MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
■001000017162003
■00520250211151513
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798383581094
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31300012
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a660
■1001  ▼aHestenes,  Julia  Carmen.
■24510▼aSpatially  Resolved  and  Operando  Characterization  of  Cathode  Degradation  in  Li-Ion  Batteries
■260    ▼a[Sl]▼bColumbia  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a334  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-02,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Marbella,  Lauren  E.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Columbia  University,  2024.
■520    ▼aThe  global  energy  transition,  involving  the  widespread  adoption  of  electric  vehicles  and  grid-scale  energy  storage,  demands  energy  storage  devices  made  up  of  abundant,  inexpensive  minerals.  For  this  to  be  achieved,  the  large  Co  content  in  conventional  Li-ion  battery  cathodes  (e.g.,  LiCoO2)  must  be  replaced  while  also  maintaining  or  improving  the  energy  density  of  the  battery.  Alternative  low-Co  and  Co-free  materials  (e.g.,  layered  LiNixMnyCozO2,  spinel  LiNi0.5Mn1.5O4,  and  olivine  LiFePO4)  are  promising  alternatives  due  to  their  theoretically  higher  energy  densities  or  improved  safety  properties  from  the  industry  standards.  However,  in  practice,  these  materials  exhibit  both  bulk  and  interfacial  instabilities  that  limit  their  practical  energy  density  and  cycle  lifetime.  It  is  well  known  that  reactions  between  the  delithiated  (charged)  cathode  surface  with  the  electrolyte  generates  electrolyte  decomposition  species  that  form  an  interphase  layer  called  the  cathode  electrolyte  interphase  (CEI),  where  such  reactions  are  concomitant  with  a  crystallographic  reconstruction  of  the  surface  of  the  bulk  material.  The  CEI  is  air  sensitive,  disordered,  nanometers  thick  and  evolves  as  a  function  of  state  of  charge  and  cycle  number,  making  it  difficult  to  fully  understand  its  composition  and  effect  on  device  performance.  The  dynamic  nature  of  the  CEI  necessitates  development  of  chemical  characterization  tools  that  can  analyze  surface  reactivity  during  battery  operation.  Commercial  cathode  films  are  also  composites  including  not  just  the  electrochemically  active  material  but  also  conductive  carbon  additive  and  polymer  binder,  meaning  we  need  spatially  resolved  tools  to  study  CEI  composition  across  the  film  to  isolate  reactivity  by  film  component.  In  this  thesis,  we  have  developed  and  applied  spatially  resolved  and  operando  characterization  tools  to  study  the  CEI  of  low-Co  and  Co-free  cathode  materials  and  use  these  data  to  pinpoint  the  degradation  reactions  at  play  during  battery  operation.  In  the  first  chapter,  we  introduce  the  three  most  prevalent  types  of  cathode  materials  (layered,  spinels,  and  olivines)  used  in  Li-ion  batteries.  We  then  highlight  recent  progress  in  the  analytical  characterization  tools  that  have  been  developed  to  elucidate  CEI  composition,  spatial  arrangement,  and  formation  pathways  during  battery  operation  while  discussing  the  difference  in  surface  reactivity  between  each  cathode  active  material  as  revealed  by  these  techniques.  Major  findings  from  my  own  thesis  work,  detailed  in  following  chapters,  are  discussed  in  parallel  within  this  broader  context.  Finally,  equipped  with  a  deeper  understanding  of  the  CEI  and  the  processes  that  lead  to  its  formation,  we  discuss  what  remains  to  be  discovered  and  enabled  by  optimizing  these  complex  interfaces.  The  second  chapter  investigates  the  composition  of  the  CEI  formed  by  the  Li-rich  layered  cathode  material,  Li2RuO3,  to  better  understand  performance  decline  in  this  class  of  materials.  To  bridge  this  gap  in  understanding,  we  use  solid-state  NMR  (SSNMR)  and  surface-sensitive  dynamic  nuclear  polarization  (DNP)  NMR  to  achieve  high  resolution  compositional  assignment  of  the  CEI.  We  show  that  the  CEI  that  forms  on  Li2RuO3,  when  cycled  in  carbonate-containing  electrolytes,  is  similar  to  the  solid  electrolyte  interphase  (SEI)  that  has  been  observed  on  anode  materials,  containing  components  such  as  polyethylene  oxide  (PEO)  structures,  Li  acetate,  carbonates,  and  LiF.  The  CEI  composition  deposited  on  the  cathode  surface  on  charge  is  chemically  distinct  from  that  observed  upon  discharge,  supporting  the  notion  of  crosstalk  between  the  SEI  and  the  CEI,  with  Li+-coordinating  species  leaving  the  CEI  during  delithiation.  We  use  electrochemical  impedance  spectroscopy  (EIS)  to  assess  the  impedance  of  the  CEI  on  Li2RuO3  as  a  function  of  state  of  charge  in  connection  with  the  migration  of  CEI  species  as  identified  with  NMR.  Migration  of  the  outer  CEI  combined  with  the  accumulation  of  poor  ionic  conducting  components  on  the  static  inner  CEI  may  contribute  to  the  loss  of  performance  over  time  in  Li-excess  cathode  materials.  This  work  demonstrates  the  utility  of  SSNMR  for  studying  electrolyte  decomposition  at  the  cathode-electrolyte  interface  which  is  then  applied  in  the  following  chapter  to  more  commercially  relevant  materials.  In  the  third  chapter,  we  study  the  CEI  and  surface  reactivity  of  the  Ni-rich  layered  material  LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2  (NMC811).  The  high  specific  capacities  of  Ni-rich  transition-metal  oxides  have  garnered  immense  interest  for  improving  the  energy  density  of  Li-ion  batteries.  However,  Ni-rich  cathodes  suffer  from  interfacial  instabilities  that  lead  to  formation  of  electrochemically  inactive  phases  at  the  cathode  particle  surface  as  well  as  the  formation  of  a  CEI  layer  on  the  composite  surface  during  electrochemical  cycling.  We  use  a  combination  of  ex  situ  SSNMR  spectroscopy  and  X-ray  photoemission  electron  microscopy  (XPEEM)  to  provide  chemical  and  spatial  information,  on  the  nanometer  length  scale,  on  the  CEI  deposited  on  NMC811  composite  cathode  films.  XPEEM  elemental  maps  offer  insight  into  the  lateral.  (Abstract  shortened  by  ProQuest).
■590    ▼aSchool  code:  0054.
■650  4▼aChemical  engineering
■650  4▼aEnergy
■650  4▼aMaterials  science
■653    ▼aCathode
■653    ▼aCathode  electrolyte  interphase
■653    ▼aLi-ion  batteries
■653    ▼aOperando
■653    ▼aDynamic  nuclear  polarization
■690    ▼a0794
■690    ▼a0542
■690    ▼a0791
■71020▼aColumbia  University▼bMaterials  Science  and  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-02B.
■790    ▼a0054
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17162003▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

미리보기

내보내기

chatGPT토론

Ai 추천 관련 도서