å erstatte deler av Fe med Mn, men uten gode resultater. I tillegg har materialene vært testet i full celle med bruk av anoder fra CATAPULT-senter ved Universitetet i Warwick. Institutt for industriell økologi (ved Anders Strømman) har vært ansvarlig for å se på livssyklusanalyser av ulike batterityper. Og det har blitt utviklet modeller som kan beregne CO2 avtrykk for ulike prosesser og batterityper brukt i el-biler. En liste med publikasjoner og presentasjoner, både vitenskapelige og pupulærvitenskapelige, er lagt ved.

This researcher proposal describes routes for improvement of Li-ion batteries with respect to reduction of costs and improved energy density. The research will be focused around non-toxic, readily available elements. The environmental impacts of the synt hesized materials and their applications in batteries, including indicators like global warming potential, human toxicity, eco-toxicity, and acidification, and their distribution across different process and life cycle stages will be studied. One particu larly interesting class of materials with potential as Lithium-ion battery cathodes is the orthosilicate family, of general formula Li2XSiO4, where X is one or more first row transition metals. Contrary to the now commercially used phosphate cathode mater ial LiFePO4, in which one Li is available per formula unit, careful selection of the constituent transition metals allows reversible extraction and re-insertion of ca 1.5 Li per formula unit in an orthosilicate, according to theoretical calculations. Th e orthosilicates, like LiFePO4, have low electronic conductivity. For commercial LiFePO4 cathodes, this problem can be circumvented by sophisticated synthesis methods creating a carbon coating of the particles. However, such synthesis routes are complex a nd expensive and the development of affordable, easily upscalable and environmentally friendly synthesis routes is vital. Another approach to enhancing electrochemical performance is nanostructuring of electrodes, which will also be explored here. An i mportant factor for obtaining long-lived, stable lon high-quality cathodes is careful control of the chemical composition and detailed knowledge of the phase relations as a function of temperature and chemical composition. As an example, Li2XSiO4 exhibits three different temperature-dependent polymorphs, which all show different electrochemical behavior. Knowledge of their stability region allows for tailored synthesis of the desired polymorph.