Yaşlanmanın Ticari Lifepo4 Katot Malzemesı Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, düğme tipi (saat pili) ve üç elektrotlu elektrokimyasal empedans spektroskopi (EIS) ölçümlerine olanak sağlayan Swagelok T tipi LiFePO4/Grafit lityum iyon pilleri kullanılarak farklı cevrim sayılarının ve farklı cevrim parametrelerinin (voltaj, akım ve sıcaklık) kullanıldığı galvanostatik cevrim testleri ile LiFePO4 katot malzemesinin yaslanma davranışı incelenmiştir. Bu cevrim testlerinden sonra pilin ve LiFePO4 katot malzemesinin empedanslarındaki değişimleri incelemek için EIS ölçümlerinden yararlanılmıştır. EIS ölçümlerini takiben LiFePO4 katot malzemesi üzerinde gerçekleştirilen bir dizi karakterizasyon analizi ( Raman, XRD ve SEM) ile yaslanmanın LiFePO4 üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yapılan bu çalışımlar sonucu; yüksek şarj ve deşarj akımlarının katot malzemesinin ulaşabildiği kapasite değerlerini ve kapasite düşüş karakteristiğini olumsuz yönde etkilediği anlaşılmış ve kapasite düşüşündeki ana etkenin lityum iyon batarya içerisindeki aktif lityum iyon miktarındaki azalma olduğu belirlenmiştir. Lityum iyon bataryanın toplam empedansındaki en büyük katkının katot malzemesi kaynaklı olduğu fakat çevrimler sonrası meydana gelen empedans artışında katot malzemesinin rolünün diğer bileşenlere göre daha az olduğu anlaşılmıştır. Bir cevrim süresince meydana gelen LiFePO4 ile FePO4 arasındaki çift taraflı faz dönüşümlerinin kristal kafeste değişikliklere yol açtığı fakat artan çevrim sayısının LiFePO4 kristal yapısında fazla bir değişikliğe yol açmadığı buna karşın çok kullanım süresince çok sayıda tekrarlanan bu faz dönüşümlerinin aktif malzemede iç gerilmelere ve yorulmaya yol açabileceği bununda cevrim testlerinden sonra gerçekleştirilen karakteriyaszon analizleri sonucu LiFePO4 partiküllerinde gözlemlenen mikro çatlakların, yüzey bozulmalarının ve katot yüzeyindeki karbon kaplamadaki kalite düşüşünün nedeni olabileceği kanısına varılmıştır. Buna ilaveten sıcaklık artışının katot malzemesinin ulaşabileceği maksimum kapasiteyi artırıcı etkisi olduğu fakat aynı zamanda kapasite düşüşünü ve empedans artışını tetiklediği görülmüştür.

In this study, galvanostatic cycle tests having different number of cycles have been carried out using coin cells and Swagelok T cells, which have been used to make three-electrode electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements, in order to clarify the ageing effects on a commercial LiFePO4 cathode material. Also, cycle tests using different cycling parameter (current, voltage, and ambient temperatures) have been performed to identify the effects of these parameters on capacity fading. After cycle tests, EIS measurements have been conducted to determine impedance changes in the lithium ion battery and on the cathode material. After cycle tests and EIS measurements, a series of qualitative analysis (XRD, Raman, and SEM) have been conducted on the LiFePO4 cathode material. After all these measurements; high charge current was found to affect the reachable capacity and capacity fading characteristic profoundly. Additionally, loss of cyclable lithium was found to be the main reason for capacity fading during ageing, followed by accelerated deformation of the LiFePO4 cathode material and the deformation of carbon coating towards the end of the cycle tests. The LiFePO4 cathode material was found as the main reason for impedance of the lithium ion batteries. On the other hand, Swagelok T cells measurements was indicated an impedance increase of lithium ion batteries after cycle tests is not directly related with the LiFePO4. In addition, temperature rise was observed as activator to increase rechargeable capacity but it leads to an increment of impedance and capacity fading at the same time.