Consequences of Combinatorial Studies of Positive Electrodes for Li-ion Batteries

اکسیدهای Li-Co-Mn-Ni به عنوان مواد الکترود مثبت بالقوه برای باتری‌های Li-ion نسل بعدی بسیار مورد توجه بوده‌اند. اگرچه بسیاری از مواد امیدوارکننده کشف و به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، بحث‌های زیادی در مورد ساختار این مواد در ادبیات باقی مانده است. در مورد اینکه آیا مواد لایه‌ای غنی از لیتیوم تک فاز هستند یا یک کامپوزیت لایه‌ای را در مقیاس‌های چند نانومتری تشکیل می‌دهند، اتفاق نظر وجود ندارد. بیشتر این بحث به این دلیل بود که هیچ نمودار فازی برای توصیف این سیستم ها تحت شرایط سنتز مورد استفاده برای ساخت مواد الکترود وجود نداشت. جزئیات در این پایان نامه نمودارهای فازی Li-Co-Mn-O و Li-Mn-Ni-O هستند که از طریق سنتز ترکیبی نمونه های میلی گرم در بیش از پانصد ترکیب مشخص شده با پراش اشعه ایکس تولید شده اند. نمونه‌های حجیم انتخابی برای تأیید اینکه یافته‌ها مربوط به شرایط سنتز مورد استفاده تجاری است، استفاده شد. نتایج به حل تعدادی از نکات سردرگمی و تناقض در ادبیات کمک می کند. در میان یافته‌های مهم دیگر، ترکیب‌ها و شرایط سنتز که باعث ایجاد نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای می‌شوند ارائه شده‌اند و از نتایج الکتروشیمیایی برای نشان دادن چگونگی دستیابی به مواد الکترود بهتر با ساختن نمونه‌ها در مناطق تک‌فاز استفاده می‌شود.

Li-Co-Mn-Ni oxides have been of extreme interest as potential positive electrode materials for next generation Li-ion batteries. Though many promising materials have been discovered and studied extensively, much debate remains in the literature about the structures of these materials. There is no consensus as to whether the lithium-rich layered materials are single-phase or form a layered-layered composite on the few nanometer length-scales. Much of this debate came about because no phase diagrams existed to describe these systems under the synthesis conditions used to make electrode materials. Detailed in this thesis are the complete Li-Co-Mn-O and Li-Mn-Ni-O phase diagrams generated by way of the combinatorial synthesis of mg-scale samples at over five hundred compositions characterized with X-ray diffraction. Selected bulk samples were used to confirm that the findings are relevant to synthesis conditions used commercially. The results help resolve a number of points of confusion and contradiction in the literature. Amongst other important findings, the compositions and synthesis conditions giving rise to layered-layered nano-composites are presented and electrochemical results are used to show how better electrode materials can be achieved by making samples in the single phase-layered regions.