Projekt

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Interphase formation on high voltage and energy Li-ion cathodes

Gesuchsteller/in Jämstorp Berg Erik Carl Gustav
Nummer 160540
Förderungsinstrument Ambizione Energie
Forschungseinrichtung Labor für Elektrochemie Paul Scherrer Institut
Hochschule Paul Scherrer Institut - PSI
Hauptdisziplin Physikalische Chemie
Beginn/Ende 01.10.2015 - 30.09.2018
Bewilligter Betrag 896'238.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Physikalische Chemie
Chemische Verfahrenstechnik

Keywords (8)

Li-ion; Cathodes; Electrochemistry; Electrolytes; Batteries; Storage; Characterization; Interphases

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Künftige Generationen von Li-Ionenakkumulatoren basieren auf Kathoden, die über hohe Arbeitsspannung und Energiedichte verfügen. Die Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt stellen die aktuelle Forschung dabei vor eine Vielzahl von Herausforderungen. Komplexe chemische Prozesse an diesen Grenzflächen beeinflussen sowohl die Speicherkapazität als auch die Lebensdauer und die Sicherheit der Akkumulatoren wesentlich. Einige dieser Prozesse, wie z.B. Elektrolytzersetzung, Gasbildung, Filmbildung und oberflächennahe Rekonstruktion, erhöhen deutlich den irreversiblen Kapazitätsverlust, die Impedanz und den Innendruck der Akkumulatoren. Um diese unerwünschten Nebenreaktionen erfolgreich zu identifizieren und einzudämmen, ist sowohl hochspezialisierte Oberflächencharakterisierung als auch rationelles Grenzflächen-Design erforderlich.
Lay summary

Das Ziel des Projektes ist es, ein grundlegendes Verständnis für die Beziehung zwischen Struktur, Zusammensetzung und Funktion von Kathodengrenzflächen zu erlangen, um basierend darauf künftige Batterietechnologien mit erhöhter Energieeffizienz, längerer Lebensdauer, höherer Leistungsfähigkeit und Sicherheit entwickeln zu können. Das Projekt stützt sich auf zwei Grundpfeiler: die hochspezialisierte, spektroskopische Oberflächencharakterisierung von Akkumulatoren während des Betriebs sowie das rationelle Design von Grenzflächen mit Hilfe von anorganischen Elektrodenbeschichtungen und Elektrolytzusätzen.

Das Verständnis der untersuchten physikalischen Prozesse kann  im Prinzip auf jede elektrochemische Zelle angewendet werden. Daher sind die zu erwartenden Ergebnisse auch für eine Vielzahl anderer elektrochemischen Systeme, wie zum Beispiel Superkondensatoren oder Brennstoffzellen, von grossem Nutzen. Aus ökologischer und gesellschaftlicher Perspektive gibt es eine dringende Notwendigkeit, den Übergang von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien (z.B. Sonne, Wind, etc.) voranzutreiben. Der Erfolg dieses Übergangs hängt wesentlich davon ab, dass weitere Fortschritte im Bereich der Energiespeicherung erzielt werden. Lithium-Ionen-Akkumulatoren spielen in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle,  weil sie als Energieträger für erneuerbaren Energien unverzichtbar sind, insbesondere im Hinblick auf die hohen Ansprüche an Leistungsabgabe und Speicherkapazität im Bereich der Elektromobilität.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 15.09.2015

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Operando Monitoring of Early Ni-mediated Surface Reconstruction in Layered Lithiated Ni–Co–Mn Oxides
Streich Daniel, Erk Christoph, Guéguen Aurelie, Müller Philipp, Chesneau Frederick-Francois, Berg Erik J. (2017), Operando Monitoring of Early Ni-mediated Surface Reconstruction in Layered Lithiated Ni–Co–Mn Oxides, in The Journal of Physical Chemistry C, 121(25), 13481-13486.
Triggering the In Situ Electrochemical Formation of High Capacity Cathode Material from MnO
Zhang Leiting, Chen Guohua, Berg Erik J., Tarascon Jean-Marie (2017), Triggering the In Situ Electrochemical Formation of High Capacity Cathode Material from MnO, in Advanced Energy Materials, 7(8), 1602200-1602200.
Electrochemical and Chemical Modifications of Electrode Surfaces and Interphases for Li-ion Batteries
Sun Bing, Jästorp Berg Erik (2017), Electrochemical and Chemical Modifications of Electrode Surfaces and Interphases for Li-ion Batteries, in Reedijk Jan (ed.), Elsevier, Amsterdam, Holland, 1.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Prof. L. Nazar / University of Waterloo Kanada (Nordamerika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
Prof. E. Frackowiak / Technical University of Poznan Polen (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
BASF SE Deutschland (Europa)
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
- Industrie/Wirtschaft/weitere anwendungs-orientierte Zusammenarbeit
Prof. J. Janek / University of Giessen Deutschland (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
Prof. H. Gasteiger / TU München Deutschland (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
Prof. JM. Tarascon / College de France Frankreich (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
Prof. D. Aurbach / Bar-Ilan University Israel (Asien)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
The 232nd Electrochemical Society Fall Meeting Vortrag im Rahmen einer Tagung Unveiling Irreversible Side-Reactions in Li-ion Batteries with Online Electrochemical Mass 03.10.2017 National Harbor, MD, Vereinigte Staaten von Amerika Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
The 232nd Electrochemical Society Fall Meeting Vortrag im Rahmen einer Tagung Electrochemical Degradation Processes of Solid Polymer Electrolytes in Li-ion Batteries: An Online Electrochemical Mass Spectrometry (OEMS) Study 03.10.2017 National Harbor, MD, Vereinigte Staaten von Amerika Sun Bing; Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
The 268th Annual International Society of Electrochemistry Meeting Vortrag im Rahmen einer Tagung In Situ Monitoring of F- Formation in Lithium Ion Batteries by OEMS 28.08.2017 Providence, Vereinigte Staaten von Amerika Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
Heraeus-Seminar “in-operando characterization of energy materials” Vortrag im Rahmen einer Tagung Electrode/Electrolyte Stability in Li-Ion Batteries: Operando Gas Analysis 24.08.2017 Bad Honnef, Deutschland Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
The 8th Lithium-ion Battery Discussions Poster Operando single-particle Raman spectroscopy of NCA based Li-ion positive electrodes 11.06.2017 Arcachon, Frankreich Flores Cedeno Eibar Joel;
The 8th Lithium-ion Battery Discussions Poster Interfacial reactions in Li-ion batteries investigated by combining Electrochemical Quartz Crystal Microbalance and Electrochemical Impedance Spectroscopy 11.06.2017 Arcachon, Frankreich Kitz Paul Georg Rainer Maria;
Seminar at the Department of Physics, Chalmers Technical University Einzelvortrag Advanced characterization of interfaces in Li-ion batteries 07.04.2017 Chalmers Technical University, Gothenburg, Schweden Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
Swiss-Japanese Workshop "Hydrogen Technology and Energy Storage" Vortrag im Rahmen einer Tagung Electrode/Electrolyte Stability in Li-ion Batteries: Operando Gas Analysis 05.10.2016 Tokyo, Japan Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
Invited talk, Department of Structural Chemistry Einzelvortrag Development and application of operando gas analysis for Lithium based rechargeable batteries 26.09.2016 Uppsala University, Schweden Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
18th International Meeting on Lithium Batteries Poster In Situ Gas Analysis of Li-Ion Ni x Co y Mn z Cathode Interface Reactivity 19.06.2016 Chicago, IL, Vereinigte Staaten von Amerika Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
Invited talk, Chair of Chemistry of Materials and Energy Einzelvortrag Development and Application of Online Electrochemical Mass Spectrometry (OEMS) 13.05.2016 College de France, Frankreich Jämstorp Berg Erik Carl Gustav;
RAMAN MICROSCOPY - A strong tool for chemical imaging Einzelvortrag Combined in operando raman and IR microscopy for Li-ion batteries 03.02.2016 ETHZ, Schweiz Flores Cedeno Eibar Joel;


Abstract

The most promising candidates for next generation Li-ion battery cathode materials mainly include the transition metal oxides LixMOy and LiMPO4 olivine structures. The key challenge of these cathodes resides at the electrode/electrolyte interphase, which during cycling develop a complex chemistry, strongly affecting the energy, life-time and safety of the cells. Surface related processes, such as electrolyte decomposition, gas evolution, film formation and electrode near-surface reconstruction considerably increase the irreversible capacity loss, impedance and internal pressure of the cells. Therefore, in order to successfully identify and mitigate these adverse side-reactions, a twofold approach is required: advanced in-situ characterization followed by rational interphase design. The characterization approach is centered on three techniques, Raman/FTIR microscopy (RFM), Differential Electrochemical Mass Spectrometry (DEMS) and Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (EQCM-D), which all are ideally suited to be coupled with electrochemistry in-situ. RFM is well established at Paul Scherrer Institut (PSI) to non-destructively study battery materials under operation by spatially resolving the local structure/composition (mapping) of the solid/liquid interphase. At PSI, a unique DEMS set-up for rechargeable Li-ion batteries has been developed to detect electrochemically induced volatile side-products with high sensitivity, thus enabling a mechanistic understanding of reactions associated with electrolyte/electrode interactions. An EQCM with the extension of measurements to higher harmonics and including dissipation (-D) is not yet developed, but would allow critical information on mass, thickness, compositional change, rigidity and viscoelasticity of the electrode/electrolyte interphase to be obtained. In support, complementary electrochemical or spectroscopic techniques, such as hydrodynamic voltammetry, scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) will be employed. Particular emphasis would be placed on exploiting synchrotron based techniques, such as X-ray absorption/emission spectroscopy or microscopy (PEEM) and ambient pressure XPS. A rational interphase design includes the fabrication of typical porous Li-ion battery electrodes as well as flat model electrodes (e.g. necessary for EQCM-D) followed by their surface modification, either by post-synthesis processing or electrolyte additives during cycling. Post-processing is mainly based on heat/acid treatment and/or advanced thin-layer surface coatings (ALD / PLD) of selected cathode materials before cell assembly. Surface-active electrolyte additives can increase the cathode/electrolyte interphase stability during operation of the cell, e.g. by protective film-formation, although the governing mechanisms are largely unknown. In conclusion, by advanced characterization and systematic surface modification, the adverse surface side-reaction processes of high voltage and energy Li-ion battery cathodes can be both identified and mitigated, thus a major leap forward in both our fundamental understanding as well as the commercial realization of high-performance electrochemical energy storage would be achieved.
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