Introduction
리튬 이온 전지는 에너지 저장 장치 1-4의 계속 증가하는 요구를 충족시키기 유망한 소스를 나타낸다. LIBS의 용량의 향상은 전기 차량 -5,6-의 유효 범위를 개선 할뿐만 아니라, 결과적으로 격자 에너지 저장 응용 프로그램 (7)에 사용 LIBS의 생존 능력을 증가 방전의 깊이를 감소시켜 그 수명을 향상하지 않을 것이다.
원래 1970 년대 8 보청기 사용, 동전 세포는 오늘 일반적으로 신규 및 기존 전극 재료의 개발과 평가에 사용됩니다. 배터리 작은 폼팩터의 하나로서, 이러한 세포 학술 연구 환경에서 배터리를 생성하는 간단하고 효과적인 방법을 나타낸다. 일반적인 리튬 이온 배터리는 양극, 음극, 집 전체, 및 양극과 음극의 단락을 방지하는 다공질 세퍼레이터로 구성되어있다. 리튬 이온 전지의 작동 중에, IONS과 전자는 모바일이다. 방전시, 이온은 다공질 세퍼레이터를 통해 음극 (양극)으로부터 및 양극 또는 음극으로 이동한다. 한편, 전자는 최종적으로 캐소드 측에 이온과 재결합, 외부 회로를 통해, 전류 집 전체를 통해 이동한다. 이온 및 전자 전달과 관련된 저항을 감소시키기 위해, 구성 요소는 적절하게 배향 될 필요 - 거리 이온의 이동이 최소화되어야한다. 일반적으로 이러한 구성 요소는 "샌드위치"구성을 결합됩니다. 전기 자동차, 휴대 전화, 가전 제품에 사용되는 전지는 나선형으로 감겨 진 또는 접힌 전지의 폼 팩터에 따라 큰 샌드위치되어 이루어져있다. 이러한 유형의 세포는 높은 비용을 초래하지 않고 작은 규모로 제조하기가 매우 어려울 수있다. 그러나, 코인 셀에 셀 내의 단 하나의 샌드위치가있다. 특수 장비는 전극을 작성하는 것이 여전히 필요하다 비록 N 코인 셀, 자신이 신속하게 통제 된 환경 내 손으로 조립 및 밀봉 할 수있는 세포.
배터리의 성능은, 유형에 상관없이, 양극과 음극, 전해질의 선택, 셀 아키텍처 4,9-13 형성 재료에 의존한다. 전형적인 LIB 전극 활물질, 도전 조제, 고분자 바인더 및 전해질로 가득 보이드 공간을 리 - 함유의 조합으로 구성된다. - 종종 거의주의를 부여하는 공정, 건조 분말 혼합, 습식 혼합, 기판 제조, 필름 응용 및 건조 : 전극 처리는 다섯 가지 주요 단계로 구성 될 수있다. 이들 공정 단계를 사용하여 전극을 제조 할 때, 최종 목표는 활물질, 도전 조제, 바인더로 이루어진 균일 한 전극 막을 달성하는 것이다. 이 균일 한 분포는 LIBS 14-18의 최적의 성능에 매우 중요합니다.
NT는 ">이 가이드는 신규 및 기존 전극 재료의 평가를 위해 코인 셀을 제조하는 에너지와 교통 과학 연구소에서 텍사스 A & M (ETSL)에서 텍사스 주립 대학에서 사용되는 단계를 나타냅니다. 많은 소스에 설명되어있는 기본 단계를 넘어 우리는 종종 유사한 방법 문서와 많은 출판물에서 제외되는 중요한 세부 사항을주의하는 중요한 단계에서 우리 자신의 전문 지식을 포함하고있다. 또한, 우리의 실험실에서 사용되는 기본 물리적, 전기 화학적 방법 (정전류 자전거 및 전기 임피던스 분광법 (EIS)) 내 밝혀된다.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
이 프로토콜에 사용되는 용매, 시약, 또는 건조 분말 중 하나를 사용하는 경우에는주의가 필요합니다. 모든 MSDS 시트를 읽고 적절한 안전 조치를 취할. 표준 안전 장비는 장갑, 보호 안경 및 실험실 코트를 포함한다.
1. 음극 준비
주 : 음극 제조 공정의 개략도가도 1에 제시되어있다.
음극을 만들 수있는 ETSL에 사용되는 단계의 그림 1. 도식 개요. 주요 과정은 동전 세포에 전극 시트와 통합의 건조하여 청소 알루미늄 기판 상에 준비 및 전극 슬러리의 캐스팅이 포함되어 있습니다. 여기를 클릭하십시오 큰 VE를보기이 그림의 rsion.
- 알루미늄 기판의 제조
- 컷 "12에 의해"4.5 종이 커터 가위를 사용하여 15 μm의 두께 알루미늄 (Al) 호일 시트.
- 보드에 호일을 부착 깨끗한 플라스틱 기판의 표면에 아세톤을 스프레이 한 후 보드에 호일 시트를 배치합니다.
- 포일의 표면에 아세톤 충분한 양을 살포 작은 반원 운동과 스카치 패드를 사용하여 전체 표면을 스크러빙하기 시작한다. 표면에 추가 아세톤 스프레이 및 종이 타월로 잔여 물을 닦아.
- 반대 측에 대한 단계를 1.1.2-1.1.3 반복 한 후 주조 측 한 번 더 반복한다.
- 워시 먼저, 다음 뒤집어서 반대쪽으로 반복 측 캐스팅에 탈 이온수 (DI) 물과 알루미늄 시트를 에칭. DI 워터 디스플레이 불량한 습윤성로서 알루미늄 박의 표면을 다시 문질러 물방울을 형성하지 않고, 시트의 표면에서 흐르지 않는다. 이소 프로필 린스 반복알코올.
- 두 종이 타월 사이의 청소 알 시트를 전송하고 두 개의 평면 비행기와 종이 타월 사이에 압축에서 약 20 분 동안 건조 할 수 있습니다.
- 슬러리 준비
- 전극 시트의 조성에 기초하여 원하는 활물질, 도전 조제 및 바인더의 무게를 선택. (70 중량 %의 리튬 - 망간 - 코발트 산화물, 망간 LiNi 1/3 1/3 1/3 O 2 공동 (NMC, 활성 물질) 20 중량 % 카본 블랙, 도전성 1.25 g의 건조 분말의 총 중량을 선택할 첨가제), 10 % 폴리 비닐 리덴 디 플루오 라이드 (PVDF, 바인더).
- 관리 카드 중 0.875 g 및 마노 박격포와 유 봉에 카본 블랙과 장소의 0.25 g을 측정한다. 가볍게 연마하지 않고 재료를 함께 섞는다. 혼합물은 균일 한 분말이 육안으로 관찰 될 때까지, 3 ~ 5 분 동안 박격포와 유 봉에서 손으로 밀을 형성하기 시작하면.
- 일회용 혼합 관으로 이동시켜 혼합 분말조각과 종이의 무게. 1- 메틸 -2- 피 롤리 디논 5.5 ㎖ (NMP), 비수 용매와 함께 분말 16 유리 볼 (직경 6mm)을 추가한다.
- 튜브 드라이브 스테이션에 일회용 튜브를 삽입하고 제자리에 고정. 에 드라이브를 켜고 천천히 최대 속도로 증가. 내용이 15 분 동안 혼합 할 수 있습니다.
- 튜브에 직접 NMP 용액에 10 %의 PVDF 1.25 g을 추가한다. 1.2.4에서 동일한 절차에 따라 다시 드라이브에 튜브를 삽입하고 8 분 동안 혼합 할 수 있습니다. 튜브는 종래 (아래) 주조 이상 5 분 동안 방치 된 경우, 추가 15 분 동안 내용물을 혼합한다.
- 주조 및 건조
- 이소 프로필 알코올 및 종이 타월로 자동 필름 어플리케이터의 금속 표면을 청소합니다. 닥터 블레이드가 깨끗한 지, 원하는 주조 높이 (200 μm의)로 설정되어 있는지 확인합니다.
- 도포 막 표면에 이소 프로필 알코올을 적용하고 층을 배치 DRI에드 알루미늄 기판 아래로 표면에 광택 측. 모든 주름과 이소 프로필이 제거 될 때까지 접힌 종이 타월로 여분의 이소 프로필 알코올을 누릅니다. 단단히 자리에 기판 중 하나를 잡고 기판을 찢어지지 않도록주의하십시오.
- 튜브 드라이브에서 혼합 튜브를 제거하고 컨테이너를 엽니 다. 대략 1 인치 기판의 상부 (초기 주조 측)로부터 2-3 인치 라인에서 기판의 표면 상에 슬러리를 붓는다. 깨끗한 금속 핀셋 시트에서 모든 유리 공을 제거합니다.
- 20mm / 초 주조 속도를 설정하고 필름 도포의 주조 팔을 활성화합니다.
- 주름이없는 시트 상에 형성되도록 판지의 박편을 이용하여 도포 막 표면으로부터 주조 전극 리프트.
- 전극 시트 실온에서 16 시간 동안 건조하도록 허용 (~ 24 ° C) ~ 3 시간 동안이나 시트가 건조 될 때까지 70 ℃에서 건조 하였다. 전극이 푸에 환경 적으로 분리되어 있는지 확인나 후드 또는 비 균일 건조를 방지하기 위해 밀봉 된 챔버.
- 음극 전극 펀칭
- 알루미늄 금속의 청소 시트에 건조 된 전극 시트를 놓습니다. "(가장자리가 균일하지 않은 나타날 수 있습니다). 천천히 (손으로) 펀치에 압력을 적용하고 홀 펀치와 균일 한 표면과 시트의 영역에 부드럽게 배치"의 가장자리 주위에 "압력을 롤 ½를 꺼내 펀치 깨끗한 절단을 보장합니다.
- (대안)은 수동 펀칭 대신에 정확한 디스크 커터를 이용한 전극 디스크를 잘라.
- 청소, 플라스틱 핀셋 시트에서 전극을 제거하고 전극면이 위를 향하도록, 레이블 유리 병에 넣습니다. 두 번 반복합니다.
- (선택 사항) 실험실 언론의 표면에 천공 전극을 배치합니다. 약 4 MPa의 (최적의 압력이 사용되는 프레스에 따라 달라집니다)의 압력을 적용합니다. 나머지 전극에 대해 반복합니다.
- VACU에 튜브를 배치음 오븐 남아있는 수분을 제거하기 위해 12 시간 동안 -0.1 MPa로에서 120 ° C에서 전극에 더 건조 할 수 있습니다. 후, 전극을 제거하고 0.0001 g 내에서 무게.
- 글러브 박스의 대기실을 열고 트레이에 튜브를 배치합니다. 챔버에게 문을 닫고 대기실 해치를 강화하는 두 손가락을 사용하여 단단히 밀봉을 보장합니다.
- -0.1 MPa의 아래로 진공을 지참하고 아르곤 채우기. 글러브 박스에 전송 샘플에 따라,이 과정을 1-2 번 더 반복합니다.
전체 셀 2. 양극 시트
- 대신에 알루미늄 박의 기판으로서 9 μm의 두께의 구리 호일을 사용 제외한 반복 부 (1). 시트의 구성은 특정 요구에 맞게 변경 될 수있다.
3. 코인 셀 선입
주의 : 코인 셀의 구성은 글로브 박스 내에서 불활성 (아르곤) 환경 내에서 수행된다. 이자형익스트림주의는 외부 대기로 내부 환경의 노출을 최소화하기 위해주의해야한다. 글러브 박스 내에서 날카로운 물질에 대한 작업은 가능하면 최소로 할 것. 일반적으로, 글러브 박스 내에서의 작업은 작업이 외부에서 수행 될 수있는 속도보다 3 배 이상 소요됩니다. 장갑은 다른 물질로 작업 할 때 노출을 최소화하기 위해 글러브 박스 장갑 위에 착용해야합니다.
참고 사항 : (구성 요소 배치) 플라스틱 핀셋 같은 도구 캡, 케이스, 웨이브 스프링, 가스켓, 스페이서, 리튬 리본, 전해질을 포함하고 나머지 코인 셀의 건설에 필요한 부품은, 아르곤 가득한 글로브 박스 내에 포함되어 O 2, H 2 O 수준은 백만 당 0.5 부품 이하로 유지. (보풀이없는 태스크 와이프를 포함)을 글로브 박스에 삽입 된 모든 구성 요소가 O를 가열해야 / -0.1 MPa의 압력에서 120 ℃에서 진공 오븐에서 N은 제거 할수분.
- 카운터 전극 준비
- 글로브 박스 내에서 밀폐 용기 (0.75 mm 두께) 리튬 리본을 제거하고 플라스틱 블록의 표면 상에 부 롤아웃. 면도날을 사용하여 조심스럽게 호일 표면에서 어떤 검은 색의 산화를 멀리 쳤어요. 장갑을 절단되지 않도록 극도로주의하십시오.
- 9/16 "구멍 펀치를 타고 리튬 리본 메뉴의 디스크를 펀치. 펀치에서 리튬 디스크를 밀어 (글로브 박스 내에서 고무 장갑에 의해 리튬 분리) 손가락이나 다른 무딘 도구를 사용합니다.
- 0.5 mm 두께의 스페이서를 타고 부드럽게 손가락 사이의 표면에 리튬 디스크를 적용합니다. 스페이서의 중심에 리튬 디스크 스틱을 확인하고 평평 - 고르지 못한 표면이 고르지 전류 분포가 발생할 수 있습니다.
- 전해질 준비
- (: 권 1 / DEC이 경우 EC에서 1 M의 LiPF6의 1)와 선택의 전해질을 저장전해질로서 알루미늄 용기에 항상 글로브 박스에 감광성이다.
- 작업 용기에 소스 용기로부터 전해질을 소량 제거.
- 셀 가드 구분 준비
- 프린터 용지의 접힌 시트 사이의 분리막 시트를 배치했다. 알루미늄 금속 시트에 접힌 종이와 멤브레인을 놓습니다.
- 홀 펀치의 상단에 쿠션 층을 놓고 ¾ "직경 분리막을 펀치 망치를 사용합니다.
- 1.4.6-1.4.7에 설명 된 절차를 이용하여 글러브 박스에 펀치 분리 디스크를 전송합니다.
참고 :이 구성되고 각각의 코인 셀에 대한 개별 분리를 펀치를 피하기 위해 대량으로이 단계를 수행하는 것이 좋습니다.
4. 코인 셀 조립
주 : 코인 셀의 구성은그림 2에 제시했다.
그림 2. 코인 셀 구성 요소가 세포 내에서 배치의 순서로 표시. 음극의 배치는 셀의 밀봉 한 다음 분리, 가스켓, 상대 전극과 웨이브 스프링, 뒤에에게. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
- 내부 대기실의 문을 엽니 다. 글러브 박스에 대기실 내에서 구성 요소를 당겨 내부 대기실의 문을 봉인.
- 작은 무게 배에 코인 셀 케이스를 놓습니다. 코인 셀 케이스의 중심에 음극을 놓습니다. 전극의 중심에 전해질 1-2 ~ 30 μL 방울을 적용한 경우의 림의 대향 측면에 한 방울을 적용한다.
- 단일 ¾ "분리 배치전극의 표면에 관한 것이다. 포스 아웃 어떤 핀셋의 평평한 에지 사용 붙을 거품과 립에 의해 사건을 잡아 가볍게 제자리에 전극을 눌러 음극 재 센터. 이 원래 위치로 찌르는 경우 전극의 더 이동을 허용하도록, 전해질의 추가 1-2 방울을 적용한다.
- 평평한면이 아래로 향하게하고 입술면이 위를 향하도록, 케이스에 가스켓을 놓습니다. 이전 셀 삽입에 빛을 잡고 가스켓의 방향을 확인합니다.
- 셀의 중심에 전해질의 2-3 ~ 30 μL의 방울을 적용, 리튬이 아래를 향 중심에 준비된 상대 전극을 배치합니다. 중심의 상대 전극의 상단에 웨이브 스프링을 놓습니다.
- 이 웨이브 스프링 표면의 대부분을 커버하는 곡선, 볼록한 메 니스 커스 (meniscus)를 형성 할 때까지 전해질 가장자리 (~ 0.7 ㎖)에 셀을 채 웁니다.
- 조심스럽게 세포 활용 T의 상단에있는 코인 셀 캡을 배치그는 셀 위로 수직 중심으로 뚜껑을 잡고 핀셋. 전해질의 과도한 손실을 방지하기 위해 뚜껑을 중심주의하십시오.
- 이 가스켓의 입술에 설정 될 때까지 (손으로) 모자 아래로 누릅니다. 크림 퍼에 셀을 전송하고 셀 압착 다이의 홈에 중심되어 있는지 확인합니다. ~ 6.2 MPa의 (900 PSI)과 릴리스의 압력으로 셀을 압착.
- 크림 퍼 (손으로)에서 세포를 제거하고 초과 전해질을 청소합니다. 단계를 반복 4.2 - 4.9를 원하는 모든 세포가 구축 될 때까지. 적당한 용기에 쓰레기를 배치, 어떤 전해질 유출 청소합니다. 글러브 박스에서 세포를 이동하고 레이블을 붙입니다.
5. 전기 평가
- 배터리 자전거 타는 사람에 청소 세포를 연결합니다. 터미널이 정확하게 개방 회로 전위를 측정하여 연결되어 있는지. 포지티브하지 않으면 연결 역방향.
- 건조 ELEC의 중량에 기초하여, 원하는 전류를 계산알루미늄 기판, 알루미늄, 중량 백분율 활물질의 질량 공지 및 이용되는 활성 물질의 정격 용량의 특정 표면에 trode.
- 0.70 × 155 MAH / G = 0.3906 MAH × - 0.0090 g을 측정 전극 질량, 0.0054 g의 알루미늄 디스크 질량, 155 MAH / G의 정격 용량으로, (0.0054 g을 0.0090 g)을 원하는 전류를 결정한다. 충분히 1 시간 (1C)의 방전 셀에 필요한 방전 전류에서,인가 전류는 0.3906 mA이다.
- / 전하 4 배의 속도 C / 10 (정전류, 정전류)로 4.2 V 및 2.8 V. 사이클 셀의 상부 및 하부 레벨 사이의 전압을 방전 셀 사이 클러에 스케줄을 설정한다. 그리고 C / 10 번 셀을 충전합니다.
- 5 번째 C / 10 충전 후, 순환기로부터 셀을 제거 (필요한 경우) 및 1 시간 동안 휴식 후에, 셀 전기 화학 임피던스 분광법 (19) (EIS)을 수행한다. 다시 셀을 배치C / 10에서 자전거 타는 방전에. 1 시간 동안 휴식 후 한 번 더 EIS를 수행합니다.
- 100 1C주기 다음에 C / 5, C, 2C, 5C, 그리고 10C의 속도에서 자전거 타는 사이클에 다시 세포 5 번 셀을 놓습니다.
- 캐소드 활성 물질의 본 MAH 질량에 용량을 분할하여 각각의 C-rate로 세포의 비 용량을 결정한다. 제 5 1C 사이클 평균 비 용량 마지막 5 1C 사이클 평균 비 용량을 나눈 용량 유지율을 구한다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
제대로 캐스트 전극 시트는 표면 외관에 유니폼을 표시하고 제대로 집을 준수해야합니다. 일반적으로 전극 시트의 박리는 불량한 기판의 에칭, 또는 초기 혼합 단계에서 작은 NMP를 갖는 하나에 의해 발생된다. 대안으로, 너무 많은 NMP 바람직하지 않다 기공율의 높은 정도를 표시하는 시트를 일으킬 수있다. 마지막으로 세 번째 패턴은 풀링 발생 나타나는 전극 표면에 관찰 될 수있다. 방 (습도, 온도, 및 공기 이동)의 주변 환경과의 상호 작용이 문제에 대한 가장 가능성있는 원인입니다. 흄 후드 내에서 격리이 문제를 방지 할 수 있습니다. 이러한 시나리오는도 3에서 볼 수있다.
깨어진 가장자리와,도 4에 도시 한 바와 같이 코인 셀 나타나야. 세포가 제대로 기압, 노출을 밀봉되어 있지 않은 경우osphere은 세포가 열려 팝의 원인이됩니다 리튬, 부종의 원인이됩니다. 이것은 압착시 셀을 분쇄하는 것도 가능하다. 이 압착 압력을 방지하기 위해 선택된 것은 크림 퍼 및 세포 성분에 대해 최적화 될 필요가있다.
주사 전자 현미경의 전극면 (SEM) 화상 (도 5) 코인 셀의 건설에 이용되는 음극의 복합성을 보여준다. 도시 큰 입자가 활물질이다. 남은 물질은 PVDF와 카본 블랙의 조합이다.
구조 자체는 본질적으로 확률이지만, 적절한 처리는 시트 내의 입자의 분포에 영향을 미친다. 건조는 음으로 전지 성능에 영향을 미칠 수있는 바인더 및 전도성 첨가제의 불량한 분배를 일으킬 수있다. 너무 건조시켜 시트 대표적인 사이클링 결과를도 6에 도시신속하고 적절하게 제시 두 단계 공정을 이용하여 건조시켰다 시트.
이 순환 데이터는 우리가 다양한 속도로 세포 (특정 용량의 관점에서) 성능을 볼 수 있습니다, 우리가 확장 사이클 후 용량 유지율 볼 수 있습니다. 예컨대도 7에 도시 된 것과 같은 방전 곡선을 방전 곡선 아래 면적으로 결정 세포의 비 에너지를 확인하는 데에 이용 될 수있다.
고려중인 셀 EIS 데이터는 상기 세포를 특성화하는 데 사용될 수있다. 대표적인 EIS 스펙트럼은도 8에서 볼 수있다.
EIS 스펙트럼을 비교하면, (방전 셀에 대한)는 두 개의 주요 구성 요소 (I) 고주파 반원, 및 (ii) 저주파에게 꼬리이다. 꼬리의 기울기로 인한 저항을 나타낸다확산 및 반원은 주파수 범위에 따라, 전사 성을 부과하기 때문에 저항, 및 몇몇 다른 기여의 수를 나타낸다. 다르게 건조 전극의 경우에, 신속하게 건조 된 시트는 높은 전하 이동 저항을 나타내는 큰 반경을 갖는다.
다공성 전극의 두께의 영향에 대한 대표적인 결과는 또한 그림 9에서 다음과 같습니다.
더 얇은 시트가 짧은 확산 거리를 허용하고, 기공률이 추가적으로 더 효율적인 전송을 허용하도록 최적화 될 수있다. 트레이드 오프가 존재한다 (19, 20)로서,이 매개 변수는 절대 아니라는 것을 인식하는 것이 중요하다. 주조 두께, 슬러리 조성, 점도 및 모든 캘린더 링의 정도는 시트의 기공율과 두께에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 신중에 의해 manip이 문서에 설명 된 단계를 조절한다는, 미세 특성을 제어 할 수 있습니다.
도 3 전극 시트 (A)가 너무 작은 NMP 너무 NMP와 (B), 및 불균일 한 건조와 (C)와. 결과적으로 열악한 기계적 안정성 및 전기 화학적 성능 저하의 각 조건의 결과. 일반적으로 전극 시트의 박리하는 것은 초기 혼합 단계에서 작은 NMP에 어느 불량한 기판을 에칭 또는함으로써 시켜서 (a). 대안으로, 너무 많은 NMP (b)는 바람직하지 않은 다공성의 높은 정도를 표시하는 시트를 일으킬 수있다. 마지막으로,이 나타날 수있는 비 균일 한 표면은 (C)를 건조하는 동안 재료 풀링와 모양이 비슷합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 제대로 압착 (왼쪽)와 부적절하게 압착 셀이 바로 압착 한 후 눈에 띄게 개방 될 것 이상이 필요합니다. 몇 시간 동안 팝업 할 수 있습니다 (오른쪽). 잘못 압착 된 4 코인 셀 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
캘린더 링 NMC 음극의 표면도 5 SEM 이미지. 활물질 (NMC)은 활물질의 입자를 둘러싸는 바인더 / 첨가제 (PVDF / 카본 블랙) 복합체와 큰 구형 입자 (~ 10 μm의 직경)로 볼 수있다 . 왼쪽 이미지의 크기는 50 μm의를하고 권리입니다10 μm의. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 6 사이클링 데이터는 C / 10, C / 5, C, 2C, 5C의 속도. 너무 빨리 (부적절하게)시키고 전극과 두 개의 단 건조를 이용하여 더 낮은 레이트에 대한 세포의 비 용량을 도시 한 1C에서 장기 자전거 뒤에 10C. 프로토콜에 도시 재료 적재량 리튬 세포 - 세포 NMC 이루어진 세포를 RT (~ 22 °의 C)에 순환시켰다. C-속도가 관리 카드의 정격 용량에 대한 결정, 약 150 MAH / g이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
얇은 페이지 = "1"> 
도 너무 빨리 (부적절하게)시키고 전극과 두 개의 단 건조를 이용하는 낮은 비율을 위해 도시 7. 방전 곡선. (1C) 및 (c)의 비율에 대한 방전 곡선을 나타낸다. 셀의 특정 에너지가 방전 곡선 아래의 영역으로 판단 할 수있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
100 mHz에서. 데이터에 1 MHz의 주사 주파수 범위도 8 예 EIS 스펙트럼을도 7 및도 8에 제시된 동일한 경우에 대한 5 번째 C / 10 방전 이후에 도시되어있다.e.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
방전 성능에 대한 전극의 두께 (A)과 공극 (B)의도 9 충격. 이들 파라미터의 각각은 (두께, 슬러리 점도 등, 캘린더 캐스팅)이 기술에서 설명 된 단계를 제어함으로써 변경 될 수있다. 여기를 클릭하세요 이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
습식 혼합 스테이지들의 최적화 된 영향 전극의 균일 성 및 밀착성 슬러리 점도 및 코팅 능력에 중요하다. 여기에서 고전 단 혼합 방법은 용매, 첨가제, 바인더, 및 활성 물질이 바이알 내에 존재하는 유리 볼의 움직임을 활용 한 운동을 함께 혼합되는 경우, 사용된다. 마그네틱 스터 방법에 비해,이 혼합 방법은 훨씬 더 빠른 시간 혼합의 이점을 제공한다. 점성 솔루션을 효과적으로 혼합 될이 외에도이 높은 전단 혼합 수 있으며, 물에 산탄 검으로 더 어려운 바인더를 혼합하는 데 필요한 에너지를 제공한다. 혼합, 연마 특성이 유리 불순물 전극 슬러리에 혼입시킬 수있는 바와 같이,이 효과를 최소화하도록 사용될 유리 공은 폐기되어야한다. 필요한 유리 볼의 최소량은 바이알 내의 성분의 혼합 능력에 의존한다. 그러나, 상한으로 인해 존재슬러리의 손실을 혼합하여 유리 공을 코팅. 너무 작은 슬러리 또는 너무 많은 공, 그것은 전극을 캐스팅 할 수있는 전극 슬러리를 충분히 추출 할 수 없습니다. 필요한 NMP의 량은 건조 혼합물 (21)에 존재하는 입자의 총 표면적에 기초한다. 성분 바람직한 건조 중량 비율 (80 % NMC 10 % PVDF로) 20 % 반대로 10 %의 카본 블랙을 포함하도록 조정하고, 예를 들어, NMP의 상당히 낮은 양이 요구 될 것이다 : 2.0 ㎖에 (와 건조 분말 1g의 질량). 또한, 94 % 활성 물질, 도전성 첨가제 3 % 및 3 %의 바인더 조성물, NMP 1.5 mL를 (1 g 건조 분말 질량 다시) 필요하다. 이것은 주로 카본 블랙의 브루 나 우어 - 에멧 - 텔러 (BET) 비 표면적이 나머지 구성 요소보다 훨씬 높다는 사실에 빚. 원하는 새로운 시트 공동 작업시 따라서 초기 혼합 단계에서 적합한 용매 함량의 결정은 신중하게 결정되어야mpositions. 여기에 언급 된 컴포지션 이상적인 관찰 점도는 0.11 아빠 · 초입니다. 그것은 이용 전극 시트의 조성물의 특정 요구 및 이용되는 물질의 성능에 맞게 조정되어야한다는 것을 주목해야한다. 일반적으로, 더 높은 활성 물질 함량은 전극에서 불활성 물질의 존재 량을 감소시키기 위해 사용된다. 그러나 절충 증가 속도로 전지 성능의 관점에서 존재한다.
심지어 완벽한 슬러리로 인한 집 전체에 접착 불량 전극 시트를 얻을 수있다. 제조 공정에서, 알루미늄 포일 재료를 압연 할 때 자기 - 접착을 방지하기 위해 오일의 얇은 층으로 코팅된다. 적절히 세정되지 않으면,이 잔류 물은 전극 부착을 감소시킬 것이다. 세정 동안, 여분의 강조 전극 기판의 청결도를 보장 향해 취해 져야한다. 시트가 세정되는 순서는 (측면을 캐스팅 한 다음 버튼 측으로) 주조 하였다 주조 표면은 가능한 한 깨끗한 지 확인한다. 치료는 집 전체의 표면이 변형되어 표면 피팅 프리 유지되지 않도록 충분히 부드러운 (보풀 충분히 제거) 등이다 종이 타월을 사용하도록주의해야한다. 도 3a에 표시 전극 박리가 부적절 세정을 이용하여 기판으로부터 얻어진 접착 나타낸다. 이것은 충분한 세정 (따라서 불량한 습윤성을 초래) 또는 (기판 표면의 육안 관찰 내공 발생할 수있는) 너무 단단 스크러빙에서 발생할 수있다. 여기에 이용되는 에칭 방법이 이용 비수 용매 및 바인더와 양호한 접착 충분하다. 다른 바인더 및 용제는 코로나 방전 또는 집 전체의 예비 가열 처리와 같은 접착 성을 달성하기 위해 다른 방법을 요구할 수도있다. 예를 들어, 비록 최소 침체와 낮은 습식와 전극의 표면 위에 DI 워터의 유동팅 각도 충분한 주조 표면을 나타내고, 습윤성 제공 수성 처리에 충분하지 않다.
종종 작은 관심을 지불 단계는 전극 건조입니다. 여기서 셀의 최종 미세 구조의 용매 증발로 설정된다. 모바일 전극 성분 (바인더 및 첨가제)의 수직 이동은 (22)을 개발하기 위해 이러한 자료의 수직 분포를 일으킬 수 있습니다. 실제로, 전극의 표면에서 농축 (용매의 액체 용액에 존재) 바인더와 탄소의 퇴적에 전극면 결과 (도전 조제)로부터 용매의 신속한 증발. 이 효과는 어떤 건조 속도에서 발생한다하더라도, 더 높은 속도로 확산 통해 이들 구성 요소의 재분배 충분한 시간이 없다. 두 단계의 건조 공정은 오븐 중에 미세 안에 갇혀 용매 증발시켜, 자유 용매의 균일 한 증착을 허용건조 단계.
코인 셀을 구성 할 때,주의가 양극과 음극이 조심스럽게 셀 내에서 정렬되도록주의해야한다. 여기에서, 약간 더 큰 직경의 애노드는 배치에서 에러의 마진을 허용하기 위해 이용된다. 셀 내의 스페이서 및 웨이브 스프링은 전체 회로가 형성되도록 내부 구성 요소의 두께를 증가시키는 역할을한다. 또한,이 회로는 크리티컬 리튬 이온이 이동되는 전해질이다. 소정 폼팩터 빈 공간 다량 셀 내에 존재한다. 따라서,이 셀 내에 전해액 본의 요철 량을 갖는 것이 가능하다. 완전 세포가 아르곤 없거나 최소한의 포켓이 없도록 몸을 담근 것은 그 샌드위치에 전해질의 분포를 화나게 할 수 존재한다.
전기 특성 중, (여기서 이용되는) 정전 위 또는 정전류 사이클링 하나가 이용 될 수있다. 정전류 충전시 / curre 방전NT는 일정하게 유지되고, 충전 또는 상하 전위 제한에 도달 한 후 방전 셀로서 간주된다. 이 잠재적 인 제한이 사용되는 활성 물질에 따라 달라집니다. 이러한 한계를 넘어 활성 물질을 충전 또는 방전은 저하 될 수 있습니다. 전류가 변화하는 동안 정전 위 충전 / 방전시의 전압은 일정하게 유지된다. 정전 위 사이클의 한 가지 단점은 하한 내려 전류에 필요한 추가적인 시간이다. 이것은 원하는 순환 속도는 사용 목적 및 재료 정보에 기초하여 구성 될 필요가있을 것이다. 여기에 나열된 프로토콜은 범용 프로토콜이지만, 모든 요구에 맞게하지 않을 수 있습니다.
이 기술 학술 연구 또는 산업 환경에서의 재생에 적합하게 정확하게 제어 전극 시트 및 코인 셀의 제작을위한 방법을 제공한다. 이 기술의 기초는 FO 기초로서 이용 될 수있다특정 단계가 최적화해야 할 수도 있지만, R, 큰 배터리 폼팩터 수성 처리 및 다양한 세포 화학 조성물 및 전극 시트를 작성. 이 기술은 (양 또는 음) 커스터마이즈 전극의 작성에 한정되는 경우 재료의 최종 분포 (도메인 내의 아마도 균일하지만) 확률이다. 또한, 더 큰 폼 팩터를 가진 세포의 생성은 발생 전극 크기 변경 (큰 주조 시트)와 이용 셀 구성 요소를 필요로한다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
이 작품은 재정적으로 텍사스 A & M 대학 교수 연구 개시 승인 (무 케르)와 텍사스 주립 대학 창업 자금 (로즈)에 의해 지원됩니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LiNiMNCoO2 (NMC, 1:1:1) | Targray | PLB-H1 | |
| CNERGY Super C-65 | Timcal | ||
| Polyvinylidene Difluoride (PVDF) | Kynar | Flex 2801 | |
| 1-Methyl-2-pyrrolidinone anhydrous, 99.5% NMP | Sigma-Aldrich | 328634 | |
| 1.0 M LiPF6 in EC/DEC (1:1 by vol) | BASF | 50316366 | |
| Celgard 2500 Separator | MTI | EQ-bsf-0025-60C | 25 μm thick; Polypropylene |
| Aluminum Foil | MTI | EQ-bcaf-15u-280 | |
| Lithium Ribbon | Sigma Aldrich | 320080 | 0.75 mm thickness |
| 2-Propanol, ACS reagent, ≥99.5% | Sigma Aldrich | 190764 | |
| Acetone, ACS reagent, ≥99.5% | Sigma Aldrich | 179124 | |
| Stainless Steel CR2032 Coin Cell Kit | Pred Materials | case, cap, and PP gasket | |
| Stainless Steel Spacer | Pred Materials | 15.5 mm diameter x 0.5 mm thickness | |
| Stainless Steel Wave Spring | Pred Materials | 15 mm diameter x 1.4 mm height | |
| Analytical Scale | Ohaus | Adventurer AX | |
| Agate Mortar and Pestle | VWR | 89037-492 | 5 inch diameter |
| Tube Drive | IKA | 3645000 | |
| 20 ml Stirring Tube | IKA | 3703000 | |
| Glass balls | McMaster-Carr | 8996K25 | 6 mm diameter |
| Automatic Film Applicator | Elcometer | K4340M10- | |
| Doctor Blade | Elcometer | K0003580M005 | |
| Die Set | Mayhew | 66000 | |
| Vacuum Oven | MTI | ||
| Vacuum Pump | MTI | ||
| Laboratory Press | MTI | YLJ-12 | |
| Hydraulic Crimper | MTI | MSK-110 | |
| Glovebox | MBraun | LABstar | |
| Battery Cycler | Arbin Instruments | BT2000 | |
| Potentiostat/Galvanostat/EIS | Biologic | VMP3 |
References
- Wagner, R., Preschitschek, N., Passerini, S., Leker, J., Winter, M. Current research trends and prospects among the various materials and designs used in lithium-based batteries. J Appl Electrochem. 43, 481-496 (2013).
- Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chem Rev. 104, 4271-4301 (2004).
- Ellis, B. L., Lee, K. T., Nazar, L. F. Positive Electrode Materials for Li-Ion and Li-Batteries. Chem Mater. 22, 691-714 (2010).
- Tarascon, J. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
- Smith, K., Wang, C. Y. Power and thermal characterization of a lithium-ion battery pack for hybrid-electric vehicles. J Power Sources. 160, 662-673 (2006).
- Lu, L. G., Han, X. B., Li, J. Q., Hua, J. F., Ouyang, M. G. A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles. J Power Sources. 226, 272-288 (2013).
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334, 928-935 (2011).
- Esb Inc. Button Cell battery. US patent. Cich, E. R. , US3655452 A (1972).
- Elul, S., Cohen, Y., Aurbach, D. The influence of geometry in 2D simulation on the charge/discharge processes in Li-ion batteries. J Electroanal Chem. 682, 53-65 (2012).
- Buqa, H., Goers, D., Holzapfel, M., Spahr, M. E., Novak, P. High rate capability of graphite negative electrodes for lithium-ion batteries. J Electrochem Soc. 152, A474-A481 (2005).
- Chen, Y. H., Wang, C. W., Zhang, X., Sastry, A. M. Porous cathode optimization for lithium cells: Ionic and electronic conductivity, capacity, and selection of materials. J Power Sources. 195, 2851-2862 (2010).
- Arora, P., Doyle, M., Gozdz, A. S., White, R. E., Newman, J. Comparison between computer simulations and experimental data for high-rate discharges of plastic lithium-ion batteries. J Power Sources. 88, 219-231 (2000).
- Dillon, S. J., Sun, K. Microstructural design considerations for Li-ion battery systems. Curr Opin Solid St M. 16, 153-162 (2012).
- Harris, S. J., Lu, P. Effects of Inhomogeneities-Nanoscale to Mesoscale-on the Durability of Li-Ion Batteries. J Phys Chem C. 117, 6481-6492 (2013).
- Liu, G., Zheng, H., Song, X., Battaglia, V. S. Particles and Polymer Binder Interaction: A Controlling Factor in Lithium-Ion Electrode Performance. J Electrochem Soc. 159, A214-A221 (2012).
- Zheng, H. H., Yang, R. Z., Liu, G., Song, X. Y., Battaglia, V. S. Cooperation between Active Material, Polymeric Binder and Conductive Carbon Additive in Lithium Ion Battery Cathode. J Phys Chem C. 116, 4875-4882 (2012).
- Liu, Z. X., Battaglia, V., Mukherjee, P. P. Mesoscale Elucidation of the Influence of Mixing Sequence in Electrode Processing. Langmuir. 30, 15102-15113 (2014).
- Liu, Z. X., Mukherjee, P. P. Microstructure Evolution in Lithium-Ion Battery Electrode Processing. J Electrochem Soc. 161, E3248-E3258 (2014).
- Zheng, H. H., Tan, L., Liu, G., Song, X. Y., Battaglia, V. S. Calendering effects on the physical and electrochemical properties of Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O-2 cathode. J Power Sources. 208, 52-57 (2012).
- Zheng, H. H., Li, J., Song, X. Y., Liu, G., Battaglia, V. S. A comprehensive understanding of electrode thickness effects on the electrochemical performances of Li-ion battery cathodes. Electrochim Acta. 71, 258-265 (2012).
- Marks, T., Trussler, S., Smith, A. J., Xiong, D. J., Dahn, J. R. A Guide to Li-Ion Coin-Cell Electrode Making for Academic Researchers. J Electrochem Soc. 158, A51-A58 (2011).
- Li, C. C., Wang, Y. W. Binder Distributions in Water-Based and Organic-Based LiCoO2 Electrode Sheets and Their Effects on Cell Performance. J Electrochem Soc. 158, A1361-A1370 (2011).
