University of Oulu

Thermal stability of chemical compounds used in lithium-ion batteries

Saved in:
Author: Hietaniemi, Marianna1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Science, Chemistry
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 0.9 MB)
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201512032229
Language: English
Published: Oulu : M. Hietaniemi, 2015
Publish Date: 2015-12-08
Physical Description: 40 p.
Thesis type: Master's thesis
Tutor: Lassi, Ulla
Räsänen, Samuli
Reviewer: Lassi, Ulla
Välikangas, Juho
Description:
Lithium-ion batteries (LIBs) are the most common type of commercial rechargeable batteries. They are used in small scale battery applications such as mobile phones and laptops, and in larger scale applications such as electric vehicles. The current rechargeable LIBs are mostly established in use and their composition is usually very similar to the batteries first brought to market by Sony in 1991. This composition uses lithium cobalt oxide cathode, graphite anode, electrolyte consisting of a lithium salt dissolved in organic solvent and polyvinylidene fluoride as binder on the electrodes. The popularity of lithium ion batteries is explained by the fact that they currently have the best performance of commercially viable solutions. Unfortunately they also have well reported safety problems. LIBs have a propensity to undergo thermal runaway if subjected to impact, high temperatures or overcharge. Thermal runaway is a situation where an exothermic reaction is started in the cell, and the heat generated is enough to trigger a series of new exothermic reactions. Thermal runaway may lead to battery fire or even explosion. Accidents caused by thermal runaway have led to strict safety guidelines in use, transportation and disposal of LIBs. On top of the current problems in the commercial LIBs, research aims for ever higher energy densities to allow for smaller electronics, and to reduce the weight of battery packs. Especially the commercialization of electric vehicles demands battery solutions, where the power and charge life time are significantly increased. Changing battery chemistry or voltage to increase energy density may lead to batteries having more volatile chemistry and increase the potential for violent exothermic reactions. The literary portion of this thesis uses several scientific articles to describe the basic concepts of rechargeable lithium ion batteries and the chemistry that is most common in commercially produced LIBs. The reasons and reactions which lead to thermal runaway are studied. Ways, in which individual cell components participate during thermal runaway, and variables of the battery that influence thermal runaway process are identified. Several alternative chemical components, that have either been studied or are in commercial use to create LIBs that are not susceptible to thermal runaway, are listed. Finally the theory behind differential scanning calorimetry has been explained and its use in scientific studies investigating the thermal stability of battery chemicals has been discussed. It was noted that the susceptibility of LIBs to thermal runaway is caused mostly by the combination of graphite anode with organic solvent based electrolyte. The potential of carbon anodes is too low to fit in the electrochemical stability window of organic solvent based electrolytes, and the electrolyte can decompose on the anode. Thermal runaway usually begins on the anode. The order of reactions may differ depending on whether thermal runaway was caused by heat, physical impact or overcharge. Most notable reactions contributing to the heat generated during thermal runaway were found to be the electrolyte decomposition on anode, intercalated lithium reacting with binder on the anode and cathode material decomposition, which releases oxygen and leads to electrolyte combustion. Safety of anode can be improved by using anode material with potential which fits in to the electrochemical stability window of the organic solvent based electrolytes, or by using anode with smaller surface area. Cathode safety can be improved by using materials with high thermal decomposition temperature, or using a material that does not release oxygen while it decomposes. All of the non-flammable electrolytes proposed in literature were found to have their own draw-backs and none are commercially viable at the moment.
see all

Suurin osa uudelleenladattavista litiumioniakuista valmistetaan käyttäen kemiallista kokoonpanoa, jonka Sony toi markkinoille vuonna 1991. Siinä katodina toimii litiumkobolttioksidi, anodina grafiitti, elektrolyyttinä litiumsuola orgaanisessa liuottimessa ja elektrodit on koottu käyttäen sidosaineena polyvinylideenifluoridia. Tähän kemiaan perustuvat akut ovat vakiintuneet käyttöön erityisesti pienelektroniikkalaitteiden, kuten matkapuhelinten ja kannettavien tietokoneiden energianlähteinä. Terminen ketjureaktio on tunnettu turvallisuusriski kyseisen kaltaisissa litiumioniakuissa. Termisellä ketjureaktiolla tarkoitetaan tilannetta, jossa akussa käynnistyy eksoterminen reaktio, joka nostaa lämpötilaa tarpeeksi laukaistakseen sarjan uusia eksotermisiä reaktioita. Akkuun kohdistuva isku, korkea lämpötila tai ylilataaminen voivat käynnistää tämän prosessin. Terminen ketjureaktio voi saada aikaan tulipalon tai jopa räjähdyksen. Yksi akkututkimuksen tavoitteista on kehittää entistä energiatiheämpiä uudelleenladattavia akkuja. Erityisesti täysin sähköllä toimivien ajoneuvojen markkinoille saattaminen vaatii kehitystä ladattavilta akkusysteemeiltä. Sähköautossa akun tehon ja latauksen täytyy riittää maantieajoon, mutta akkusysteemin koon ja painon täytyy pysyä henkilöautoon mahtuvissa rajoissa. Energiatiheyttä voidaan kasvattaa helpoimmin akun jännitettä kasvattamalla. Jännitteen kasvattaminen voi kuitenkin tehdä systeemistä entistä alttiimman termiselle ketjureaktiolle. Samoin kennon komponenttien vaihtaminen parempien ominaisuuksien saavuttamiseksi voi johtaa arvaamattomiin reaktioihin, jotka tekevät akusta vaarallisen. Kirjallisuustutkielmassa on kuvattu kaupallisten uudelleenladattavien litiumioniakkujen yleisin kemia, tarkasteltu artikkelijulkaisujen avulla termisen ketjureaktion alkamissyitä sekä reaktioita, jotka tapahtuvat sen aikana. Lisäksi on selvitetty miten yksittäiset akkukomponentit osallistuvat termisen ketjureaktion kulkuun. Sen jälkeen on koottu tutkimustuloksia siitä, millaisia vaihtoehtoisia anodi-, katodi- ja elektrolyyttikemikaaleja on kehitteillä tai kaupallisessa käytössä yleisimpien kemikaalien tilalla. Lopuksi on kuvattu miten tieteellisissä artikkeleissa on hyödynnetty differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa uusien akkukemikaalien termisen stabiilisuuden arvioimiseen. Yleisimpien kemikaalien korvaamisen termisesti stabiileimmilla materiaaleilla todettiin vähentävän akun haavoittuvuutta termiselle ketjureaktiolle. Termisen ketjureaktion todettiin yleensä alkavan anodilta, koska grafiittianodin potentiaali on matalampi kuin orgaanisesta liuottimesta koostuvan elektrolyytin elektrokemiallinen stabiilisuus sallii. Eniten lämpöä tuottavat reaktiot termisessä ketjureaktiossa ovat elektrolyytin hajoaminen anodilla, sidosaineen reagoiminen litiumin kanssa anodilla ja katodin hajoaminen. Elektrolyytin hajoamisen yhteydessä syntyy palavia kaasuja jotka luovat painetta ja katodin hajoamisen yhteydessä vapautuu happea, joka mahdollistaa akun syttymisen palamaan. Anodireaktioita voidaan rajoittaa käyttämällä anodia jonka potentiaali mahtuu elektrolyytin elektrokemialliseen stabiilisuusikkunaan tai jolla on pienempi pinta-ala. Katodin turvallisuutta voidaan parantaa käyttämällä materiaalia, jolla on korkea lämpötilankestävyys, tai joka ei vapauta happea hajotessaan. Nykyisille elektrolyyteille ei vielä ole kehitetty toimivaa palamatonta vaihtoehtoa.
see all

Subjects:
Copyright information: © Marianna Hietaniemi, 2015. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.