Σύνθεση και χαρακτηρισμός υλικών για συσσωρευτές

Abstract

In the last decades, the use of lithium-ion batteries in various technological applications has spread rapidly, increasing the use of raw materials that contain lithium and cobalt. The increased demand raises important questions about the sufficiency of the deposits of these metals, while the reduction of their global reserves constitutes a part of the planet's energy problem. Scientific research is directed to alternative materials that can replace cobalt in the battery industry and are made from abundant raw resources. Ambitious alternative materials are materials containing lithium compounds with transition metals. These materials are of particular interest as they can be used in microwave applications, broadband photonic devices 5G for telecommunication systems, and, in particular, as cathode electrodes in lithium-ion batteries. This Thesis deals with the following compounds, α-LiFeO2, β’-LiFeO2, γ-LiFeO2, LiFe5O8 and LiFe5-xMnxO8. The first three compounds constitute the three allotropic phases of the polymorphic compound LiFeO2, while the lithium pentaferrite LiFe5O8 and the mixed compound LiFe5-xMnxO8 crystallize in two structures, the disordered and the ordered phase. We synthesized polycrystalline samples of these compounds with solid-state reactions and studied their crystallographic, magnetic, and crystallochemical characteristics. The crystallization of the samples into different crystal structures depends on the heat treatment of each sample. The study of the crystallization structures of the samples is carried out with X-Ray diffraction (XRD). At the same time, the estimation of the microstructural and crystallographic parameters is obtained by fitting using the non-linear least squares method (Rietveld method). The samples' magnetic and crystal structure properties are studied on an atomic level with Mössbauer spectroscopy. Mössbauer spectroscopy is based on the recoilless resonance absorption of nuclear radiation emitted by the isotope cobalt-57 and records the hyperfine interactions of the nucleus with its chemical environment. Specific heat measurements were performed to understand better the lattice dynamics in the α-LiFeO2 compound and the distribution of phonons in the excited states, which are close to the ground state. At the same time, the analysis of the experimental data was done with the theoretical Debye-Einstein model. The specific heat is one of the parameters of the theoretical model that describes the temperature variation of the sample and sampler and is obtained by fitting. The compound α-LiFeO2 was also analyzed by electron diffraction using scanning electron microscopy. The stoichiometry of the compound was confirmed, and the lattice constant was estimated. The energy gaps of the studied compounds were determined by visible-ultraviolet spectroscopy, while the structural transitions and the Curie temperature of the samples were determined by Differential Thermal Analysis (DTA) and Thermogravimetric Analysis (TGA), respectively. The mixed compound LiFe5-xMnxO8 was studied by alternating magnetic permeability spectroscopy to determine the dynamics of the domain walls.

Τις τελευταίες δεκαετίες η χρήση συσσωρευτών ιόντων λιθίου σε πληθώρα τεχνολογικών εφαρμογών έχει εξαπλωθεί με ραγδαίο ρυθμό, αυξάνοντας τη χρήση πρώτων υλών που περιέχουν λίθιο και κοβάλτιο. Η αυξημένη ζήτηση εγείρει σημαντικά ζητήματα σχετικά με τη μελλοντική επάρκεια των κοιτασμάτων των μετάλλων αυτών, ενώ η μείωση των παγκόσμιων αποθεμάτων τους αποτελεί μία από τις πολλές συνιστώσες του ενεργειακού προβλήματος του πλανήτη. Οι διεθνείς επιστημονικές τάσεις έχουν οδηγήσει στην έρευνα εναλλακτικών υλικών, που παρασκευάζονται από πρώτες ύλες με μεγαλύτερη αφθονία στη φύση, και που δυνητικά μπορούν να αντικαταστήσουν το κοβάλτιο στη βιομηχανία συσσωρευτών. Φιλόδοξα εναλλακτικά υλικά αποτελούν τα υλικά που περιέχουν ενώσεις του λιθίου με στοιχεία μετάπτωσης. Τα υλικά αυτά παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν, μεταξύ άλλων, σε εφαρμογές μικροκυμάτων, ευρυζωνικές φωτονικές διατάξεις 5G για συστήματα τηλεπικοινωνιών και ειδικότερα ως καθοδικά ηλεκτρόδια στην τεχνολογία των συσσωρευτών ιόντων λιθίου. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετώνται λεπτομερώς οι ενώσεις λιθίου – σιδήρου α-LiFeO2, β’-LiFeO2, γ-LiFeO2 και LiFe5O8 καθώς και η μεικτή ένωση LiFe5-xMnxO8 με μερική υποκατάσταση του σιδήρου με μαγγάνιο. Οι τρεις πρώτες ενώσεις αποτελούν τις τρεις αλλοτροπικές φάσεις της πολυμορφικής ένωσης LiFeO2, ενώ ο πενταφερρίτης λιθίου LiFe5O8 και η μεικτή ένωση LiFe5-xMnxO8 κρυσταλλώνονται σε δύο δομές, την άτακτη και τη διατεταγμένη. Στο πλαίσιο της Διδακτορικής Διατριβής, πραγματοποιήθηκε σύνθεση πλήθους πολυκρυσταλλικών δειγμάτων των προαναφερθέντων ενώσεων, με αντιδράσεις στερεάς κατάστασης, και λεπτομερής μελέτη των κρυσταλλοδομικών, μαγνητικών και κρυσταλλοχημικών χαρακτηριστικών τους. Η κρυστάλλωση των δειγμάτων σε διαφορετικές δομές εξαρτάται από τη θερμική κατεργασία που υφίσταται κάθε δείγμα. Η μελέτη των δομών κρυστάλλωσης πραγματοποιείται με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων Χ (X-Ray Diffraction – XRD), ενώ η ποσοτικοποίηση της πληροφορίας και η εκτίμηση των μικροδομικών και κρυσταλλογραφικών παραμέτρων προκύπτει με την προσαρμογή θεωρητικού - πειραματικού διαγράμματος περίθλασης, με χρήση της μη γραμμικής μεθόδου ελαχίστων τετραγώνων (μέθοδος Rietveld). Τα δείγματα μελετώνται αναφορικά με τις μαγνητικές και κρυσταλλοδομικές τους ιδιότητες σε ατομικό (τοπικό) επίπεδο με φασματοσκοπία Mössbauer. Η φασματοσκοπία Mössbauer βασίζεται στην απορρόφηση συντονισμού χωρίς ανάκρουση της πυρηνικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το ισότοπο κοβάλτιο-57 και καταγράφει τις υπέρλεπτες αλληλεπιδράσεις του πυρήνα με το χημικό περιβάλλον του. Για τη βαθύτερη κατανόηση της δυναμικής του πλέγματος στην ένωση α-LiFeO2, καθώς και για την κατανομή των φωνονίων στις διεγερμένες καταστάσεις, που βρίσκονται κοντά στη βασική κατάσταση, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ειδικής θερμότητας, ενώ η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έγινε με το θεωρητικό πρότυπο Debye-Einstein. Η ειδική θερμότητα είναι μία από τις παραμέτρους του θεωρητικού προτύπου που περιγράφει τη χρονική μεταβολή της θερμοκρασίας δείγματος και δειγματοφορέα και προκύπτει με κατάλληλη προσαρμογή της βέλτιστης καμπύλης στο πειραματικό φάσμα. Η ένωση α-LiFeO2 αναλύθηκε, επίσης, με περίθλαση ηλεκτρονίων, με χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης. Επιβεβαιώθηκε η στοιχειομετρία της ένωσης και εκτιμήθηκε η πλεγματική σταθερά. Με τη φασματοσκοπία ορατού - υπεριώδους προσδιορίστηκαν τα ενεργειακά χάσματα των υπό μελέτη ενώσεων, ενώ οι δομικές μεταβάσεις και η θερμοκρασία Curie των δειγμάτων προσδιορίζονται με Διαφορική Θερμική Ανάλυση (Differential Thermal Analysis – DTA) και Θερμοβαρυτική Ανάλυση (Thermal Gravimetric Analysis – TGA), αντίστοιχα. Η μεικτή ένωση LiFe5-xMnxO8 μελετήθηκε με φασματοσκοπία εναλλασσόμενης μαγνητικής διαπερατότητας για τον προσδιορισμό της δυναμικής των ορίων των μαγνητικών περιοχών.