Lithium-ion batteries have been considered the most important devices to power mobile or small-sized devices due to their high energy density. $LixCoO_2$ has been studied as a cathode material for the Li-ion battery. However, the limitation of its capacity impedes the development of high capacity cathode materials with Ni, Mn, etc. in them. The substitution of Mn and Ni for Co leads to the formation of solid solution phase $LiNi_xMn_yCo_{1-x-y}O_2$ (NMC, both x and y < 1), which shows better battery performance than unsubstituted $LiCoO_2$. However, despite a high discharge capacity in the Ni-rich compound (Ni > 0.8 in the metal site), poor cycle retention capability still remains to be overcome. In this study, aiming to improve the stability of the physical and chemical bonding, we investigate the stabilization effect of Ca in the Ni-rich layered compound $Li(Ni_{0.83}Co_{0.12}Mn_{0.05})O_2$, and then Ca is added to the modified secondary particles to lower the degree of cationic mixing of the final particles. For the optimization of the final grains added with Ca, the Ca content (x = 0, 2.5, 5.0, 10.0 at.%) versus Li is analyzed.
The development of next-generation secondary batteries, including lithium-ion batteries (LIB), requires performance enhancements such as high energy/high power density, low cost, long life, and excellent safety. The discovery of new materials with such requirements is a challenging and time-consuming process with great difficulty. To pursue this challenging endeavor, it is pivotal to understand the structure and interface of electrode materials in a multiscale level at the atomic, molecular, macro-scale during charging / discharging. In this regard, various advanced material characterization tools, including the first-principle calculation, high-resolution electron microscopy, and synchrotron-based X-ray techniques, have been actively employed to understand the charge storage- and degradation-mechanisms of various electrode materials. In this article, we introduce and review recent advances in in-situ synchrotron-based x-ray techniques to study electrode materials for LIBs during thermal degradation and charging/discharging. We show that the fundamental understanding of the structure and interface of the battery materials gained through these advanced in-situ investigations provides valuable insight into designing next-generation electrode materials with significantly improved performance in terms of high energy/high power density, low cost, long life, and excellent safety.
Two different anode composite materials comprising of Fe, Cu and Si prepared using high energy ball milling (HEBM) were explored for their capacity and cycling behaviors. Prepared powder composites in the ratio Cu:Fe:Si = 1:1:2.5 and 1:1:3.5 were characterized through X-Ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). Nevertheless, the XRD shows absence of any new alloy/compound formation upon ball milling, the elements present in Cu(1)Fe(1)Si(2.5)/Graphite composite along with insito generated Li2O demonstrate a superior anodic behavior and delivers a reversible capacity of 340 mAh/g with a high coulombic efficiency (98%). The higher silicon content Cu(1)Fe(1)Si(3.5) along with graphite could not sustain capacity with cycling possibly due to ineffective buffer action of the anode constituents.
The composites such as Sn-CNTs, $SnSb_{0.5}$-CNTs and $CoSb_3$-CNTs have attracted much attention in the past years owing to their good overall properties. In these samples, intermetallic compounds show high specific capacities. Recently, interest in metal oxides such as $Al_{2}O_{3}$, MgO and $TiO_2$ has been largely stimulated by the realization that they can improve the cycling stability of the Li-ion battery electrodes. The reversible capacity of the $TiO_2$/CNTs composite reaches 168 mAh $g^{-1}$ at the first cycle and remains almost constant during long-term cycling. In this study, a nanocomposite of $TiO_2$/CNTs was prepared by sol-gel method and its electrochemical properties as anode materials for Li-ion batteries were studied by galvanostatic cycling, cyclic voltammograms (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
Yang, Jin Hyeok;Hwang, Seong Ju;Chun, Seung Kyu;Kim, Ki Jae
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.13
no.2
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pp.208-212
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2022
In this paper, we report the effects of temperature on the deterioration of graphite-based negative electrodes during the longterm cycling of lithium-ion batteries (LIBs). After cycling 75 Ah pouch-type LIB full cells at temperatures of 45℃ (45-Cell) and 25℃ (25-Cell) until their end of life, we expected to observe changes in the negative electrode according to the temperature. The thickness of the negative electrode of the cell was greater after cycling; that of the electrode of 45-Cell (144 ㎛) was greater than that of the electrode of 25-Cell (109 ㎛). Cross-sectional scanning electron microscopy analysis confirmed that by-products caused this increase in the thickness of the negative electrode. The by-products that formed on the surface of the negative electrode during cycling increased the surface resistance and decreased the electrical conductivity. Voltage profiles showed that the negative electrode of 25-Cell exhibited an 84.7% retention of the initial capacity, whereas that of 45-Cell showed only a 70.3% retention. The results of this study are expected to be relevant to future analyses of the deterioration characteristics of the negative electrode and battery deterioration mechanisms, and are also expected to provide basic data for advanced battery design.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.36
no.1
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pp.29-35
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2023
Herein we investigated the effect of the conductive agent on the electrochemical performance of the SiOx anode. SiOx anodes have a relatively low volume expansion (~160%) compared to Pure-silicon, but have a problem in that they have a poor electrical conductivity characteristic. In this study, physical and electrochemical measurements were performed using two 0-dimensional amorphous carbon conductive agents with different crystallinity and surface area. The crystal structure of the conductive agents and the local graphitization degree were analyzed through XRD and Raman, and the surface area of the particles was observed through BET. In addition, the electrical performance according to the graphitization degree of the conductive agents was confirmed through a 4-point probe. As a result of the electrochemical cycle and rate performance, it was confirmed that the performance of SiOx using a conductive agent having a low graphitization degree and a high surface area was improved. The results in this study suggest that the graphitization degree and surface area of the amorphous carbon conductive agent may play an important role in the SiOx electrode.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.25
no.5
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pp.376-384
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2020
An energy storage system is composed of lithium-ion batteries in modern applications. Batteries are regarded as storage devices for renewable and residual energy. The failure of batteries can cause the performance reduction and explosion of battery systems. High maintenance cost is essential when dealing with the problem of battery safety. Therefore an accurate health diagnosis is required to ensure the high reliability of battery systems. A battery pack is a combination of single cells in series and parallel connections. A battery pack has to consider various factors to assess battery health. Battery health involves conventional factors and additional factors, such as cell-to-cell imbalance. For large applications, state-of-health (SOH) can be inaccurate because of the lack of factors that indicate the state of the battery pack. In this study, six characterization factors are proposed for improving the SOH estimation of battery packs. The six proposed characterization factors can be regarded as health indicators (HIs). The six HIs are applied to the principal component analysis (PCA) algorithm. To reflect information regarding capacity, voltage, and temperature, the PCA algorithm extracts new degradation factors by using the six HIs. The new degradation factors are applied to a multiple regression model. Results show the advancement and improvement of SOH estimation.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.40
no.6
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pp.403-408
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2016
Lithium-ion batteries are commonly employed in hybrid electric vehicles (HEVs), and achieving high energy density in the battery has been one of the most critical issues in the automotive industry. Because liquid cooling containing antifreeze is important in automotive batteries to enable cold starts, an effective geometric configuration for high-cooling performance should be carefully investigated. Battery cooling with antifreeze has also been considered to realize successful cold starts. In this article, we theoretically investigate a specific property of an antifreeze cooling battery system, and we perform numerical modeling to satisfy the required thermal specifications. Because a typical battery system in HEVs consists of multiple stacked battery cells, the cooling performance is determined mainly by the special properties of antifreeze in the coolant passage, which dissipates heat generated from the battery cells. We propose that the required cooling performance can be realized by performing numerical simulations of different geometric configurations for battery cooling. Furthermore, we perform a theoretical analysis as a design guideline to optimize the cooling performance with minimum power consumption by the cooling pump.
Jung, Jiwon;Hah, Hoe Jin;Lee, Tae jin;Lee, Jae Gil;Lee, Jeong Beom;Kim, Jongjung;Soon, Jiyong;Ryu, Ji Heon;Kim, Jae Jeong;Oh, Seung M.
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.8
no.1
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pp.15-24
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2017
A comparative study was performed on the passivating abilities of surface films generated on lithium titanate (LTO; $Li_4Ti_5O_{12}$) electrodes during pre-cycling at two different rates. The surface film deposited at a faster pre-cycling rate (i.e., 0.5 C) is irregularly shaped and unevenly covers the LTO electrode. Owing to the incomplete coverage of the protective film, this LTO electrode exhibits poor passivating ability. Additional electrolyte decomposition and concomitant film deposition occur during subsequent charge/discharge cycles. As a result of the thick surface film, severe cell polarization occurs and eventually causes cell failure. However, pre-cycling the Li/LTO cell at a slower rate (0.1 C) improves cell polarization and capacity retention; this occurs because the surface film uniformly covers the LTO electrode and provides strong passivation. Accordingly, there is no significant film deposition during subsequent charge/discharge cycling. Additionally, self-discharge is reduced during high-temperature storage.
Journal of the Korea Society of Computer and Information
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v.19
no.2
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pp.109-115
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2014
The research on solar energy that we get from nature to cope with energy exhaustion is a very significant and inevitable task for us to do. Along with this, lately, in Korea, as part of new growth engine industry regarding low-carbon green growth, we have selected the LED(Light Emitting Diode) as low power consuming, eco-friendly lighting equipment and have been facilitating research and development on it and creating a variety of new industries utilizing it. What was developed here in this research was the photovoltaic LED lighting system applying lithium polymer batteries equipped with the excellent performance of lithium ion batteries as well as significantly low explosive hazard. Its photovoltaic panel was made to have 100W capacity, and for its power supply system, functional convenience was considered so that it could be equipped with both DC and AC power to be used as household electricity in a variety of ways.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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