Hydroxide co-precipitation synthesis of NMC955 precursor material for lithium-ion batteries

Abstract

The number of batteries used and the performance requirements from them are increasing as the world moves away from fossil fuels towards a more sustainable future. Some of the significant applications for batteries are electric vehicles, energy storage systems and small electronics. Research into battery technologies has been going on for a significant time now and currently lithium-ion batteries are a subject of interest in many fields. Battery materials are one of the main subjects of study and they play a significant role in a battery’s performance. While trying to achieve good performance, we are also trying to move away from toxic materials such as cobalt. This has led to one of the most promising materials being Ni-rich transition metal compounds such as NMC. Research is focusing on the methods of creating these compounds through synthesis. The method used and the conditions during it greatly affect the properties of the material. In this thesis previous research is reviewed regarding material compositions and synthesis methods. For NMC955 precursor, one of the favored synthesis methods is hydroxide co-precipitation. The effect of synthesis parameters is studied in a laboratory setting. NMC955 precursors are synthesized and then analyzed using scanning electron microscopy and x-ray diffraction. It is found that a decrease in ammonia concentration corresponds to a smoother particle surface. An increase in stirring speed and synthesis time leads to more uniform round particles. Analysis results from XRD show that most of the structures in the synthesis products are correct. Relatively large crystal size is also confirmed. It is also noted that carefully planning regarding the change in synthesis parameters is vital for accurate results of the synthesis.

Fossiilisista polttoaineista luopuminen kestävämmän tulevaisuuden tavoittelemiseksi on johtanut akkujen tarpeen kasvuun sekä niiden suorituskyvyltä vaaditaan enemmän. Huomattavia akkujen käyttökohteita ovat sähköautot, energiavarastot sekä pienelektroniikka. Akkuteknologian tutkimus on ollut käynnissä jo merkittävän ajan ja tällä hetkellä litium ioni akut ovat keskeisessä asemassa monella saralla. Akkumateriaalit ovat yksi tutkimuksen keskeisiä aihealueita, sillä ne vaikuttavat huomattavasti akkujen suorituskykyyn. Tehokkaampien akkujen lisäksi tavoitteena on luopua haitallisista materiaaleista kuten koboltista. Tämän takia kiinnostavimpia materiaaleja ovat muun muassa suuren nikkeli pitoisuuden materiaalit kuten NMC. Tutkimus keskittyy näiden materiaalien tuottamiseen synteesimetodeilla. Käytetty metodi ja sen olosuhteet vaikuttavat huomattavasti materiaalin ominaisuuksiin. Tässä työssä kootaan yhteen aikaisempaa tutkimusta materiaaleista sekä synteesimetodeista. Yksi paremmista metodeista NMC955:en esiasteen tuottamiseen on hydroksidilaskeutus. Synteesi olosuhteiden vaikutusta tutkitaan laboratorio olosuhteissa. NMC955 esiaste syntetisoidaan ja sitä tutkitaan pyyhkäyselektronimikroskopiaa ja röntgensädediffraktiota käyttäen. Tulosten perusteella todetaan, että ammoniakki konsentraation laskeminen johtaa tasaisempaan partikkelien pintaan. Sekoitusnopeuden sekä synteesiajan nostaminen puolestaan johtaa pyöreämpiin partikkeleihin sekä lisää niiden samankaltaisuutta. XRD tulosten mukaan synteesituotteiden rakenteet ovat halutun laisia. Huomataan myös, että synteesiparametrien muuttamisen tarkka suunnittelu on tärkeää tarkkojen tulosten saamiseksi.