Yang, Seungwon;Kim, Nayeon;Kim, Eunsae;Lim, Minhong;Park, Joonam;Song, Jihun;Park, Sunho;Appiah, Williams Agyei;Ryou, Myung-Hyun;Lee, Yong Min
Journal of the Korean Electrochemical Society
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v.22
no.1
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pp.43-52
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2019
As the application area of lithium secondary batteries becomes wider, performance characterization becomes difficult as well as diverse. To address this issue, battery manufacturers have to evaluate many batteries for a longer period, recruit many researchers and continuously introduce expensive equipment. Simulation techniques based on battery modeling are being introduced to solve such difficulties. Various lithium secondary battery modeling techniques have been reported so far and optimal techniques have been selected and utilized according to their purpose. In this review, the electrochemical modeling based on the Newman model is described in detail. Particularly, we will explain the physical meaning of each equation included in the model; the Butler-Volmer equation, which represents the rate of electrode reaction, the material and charge balance equations for each phase (solid and liquid), and the energy balance. Moreover, simple modeling processes and results based on COMSOL Multiphysics 5.3a will be provided and discussed.
The rapid increase in energy consumption based on fossil fuels is accelerating global warming. In particular, the road transportation sector has high carbon dioxide emissions, so transitioning towards electric vehicles is recommended. Thus, the importance of secondary batteries is increasing. Secondary batteries are reversible batteries that use energy and can be reused through a charging and discharging process. Currently, lithium-ion batteries are widely used. Secondary batteries place importance on six major factors: energy, output, lifespan, environmental friendliness, cost, and stability. Research is actively being conducted to satisfy all six factors by understanding the material characteristics of each component of the battery. As it is difficult to move away from lithium as a cathode material, researchers are investigating higher performance materials that mix materials such as cobalt, nickel, manganese, and aluminum with lithium and use graphite, silicon, and lithium metal to increase capacity. In the case of electrolytes, liquid electrolytes are still mainly used. However, solid electrolytes are being studied due to their stability, but additional research must be conducted to satisfy the energy and output factors. This review paper aims to provide an understanding of secondary batteries through an overview of secondary batteries, the materials and characteristics of their components, their technological trends, and their associated companies.
A new anode composition material comprising of SiO and Graphite has been prepared by adopting High energy ball milling (HEBM) technique. The anode material shows high initial charge and discharge capacity values of 1139 and 568 mAh/g, respectively. The electrode sustains reversible discharge capacity value of 719 mAh/g at 30th cycle with a high coulombic efficiency${\sim}99%$. Since the materials formed during initial charge process the nano silicon/$Li_4SiO_3$ and $Li_2O$ remains as interdependent, it may be expected that the composite exhibiting higher amount of irreversibility$(Li_2O)$ will deliver higher reversible capacity. In this study, constant current-constant voltage (CC-CV) charge method was employed in place of usual constant current (CC) method in order to convert efficiently all the SiO particles which resulted high initial discharge capacity at the first cycle. We improved considerably the initial discharge specific capacity of SiO/G composite by pretreatment(CC-CV).
As the use of lithium-ion secondary batteries is rapidly increasing due to the rapid growth of the electric vehicle market, the disposal and recycling of spent batteries after use has been raised as a serious problem. Since stored energy must be removed in order to recycle the spent batteries, an effective discharging process is required. In this study, graphite and NCM622 were used as active materials to manufacture coin-type half cells and full cells, and the electrochemical behavior occurring during overdischarge was analyzed. When the positive and negative electrodes are overdischarged respectively using a half-cell, a conversion reaction in which transition metal oxide is reduced to metal occurs first in the positive electrode, and a side reaction in which Cu, the current collector, is corroded following decomposition of the SEI film occurs in the negative electrode. In addition, a side reaction during overdischarge is difficult to occur because a large polarization at the initial stage is required. When the full cell is overdischarged, the cell reaches 0 V and the overdischarge ends with almost no side reaction due to this large polarization. However, if the full cell whose capacity is degraded due to the cycle is overdischarged, corrosion of the Cu current collector occurs in the negative electrode. Therefore, cycled cell requires an appropriate treatment process because its electrochemical behavior during overdischarge is different from that of a fresh cell.
A composite electrode made of iron oxide nanoparticles/multi-wall carbon nanotube (iNPs/M) delivers high specific capacity and cycle durability. At a rate of $200mAg^{-1}$, the electrode shows a high discharge capacity of ${\sim}664mAhg^{-1}$ after 100 cycles, which is ~ 70% of the theoretical capacity of $Fe_3O_4$. Carbon black, carbon nanotube, and graphene as anode materials have been explored to improve the electrical conductivity and cycle stability in Li ion batteries. Herein, iron oxide nanoparticles on acid treated MWCNTs as a conductive platform are combined to enhance the drawbacks of $Fe_3O_4$ such as low electrical conductivity and volume expansion during the alloying/dealloying process. Enhanced performance was achieved due to a synergistic effect between electrically 3D networks of conductive MWCNTs and the high Li ion storage ability of $Fe_3O_4$ nanoparticles (iNPs).
$Li_2MnSiO_4$ was synthesized using the solid-state method under an Ar atmosphere at three different calcination temperatures (900, 950, and $1000^{\circ}C$). The optimization of the carbon coating was also carried out using various molar concentrations of adipic acid as the carbon source. The XRD pattern confirmed that the resulting $Li_2MnSiO_4$ particles exhibited an orthorhombic structure with a $Pmn2_1$ space group. Cyclic voltammetry was utilized to investigate the capacitive behavior of $Li_2MnSiO_4$ along with activated carbon (AC) in a hybrid supercapacitor with a two-electrode cell configuration. The $Li_2MnSiO_4$/AC cell exhibited a high discharge capacitance and energy density of $43.2Fg^{-1}$ and $54Whkg^{-1}$, respectively, at $1.0mAcm^{-2}$. The $Li_2MnSiO_4$/AC hybrid supercapacitor exhibited an excellent cycling stability over 1000 measured cycles with coulombic efficiency over > 99 %. Electrochemical impedance spectroscopy was conducted to corroborate the results that were obtained and described.
The synthesis of 2-amino-5-substituted-1,3,4-oxadiazoles 4 were carried out from the electrooxidation of semicarbazone 3 at the platinum electrode under controlled potential electrolysis in an undivided cell. This is an environmentally benign method in the field of synthetic organic chemistry. The non-aqueous solvents acetic acid and acetonitrile and a supporting electrolyte lithium perchlorate were used for the electrolysis in the electrooxidation. The products were structurally charecterised by IR, $^1H$-NMR, $^{13}C$-NMR and elemental analysis.
High temperature sodium/sulfur battery(Na/S battery) has good electrochemical properties, but, the battery has some problems such as explosion and corrosion at al. because of using the liquid electrodes at high temperature and production of high corrosion. Room temperature sodium/sulfur batteries (NAS batteries) is developed to resolve of the battery problem. To recently, room temperature sodium/sulfur batteries has higher discharge capacity than its of lithium ion battery, however, cycle life of the battery is shorter. Because, the sulfur electrode and electrolyte have some problem such as polysulfide resolution in electrolyte and reaction of anode material and polysulfide. Cycle life of the battery is improved by decrease of polysulfide resolution in electrolyte and block of reaction between anode material and polysulfide. If room temperature sodium/sulfur batteries (NAS batteries) with low cost and high capacity improves cycle life, the batteries will be commercialized batteries for electric storage, electric vehicle, and mobile electric items.
Oh, Ji Seon;Kim, Duri;Chae, Seung Ho;Oh, Seungjoo;Yoo, Seong Tae;Kim, Haebeen;Ryu, Ji Heon
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.10
no.3
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pp.329-334
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2019
Sn-Cu alloy powders were prepared via a simple chemical reduction method for the negative electrode materials in lithiumion batteries. The addition of Cu can suppress the growth of Sn particles during synthetic process. Furthermore, the Cu also acts as a matrix phase against the volume change during cycling. With increasing amount of the Cu, a stable $Cu_6Sn_5$ phase formed in the Sn-Cu alloy and its cycle performance greatly enhanced depending on the Cu content. To promote the generation of the $Cu_6Sn_5$ phase, the synthesis temperature is raised to $60-100^{\circ}C$ from the ambient temperature. The Sn-Cu alloy powders prepared at elevated temperatures showed remarkable cycle performances. The Sn-Cu alloy powder obtained at $60^{\circ}C$ exhibited a significantly high volumetric capacity of over 2,000 mAh/cc at the 50th cycle.
$^{19}F$ NMR experiments were carried out to observe the change of the characteristics of the PVdF binder which is an auxiliary material of the lithium ion battery. PVdF has various crystalline or amorphous phases by thermal treatment. A mixture of cathode and auxiliary materials including PVdF was coated on aluminum foil as an electron collector and then subjected to thermal treatment at various temperatures. The overlapped $^{19}F$ NMR signals obtained from the various phases were separately convoluted into the respective phases, and it was found that there was a relative ratio change of these phases. In addition, the crystal and amorphous phase of PVdF was changed during the vacuum drying, which is the last step of the actual electrode manufacturing. It was observed that the relative amount of amorphous phase, which may affect the flexibility of the electrode or the wettability of the electrolyte, abruptly changes after a certain temperature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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