This article deals with properties of cathode material of lithium-ion cells study in term of active layer dependence. Aim of the work is to get familiar with problematics of cathode material production and diagnostics and to compare different active layer production methods. The opening of the work is concentrating on rechargeable batteries, mainly lithium-ion batteries and their electrode materials. Practical part is describing method of cathode material production and its characteristics.

Sammanfattning på svenska: I nutiden, forskning och innovationer båda från akademi och industri försätter för att minska effekterna från klimatförändring. Ett av många viktiga område där utvecklingen fortsätter är litiumjonbatterier (LIB). På grund av den ökade energiförbrukningen i många områden (främst transporter) har ökat fossila bränsleförbrukningar och orsakat behovet av energi att lagras mer. Samhället kan inte bara fokusera på global miljövänlig batteriproduktion för att lösa detta problem. Samtidigt är det nödvändigt att koncentrera på hur man utvärderas begagnade batterierna som vi redan har. Återvinning av litiumjonbatterier har därför börjat få en ökad betydelse. Utmaningar för batteri återvinning är energi kravet för steg på processen och andra processer kan orsaka att skadliga ämnen släpps ut i naturen. Därför är det mycket viktigt att veta hur ett batteri påverkas av interna och externa förändringar från första till sista steget i återvinning och hur detta kommer att påverka de andra stegen. Detta examensarbete fokuserar på lösningsbaserade urladdningssteget i LIB-återvinning och syftar till att hitta den optimal temperatur genom att utforska möjliga förändringar som observerats på katodmaterialet. Inom ramen för projektet planerades temperaturoptimeringsstudien att göras genom att kombinera kemiska förändringar både inom och utanför batteriet i lösningsurladdningen. Detta är med en diskussion om särskilt fokus på att uppnå en hållbar återhämtning och kvaliteten på katodmaterialet. / In today's world, where global warming is felt in every sense, Research & Development (R&D) studies are continuing rapidly both in companies and in research networks to minimize its effects. One of the most important areas where developments continue is on lithium-ion batteries (LIBs). The increased energy consumption in many areas (mainly transportation), has increased fossil fuel consumption and caused the need for energy to be stored more. In this sense, focusing on only global-environmentally friendly battery production is insufficient to solve this problem. At the same time, it is necessary to concentrate on how to evaluate the used batteries that we already have. Therefore, lithium-ion battery recycling has begun to gain importance. Challenges for battery recycling are that some of the processes require energy inputs and others can generate harmful substances that require containment. Therefore, it is very important to know how a battery is affected by internal and external changes from the first to the last stage of recycling and how this will affect the other stages. This master thesis focuses on the solution discharge step in LIB recycling and aims to find the optimum temperature range for the discharge step of LIB recycling by exploration of the possible changes observed on the cathode material. In the scope of the project, the temperature optimization study was done by combining the chemical changes both inside and outside of the battery in the solution discharge. This is with a discussion of a particular focus on achieving a sustainable recovery and the quality of cathode material.

Des progrès dans les batteries aux ions lithium sont en cours de développement afin de répondre, entre autres, à la demande croissante des hautes densités d'énergie et de puissance pour le réseau électrique et en particulier pour l'application dans les véhicules électriques. Ces derniers remplacent écologiquement les véhicules à moteur à combustion interne et leurs succès est principalement dû à leur efficacité énergétique supérieure, à leurs faibles coûts d'exploitation et à leur profil respectueux de l'environnement par rapport aux véhicules à essence. Parmi les différents matériaux de cathode, les composés d'intercalation LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) sont les meilleurs candidats pour des applications dans les batteries aux ions lithium à hautes performances. Des efforts sont en cours pour mettre en oeuvre des matériaux cathodiques à base de NMC riches en nickel pour répondre aux besoins environnementaux et énergétiques. Aussi séduisants soient-ils, ces matériaux de cathode présentent certains inconvénients liés à une forte réactivité, notamment à l'interface avec l'électrolyte. Pour contourner ces problèmes, des modifications de surface sont étudiées comme des solutions accessibles pour protéger le matériau actif et améliorer ses performances. Bien que diverses chimies et stratégies de revêtement soient publiées dans la littérature, notre approche consistant à combiner la synthèse et la modification de surface du matériau actif en une étape est aussi simple qu'efficace. Le présent manuscrit porte sur l’étude de ce composé. Deux méthodes de revêtement de surface ont été étudiées et leur matériau revêtu résultant a été comparé au matériau non revêtu. Après une caractérisation détaillée de ces matériaux, des études électrochimiques ont été menées afin d’évaluer leurs performances. Enfin, notre NMC622 revêtu de LiAlO2 en une seule étape s'est avéré efficace pour contrer la dégradation de la capacité du NMC et pour améliorer la stabilité structurelle des particules, améliorant ainsi leur cycle de vie. / Advances in lithium-ion batteries are being developed in order to meet, among other things, the increasing demand for high energy and power densities for the electric power grid and especially for application in electric vehicles. The latter are a green replacement for internal combustion engine vehicles, and their success is mostly due to their higher energy efficiency, low operating costs and eco-friendliness compared to gasoline-powered vehicles. Among various cathode materials, LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) intercalation compounds are the best candidates for applications in high performance lithium-ion batteries. Efforts are underway to implement nickel-rich NMC-based cathode materials to meet environmental and energy needs. As appealing as they are, these cathode materials present certain drawbacks associated with high reactivity, especially at the interface with the electrolyte. To circumvent these issues, surface modifications are investigated as accessible solutions to protect the active material and enhance its performance. Although various coating chemistries and strategies are published in the literature, our approach of combining synthesis and surface modification of the active material in a single pot is as simple as it is efficient. The following manuscript will be covering the study of this material. Two methods of surface coating were studied, and their resulting coated material was compared to the uncoated material. After a detailed characterization of these materials, electrochemical studies were carried out to evaluate their performance. Finally, our resulting one pot LiAlO2- coated NMC622 has shown to be effective in counteracting NMC capacity degradation and improving the structural stability of the particles, thereby improving their cycle- life.

Dans cette thèse, nous avons effectué une étude de la stabilité thermique de quelques matériaux, utilisés comme cathodes dans les batteries au lithium-ion (BLIs), afin de contribuer à l’amélioration de leur fonctionnement. Deux matériaux, potentiellement prometteurs pour les applications d’envergure des BLIs – telles que les véhicules électriques –, ont été choisis pour cette étude. Il s’agit du phosphate de fer lithié (LiFePO4) et de l’oxyde de nickel et de manganèse de structure-type spinelle (LiMn1.5Ni0.5O4). En plus de l’étude du mécanisme de décomposition de ce dernier, l’effet de la substitution partielle du manganèse dans le matériau original (LiMn2O4) par du nickel sur la réactivité a été mise en évidence. Ces études ont été menées grâce à la calorimétrie adiabatique afin de simuler les conditions thermiques retrouvées dans des BLIs où l’environnement est quasi-adiabatique. L’effet de trois méthodes de synthèse sur la réactivité a été examiné pour LiFePO4. Nos résultats ont montré que, contrairement aux autres matériaux de cathodes, la stabilité thermique globale de LiFePO4 est peu affectée par la méthode de synthèse. Toutefois, cette stabilité intrinsèque dont le LiFePO4 bénéficie ne le met pas à l’abri des conditions d’abus de source externes. Ainsi, nous avons développé une nouvelle classe d’additifs électrolytiques pour la protection de LiFePO4 contre la surcharge. Ces derniers consistent en l’incorporation d’une navette redox dans un liquide ionique; tirant ainsi profit des avantages des deux espèces. Notre approche nous a permis d’atteindre une concentration aussi élevée qu’une mole par litre de notre additif dans des électrolytes conventionnels. Nous avons montré qu’à une concentration optimale de 0.7 M, ces liquides ioniques fonctionnalisés ont assuré la protection de LiFePO4 contre la surcharge pour plus de 200 cycles; et ce, sans affecter ses performances électrochimiques. Finalement, pour ce qui est du deuxième matériau de cathode, nous avons établi un mécanisme de décomposition de LiMn1.5Ni0.5O4 à hautes températures en présence de l’électrolyte. En plus, notre étude a montré que la substitution partielle du manganèse par le nickel dans LiMn2O4 pour augmenter son potentiel opérationnel a affecté à la baisse sa stabilité thermique; et ce, à des températures aussi basses que 60 °C. / In this thesis, we have investigated the thermal stability of cathode materials used in lithium-ion batteries (LIBs). Using accelerating rate calorimetry, the study was carried out on two of the most attractive cathode materials for large scale LIBs; namely, lithium iron phosphate (LiFePO4) and nickel-manganese spinel oxide (LiMn1.5Ni0.5O4). While the impact of partial nickel substitution for manganese in LiMn2O4 was investigated for LiMn1.5Ni0.5O4 along with its decomposition mechanism, the effect of the synthetic method was evaluated for LiFePO4. Our results have demonstrated that the high intrinsic thermal stability of LiFePO4 was only slightly affected by the synthetic method within the three studied routes. In order to enhance the safe operation of this material by providing a protection form electrical abuse during overcharge, we have developed a new class of overcharge protection additives. By combining a redox shuttle with an ionic liquid, we were able, for the first time, to dissolve the additive for protection against overcharge at concentrations up to 1 M in conventional electrolytes for LIBs. Our results have shown an overcharge protection of LiFePO4 for over 200 cycles, using an optimal concentration of 0.7 M, without compromising its electrochemical performances. Finally, by studying the thermal behavior of LiMn1.5Ni0.5O4 at different temperatures, we were able to establish the decomposition mechanism of this material. Moreover, our study has proven that the presence of nickel in LiMn1.5Ni0.5O4, that ensures the high voltage of this cathode material, is also responsible for the very poor thermal stability of this material at temperatures as low as 60 ºC.

The aim of this work is to describe the influence of temperature on the structure and chemical composition of electrode materials for Li-ion accumulators. Theoretical part of this thesis contains described terminology and general issues of batteries and their division. Every kind of battery is provided with a closer description of a specific battery type. A separate chapter is dedicated to lithium cells, mainly Li-ion batteries. Considering various composition of Li-ion batteries, the next subchapters deeply analyzes the most used cathode (with an emphasis on the LiFePO4, LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2) and anode materials (with an emphasis on the Li4Ti5O12). The next chapters describe the used analytical methods: electron microscopy, energy dispersion spectroscopy and thermomechanical analysis. The practical part is devoted to the description of the individual experiments and the achieved results.