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A phenomenological and quantitative view on the degradation of positive electrodes from spent lithium-ion batteries in humid atmosphere

Ein phänomenologischer und quantitativer Blick auf die Degradation von positiven Elektroden aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien in feuchter Atmosphäre

  • The present study deals with the phenomenological observation of the corrosion of the positive electrode foil of lithium-ion batteries containing LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) as cathode material. Due to the presence of moisture, localized water accumulation is formed on the NMC surface. The water absorbed by the electrolyte reacts with the NMC under Li+/H+ exchange and the resulting pH increase leads to dissolution of the carrier foil and characteristic salt-like blooms on the NMC surface. With the increase in the relative area occupied by the holes in the aluminum foil per time, a sufficiently suitable parameter was found with which to quantitatively determine the extent of corrosion. The degree of degradation depends on time and ambient humidity. It was shown that functional recycling with the water jet method is no longer applicable for degraded foils, since the mechanical stability of the foils decreases as corrosion progresses. Lithium, aluminum, sulfur and oxygen were detected in the blooms using SEM–EDX andThe present study deals with the phenomenological observation of the corrosion of the positive electrode foil of lithium-ion batteries containing LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) as cathode material. Due to the presence of moisture, localized water accumulation is formed on the NMC surface. The water absorbed by the electrolyte reacts with the NMC under Li+/H+ exchange and the resulting pH increase leads to dissolution of the carrier foil and characteristic salt-like blooms on the NMC surface. With the increase in the relative area occupied by the holes in the aluminum foil per time, a sufficiently suitable parameter was found with which to quantitatively determine the extent of corrosion. The degree of degradation depends on time and ambient humidity. It was shown that functional recycling with the water jet method is no longer applicable for degraded foils, since the mechanical stability of the foils decreases as corrosion progresses. Lithium, aluminum, sulfur and oxygen were detected in the blooms using SEM–EDX and Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy (LIBS). The underlying NMC layer was found to contain mainly aluminum and significantly lower lithium content than the non-degraded material. SEM and Raman microscopy analyses also showed that the active material is also locally degraded and therefore no longer suitable for functional recycling.show moreshow less
  • Die vorliegende Studie befasst sich mit der phänomenologischen Beobachtung der Korrosion der positiven Elektrodenfolie von Lithium-Ionen-Batterien mit LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) als Kathodenmaterial. Durch das Vorhandensein von Feuchtigkeit kommt es zu einer lokalen Wasseransammlung auf der NMC-Oberfläche. Das vom Elektrolyten absorbierte Wasser reagiert mit dem NMC unter Li+/H+-Austausch und der daraus resultierende pH-Anstieg führt zur Auflösung der Trägerfolie und zu charakteristischen salzartigen Ausblühungen auf der NMC-Oberfläche. Mit der Zunahme der relativen Fläche, die von den Löchern in der Aluminiumfolie pro Zeit eingenommen wird, wurde ein hinreichend geeigneter Parameter gefunden, mit dem sich das Ausmaß der Korrosion quantitativ bestimmen lässt. Der Grad der Degradation hängt von der Zeit und der Umgebungsfeuchtigkeit ab. Es konnte gezeigt werden, dass das Funktionsrecycling mit dem Wasserstrahlverfahren bei degradierten Folien nicht mehr anwendbar ist, da die mechanische Stabilität der Folien mit fortschreitenderDie vorliegende Studie befasst sich mit der phänomenologischen Beobachtung der Korrosion der positiven Elektrodenfolie von Lithium-Ionen-Batterien mit LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) als Kathodenmaterial. Durch das Vorhandensein von Feuchtigkeit kommt es zu einer lokalen Wasseransammlung auf der NMC-Oberfläche. Das vom Elektrolyten absorbierte Wasser reagiert mit dem NMC unter Li+/H+-Austausch und der daraus resultierende pH-Anstieg führt zur Auflösung der Trägerfolie und zu charakteristischen salzartigen Ausblühungen auf der NMC-Oberfläche. Mit der Zunahme der relativen Fläche, die von den Löchern in der Aluminiumfolie pro Zeit eingenommen wird, wurde ein hinreichend geeigneter Parameter gefunden, mit dem sich das Ausmaß der Korrosion quantitativ bestimmen lässt. Der Grad der Degradation hängt von der Zeit und der Umgebungsfeuchtigkeit ab. Es konnte gezeigt werden, dass das Funktionsrecycling mit dem Wasserstrahlverfahren bei degradierten Folien nicht mehr anwendbar ist, da die mechanische Stabilität der Folien mit fortschreitender Korrosion abnimmt. Lithium, Aluminium, Schwefel und Sauerstoff wurden in den Ausblühungen mittels SEM-EDX und Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy (LIBS) nachgewiesen. Es wurde festgestellt, dass die darunter liegende NMC-Schicht hauptsächlich Aluminium und einen deutlich geringeren Lithiumgehalt als das nicht abgebaute Material enthält. REM- und Raman-Mikroskopie-Analysen zeigten außerdem, dass das aktive Material ebenfalls lokal degradiert ist und sich daher nicht mehr für ein funktionelles Recycling eignet.show moreshow less

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Metadaten
Author: Thomas LangnerORCiD, Tim SieberORCiD, Anja RietigORCiD, Prof. Dr. Jörg AckerORCiD
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-023-32688-0
Document Type:Scientific article
Language:English
Year of Completion:2023
Release Date:2023/12/05
Tag:Analytische Chemie; Anorganische Chemie; Chemische Technik; Werkstoffchemie; Werkstoffkunde
Analytical chemistry Surface chemistry; Inorganic chemistry; Materials chemistry; Materials science; Process chemistry
GND Keyword:Analytische Chemie; Lithiumbatterie; Elektrodenfolie; Korrosion; Recycling
Fundername (not EU):Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / Open-Access-Publikationskosten (2023 -2025) / 512881332
Source:Erstveröffentlichung: Langner, T.; Sieber, T.; Rietig, A.; Acker, J.: A phenomenological and quantitative view on the degradation of positive electrodes from spent lithium-ion batteries in humid atmosphere. - Scientific Reports, 2023, 13(5671). - https://doi.org/10.1038/s41598-023-32688-0
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Physikalische Chemie
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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