Iron based Li-ion insertion materials for battery applications

• Li-ion batteries are currently the most efficient technology available for electrochemical energy storage. The technology has revolutionized the portable electronics market and is becoming a corner stone for large scale applications, such as electric vehicles. It is therefore important to develop materials in which the energy storage relies on abundant redox active species, such as iron. In this thesis, new iron based electrode materials for positive electrodes in Li-ion batteries were investigated. Lithium iron pyrophosphate (Li2FeP2O7) and two polymorphs of lithium iron sulphate fluoride (LiFeSO4F) were studied.For Li2FeP2O7, preferred oxidation of iron with different coordination numbers within the crystal structure was studied, and six-coordinated iron was found to be oxidized preferentially at lower potentials compared to five‑coordinated iron. Electrochemical cycling resulted in structural changes of Li2FeP2O7 through an increased Li-Fe mixing in the compound, forming a metastable state during battery operation.For tavorite LiFeSO4F, the influence of the amount of a conductive polymer (poly(3,4-ethylenedioxythiophene), or PEDOT) was studied. All the different amounts of PEDOT coating reduced the polarization significantly, but the trade-off between functionality and weight added also has to be considered. Additionally, the effect of densifying the electrodes to different degrees is reported, and was found to have a significant influence on the battery performance. Also triplite LiFeSO4F was coated with PEODT, and it was found that the electrochemical performance improved, but not to the same extent as for tavorite LiFeSO4F. The faster solid state transport of Li-ions in tavorite type LiFeSO4F possibly accounts for the difference in electrochemical performance.Together, the results presented herein should be of importance for developing new iron based materials for Li-ion batteries.

• Av de idag tillgängliga teknologierna för elektrokemisk energilagring så har litium-jonbatterier de bästa egenskaperna när det gäller energiförluster och energilagringskapacitet. De har revolutionerat marknaden för portabel elektronik (telefoner, laptops etc.), och blir mer och mer viktiga för storskaliga tillämpningar såsom elbilar. För den typen av applikationer måste teknologin baseras på vanligt förekommande material och grundämnen, t.ex. järn.I den här avhandlingen har järnbaserade material för den positiva elektroden hos litium-jonbatterier studerats. Olika aspekter som påverkar spänningen och effektiviteten hos elektroderna har undersökts. Ett exempel på det är hur olika omgivningar kring järnatomerna i en förening påverkar spänningen hos ett batteri. För föreningen litiumjärnpyrofosfat visade det sig att sex närmaste grannar ger lägre spänning än fem närmaste grannar till järn. Dessutom har förändringar i föreningens struktur studerats då den används i ett batteri. Den här typen av grundforskning är viktig för förståelsen av nya elektrodmaterial i Li-jonbatterier.Ur en mer praktisk synvinkel så har elektroder baserade på en annan järnförening, litiumjärnsulfatfluorid, utvecklats. Ledningsförmågan hos dessa elektroder har förbättrats genom att belägga föreningen med ett ledande skikt, samt att mekaniskt pressa samman elektroderna genom mangling. Båda metoderna är viktiga för att tillverka välfungerande elektroder. Föreningen litiumjärnsulfatfluorid förekommer i två olika former, och en jämförelse av hur elektriskt ledande beläggningar påverkar de bägge materialen har också gjorts i den här avhandlingen.Tillsammans visar resultaten från de olika studierna på hur man kan arbeta och tänka kring utvecklingen av nya material för litium-jonbatterier.  

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Oorganisk kemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Inorganic Chemistry (hsv//eng)

Nyckelord

Li-ion

battery

Li2FeP2O7

LiFeSO4F

PEDOT

Chemistry with specialization in Inorganic Chemistry

Kemi med inriktning mot oorganisk kemi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

lic (ämneskategori)