State of the art and open questions on cathode preparation based on carbon coated lithium iron phosphate

One important component with particular relevance in battery performance is the cathode, being one of the main responsible elements for cell capacity and cycle life. Carbon coated lithium iron phosphate, C-LiFePO4, active material is one of the most promising cathode materials for the next generation of large scale lithium ion battery applications and strong research efforts are being devoted to it, due to its excellent characteristics, including high capacity, ~170 mAh/g, and safety. This review summarizes the main developments on C-LiFePO4 based cathode film preparation and performance. The effect of the binder, conductive additive, relationship between active material-binder-conductive additive and drying step, in the electrode film fabrication and performance is presented and discussed. Finally, after the presentation of the cell types fabricated with C-LiFePO4 active material and their performance, some conclusions and guidelines for further investigations are outlined.

High performance screen printable lithium-ion battery cathode ink based on C-LiFePO4

Lithium-ion battery cathodes have been fabricated by screen-printing through the development of CLiFePO4 inks. It is shown that shear thinning polymer solutions in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) with Newtonian viscosity above 0.4 Pa s are the best binders for formulating a cathode paste with satisfactory film forming properties. The paste shows an elasticity of the order of 500 Pa and, after shear yielding, shows an apparent viscosity of the order of 3 Pa s for shear rates corresponding to those used during screen-printing. The screen-printed cathode produced with a thickness of 26 mm shows a homogeneous distribution of the active material, conductive additive and polymer binder. The total resistance and diffusion coefficient of the cathode are 450 V and 2.5 10 16cm2 s 1, respectively. The developed cathodes show an initial discharge capacity of 48.2 mAh g 1 at 5C and a discharge value of 39.8 mAh g 1 after 50 cycles. The capacity retention of 83% represents 23% of the theoretical value (charge and/or discharge process in twenty minutes), demonstrating the good performance of the battery. Thus, the developed C-LiFePO4 based inks allow to fabricate screen-printed cathodes suitable for printed lithium-ion batteries

Hydrogen chloride electrolysis in a polymer-electrolyte-membrane reactor with oxygen-depolarized cathode

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2015

GdBaCo2O5+x layered perovskite as an intermediate temperature solid oxide fuel cell cathode

GdBaCo2O5+x (GBCO) was evaluated as a cathode for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. A porous layer of GBCO was deposited on an anode-supported fuel cell consisting of a 15m thick electrolyte of yttria-stabilized zirconia (YSZ) prepared by dense screen-printing anda Ni–YSZ cermet as an anode (Ni–YSZ/YSZ/GBCO). Values of power density of 150 mW cm−2 at 700◦C and ca. 250 mW cm−2 at 800◦C are reported for this standard configuration using 5% of H2 in nitrogen as fuel. An intermediate porous layer of YSZ was introduced between the electrolyte and the cathode improving the performance of the cell. Values for power density of 300 mW cm−2 at 700◦C and ca. 500 mW cm−2 at 800◦C in this configuration were achieved.

Novel approaches to the synthesis and treatment of cathode materials for lithium-ion batteries

Nous avons mis au point une approche novatrice pour la synthèse d’un matériau de cathode pour les piles lithium-ion basée sur la décomposition thermique de l’urée. Les hydroxydes de métal mixte (NixMnxCo(1-2x)(OH)2) ont été préparés (x = 0.00 à 0.50) et subséquemment utilisés comme précurseurs à la préparation de l’oxyde de métal mixte (LiNixMnxCo(1-2x)O2). Ces matériaux, ainsi que le phosphate de fer lithié (LiFePO4), sont pressentis comme matériaux de cathode commerciaux pour la prochaine génération de piles lithium-ion. Nous avons également développé un nouveau traitement post-synthèse afin d’améliorer la morphologie des hydroxydes. L’originalité de l’approche basée sur la décomposition thermique de l’urée réside dans l’utilisation inédite des hydroxydes comme précurseurs à la préparation d’oxydes de lithium mixtes par l’intermédiaire d’une technique de précipitation uniforme. De plus, nous proposons de nouvelles techniques de traitement s’adressant aux méthodes de synthèses traditionnelles. Les résultats obtenus par ces deux méthodes sont résumés dans deux articles soumis à des revues scientifiques. Tous les matériaux produits lors de cette recherche ont été analysés par diffraction des rayons X (DRX), microscope électronique à balayage (MEB), analyse thermique gravimétrique (ATG) et ont été caractérisés électrochimiquement. La performance électrochimique (nombre de cycles vs capacité) des matériaux de cathode a été conduite en mode galvanostatique.

A detailed study of the lithiation of iron phosphate as well as the development of a novel synthesis of lithium iron silicate as cathode material for lithium-ion batteries

Dans cette thèse nous démontrons le travail fait sur deux matériaux de cathodes pour les piles lithium-ion. Dans la première partie, nous avons préparé du phosphate de fer lithié (LiFePO4) par deux méthodes de lithiation présentées dans la littérature qui utilisent du phosphate de fer (FePO4) amorphe comme précurseur. Pour les deux méthodes, le produit obtenu à chaque étape de la synthèse a été analysé par la spectroscopie Mössbauer ainsi que par diffraction des rayons X (DRX) pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Les résultats de ces analyses ont été publiés dans Journal of Power Sources. Le deuxième matériau de cathode qui a été étudié est le silicate de fer lithié (Li2FeSiO4). Une nouvelle méthode de synthèse a été développée pour obtenir le silicate de fer lithié en utilisant des produits chimiques peu couteux ainsi que de l’équipement de laboratoire de base. Le matériau a été obtenu par une synthèse à l’état solide. Les performances électrochimiques ont été obtenues après une étape de broyage et un dépôt d’une couche de carbone. Un essai a été fait pour synthétiser une version substituée du silicate de fer lithié dans le but d’augmenter les performances électrochimiques de ce matériau.

Low cost synthesis of cathode and anode materials for lithium-ion batteries

Dans cette thèse, nous démontrons des travaux sur la synthèse à faible coût des matériaux de cathode et l'anode pour les piles lithium-ion. Pour les cathodes, nous avons utilisé des précurseurs à faible coût pour préparer LiFePO4 et LiFe0.3Mn0.7PO4 en utilisant une méthode hydrothermale. Tout d'abord, des matériaux composites (LiFePO4/C) ont été synthétisés à partir d'un précurseur de Fe2O3 par une procédé hydrothermique pour faire LiFePO4(OH) dans une première étape suivie d'une calcination rapide pour le revêtement de carbone. Deuxièmement, LiFePO4 avec une bonne cristallinité et une grande pureté a été synthétisé en une seule étape, avec Fe2O3 par voie hydrothermale. Troisièmement, LiFe0.3Mn0.7PO4 a été préparé en utilisant Fe2O3 et MnO comme des précurseurs de bas coûts au sein d'une méthode hydrothermale synthétique. Pour les matériaux d'anode, nous avons nos efforts concentré sur un matériau d'anode à faible coût α-Fe2O3 avec deux types de synthèse hydrothermales, une a base de micro-ondes (MAH) l’autre plus conventionnelles (CH). La nouveauté de cette thèse est que pour la première fois le LiFePO4 a été préparé par une méthode hydrothermale en utilisant un précurseur Fe3+ (Fe2O3). Le Fe2O3 est un précurseur à faible coût et en combinant ses coûts avec les conditions de synthèse à basse température nous avons réalisé une réduction considérable des coûts de production pour le LiFePO4, menant ainsi à une meilleure commercialisation du LiFePO4 comme matériaux de cathode dans les piles lithium-ion. Par cette méthode de préparation, le LiFePO4/C procure une capacité de décharge et une stabilité de cycle accrue par rapport une synthétisation par la méthode à l'état solide pour les mêmes précurseurs Les résultats sont résumés dans deux articles qui ont été récemment soumis dans des revues scientifiques.

Photoemission optogalvanic effect near the instability region of a hollow cathode discharge

The photoemission optogalvanic (POG) effect has been investigated in a neon-neodymium hollow cathode discharge using cw laser excitation. Both positive and negative effects were observed. It was found that the amplitude of the POG signal was unstable near the instability region of the discharge.

The photoemission optogalvanic effect in a Ne-Nd hollow cathode

Laser-induced photoelectric and photoemission optogalvanic effects in a Ne-Nd hollow cathode discharge have been studied using a continuous wave laser source. The potential barrier for photoinduced electron emission from the cathode decreases as the applied voltage is increased. Owing to secondary electron emission in the plasma, the photocurrent is greater than that without discharge. The multiplication of secondary electrons and the quantum efficiency are also investigated.

Subcritical Hopf bifurcation in Ne-Nd hollow cathode discharge

We report the experimental observation of subcritical Hopf bifurcation and the existence of non-oscillating “windows” in the dynamics of a Ne-Nd hollow cathode discharge current as the control parameter.

Modification of spectral characteristics and optogalvanic response in neon hollow cathode under laser excitation

The changes in emission characteristics of a neon hollow cathode discharge by resonant laser excitation of 1s 5→2p 2 and 1s 5→2p 4 transition have been studied by simultaneously monitoring the optogalvanic effect and the laser induced fluorescence. It has been observed that resonant excitation causes substantial variation in the relative intensities of lines in the emission spectrum of neon discharge.

Structural, electrical and electrochemical characterization of high frequency magnetron sputtered spinel oxide cathode films for lithium ion battery applications

The main challenges in the deposition of cathode materials in thin film form are the reproduction of stoichiometry close to the bulk material and attaining higher rates of deposition and excellent crystallinity at comparatively lower annealing temperatures. There are several methods available to develop stoichiometric thin film cathode materials including pulsed laser deposition; plasma enhanced chemical vapor deposition, electron beam evaporation, electrostatic spray deposition and RF magnetron sputtering. Among them the most versatile method is the sputtering technique, owing to its suitability for micro-fabricating the thin film batteries directly on chips in any shape or size, and on flexible substrates, with good capacity and cycle life. The main drawback of the conventional sputtering technique using RF frequency of 13.56MHz is its lower rate of deposition, compared to other deposition techniques A typical cathode layer for a thin film battery requires a thickness around one micron. To deposit such thick layers using convention RF sputtering, longer time of deposition is required, since the deposition rate is very low, which is typically 10-20 Å/min. This makes the conventional RF sputtering technique a less viable option for mass production in an economical way. There exists a host of theoretical and experimental evidences and results that higher excitation frequency can be efficiently used to deposit good quality films at higher deposition rates with glow discharge plasma. The effect of frequencies higher than the conventional one (13.56MHz) on the RF magnetron sputtering process has not been subjected to detailed investigations. Attempts have been made in the present work, to sputter deposit spinel oxide cathode films, using high frequency RF excitation source. Most importantly, the major challenge faced by the thin film battery based on the LiMn2O4 cathode material is the poor capacity retention during charge discharge cycling. The major causes for the capacity fading reported in LiMn2O4cathode materials are due to, Jahn-Teller distortion, Mn2+ dissolution into the electrolyte and oxygen loss in cathode material during cycling. The work discussed in this thesis is an attempt on overcoming the above said challenges and developing a high capacity thin film cathode material.

Setting the preheating and steady-state operation of electronic ballasts, considering electrodes of hot-cathode fluorescent lamps

This paper presents a new methodology for the adjustment of the preheating process and steady-state operation of electronic ballasts intended for hot-cathode fluorescent lamps. The classical series-resonant parallel-loaded half-bridge inverter is the power stage analyzed in this paper. In addition, the preheating process is based on the imposition of a constant rms current through the electrodes, in order to provide a proper value of the R-h/R-c ratio before the lamp start. According to the proposed methodology, it is possible to set suitable operating points for, the electronic ballast, considering optimal conditions for the lamps electrodes. Therefore, the proposed methodology for setting the preheating and steady-state operation is a complete platform to the design of electronic ballasts for hot-cathode fluorescent lamps.

Development and testing of anode-supported solid oxide fuel cells with slurry-coated electrolyte and cathode

A laboratory setup was designed and put into operation for the development of solid oxide fuel cells (SOFCs). The whole project consisted of the preparation of the component materials: anode, cathode and electrolyte, and the buildup of a hydrogen leaking-free sample chamber with platinum leads and current collectors for measuring the electrochemical properties of single SOFCs. Several anode-supported single SOFCs of the type (ZrO(2):Y(2)O(3)+NiO) thick anode/(ZrO(2):Y(2)O(3)) thin electrolyte/(La(0.65)Sr(0.35)MnO(3)+ZrO(2):Y(2)O(3)) thin cathode have been prepared and tested at 700 and 800 degrees C after in situ H(2) anode reduction. The main results show that the slurry-coating method resulted in single-cells with good reproducibility and reasonable performance, suggesting that this method can be considered for fabrication of SOFCs. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Electrode surface modifications improve cathode hydrogen production and anode capacity in Ni-MH batteries

This paper reports results from electrochemical evaluations of electrodes used as cathodes for a hydrogen evolution reaction and anodes in Ni-MH batteries that had been surface-modified by micro-encapsulation, co-deposition and sol-gel methods. The surface modifications produced actual improvements in the corresponding electrochemical reactions by enhancing the performance and/or the mechanical stability of the electrode material. (c) 2005 International Association for Hydrogen Energy. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.