Characterization of Al and Mg Co-doped LiCoO2 in Li-ion batteries

Abstract

Die Eigenschaften von Lithiumionen Akkus hängen stark von der Zusammensetzung des verwendeten Materials in der positiven Elektrode ab. Eine Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften wird durch gezieltes Dotieren des Materials erreicht. Vorhergehende Studien zeigten, dass Magnesium und Aluminium die anfängliche spezifische Kapazität senken, jedoch bleibt die vorhandene Kapazität länger erhalten. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, welche Effekte ein simultanes Dotieren mit Mg und Al bewirkt. Das Material zum Dotieren kann zu verschiedenen Zeitpunkten im Syntheseprozess hinzugefügt werden. Es wird beobachtet, welchen Einfluss der Zeitpunkt der Zugabe auf die Eigenschaften von LiCoO2 hat. Alle Messungen werden für zwei unterschiedliche Li/Co-Verhältnissen durchgeführt. Mit Hilfe von Elektronenmikroskopie (SEM), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) werden Partikelgröße, Oberflächenstruktur, chemische Zusammensetzung und Oxidationszahl untersucht. Um den Oxidationszustand und dessen Änderung unter realen Bedingungen zu messen, wird ein Experiment aufgebaut. Ein vorhandener XAS - Spektrometer wurde um den Aufbau des in-situ Experiments ergänzt. Dieses Experiment wurde erfolgreich durchgeführt und dokumentiert. Eine Verschiebung des XAS-Spektrums von Kobalt für unterschiedliche Ladungszustände (SoC) der Batterie weisen auf eine Änderung des Oxidationszustandes hin. Verringert sich diese Verschiebung des Spektrums nach wiederholtem galvanostatischen Laden und Entladen, so wird dies mit einem Verlust der Kapazität assoziiert. Die Verringerung und der Kapazitätsverlust wurden im Großteil aller Proben gemessen. Darüber hinaus konnte eine Verringerung des Kapazitätsverlustes durch Mg-Dotierung bestätigt werden. Bei Proben mit erhöhtem Li-Anteil gegenüber stöchiometrischer Referenzmaterialien wurde eine erhöhte Kapazität nachgewiesen. Es wurde die Verringerung der anfänglichen Kapazität von sowohl Mg-dotiertem wie auch Mg- und Al-dotiertem LiCoO2 gegenüber reinem LiCoO2 erfolgreich bestätigt. Es ist kein systematischer Anstieg der anfänglichen Kapazität oder Verringerung des Kapazitätsverlustes der doppelt dotierten Materialien gegenüber den Mg-dotierten erkennbar.

The properties of lithium-ion batteries depend very strongly on the characteristics of the positive electrode. Specific doping of the electrode materials can lead to better performance of Li-ion batteries. In literature it has been reported that magnesium and aluminum decrease initial specific capacity, but the capacity fading of doped positive electrodes is decreased. In this work, the effect of Mg and Al co-doping is investigated. The influence of adding the dopants at different stages of the synthesis process on the electrochemical properties of LiCoO2 is studied as well. All measurements are conducted for two Li/Co-ratios. Material properties, such as particle size, surface structure, composition and oxidation state of cobalt are examined using Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS). An in-situ XAS experiment was set up on top of an already existing home-lab built spectrometer. The lab-sized experiment was successfully built, conducted and documented. Energy shift in the XAS spectra of cobalt at different states of charge (SoC) indicate a change of oxidation state [6]. A decrease of this energy shift after galvanostatic cycling is associated with capacity fading. The decrease was successfully measured in a majority of samples. Further, the well-known decrease of capacity fade through Mg-doping from previous work is confirmed. An increase of capacity in Li-rich materials compared to stoichiometric reference materials was demonstrated. A decrease of initial capacity through Mg doping and Mg and Al co-doping of LiCoO2 compared to undoped LiCoO2 was successfully confirmed. There is no systematic increase in rate capability, increase in initial capacity or capacity retention observable for the co-doped materials compared to Mg-doped.