Method Article
يتطلب البحث في المواد الجديدة والمحسنة التي سيتم استخدامها في بطاريات الليثيوم أيون (LIB) نظيرا تجريبيا لأي تحليل حسابي. اتخذ اختبار بطاريات الليثيوم أيون في بيئة أكاديمية عدة أشكال ، ولكن على المستوى الأساسي يكمن بناء خلية العملة المعدنية. في تحضير قطب LIB التقليدي ، يتم إلقاء ملاط متعدد المراحل يتكون من مادة فعالة ، ومادة رابطة ، ومادة مضافة موصلة على الركيزة. يمكن بعد ذلك ثقب قرص قطب كهربائي من الصفيحة المجففة واستخدامه في بناء خلية معدنية للتقييم الكهروكيميائي. يعتمد استخدام إمكانات المادة الفعالة في البطارية بشكل حاسم على البنية المجهرية للقطب الكهربائي ، حيث أن التوزيع المناسب للمكونات الأولية أمر بالغ الأهمية لضمان التوصيل الكهربائي الأمثل والمسامية والالتواء ، بحيث يتم تحسين التفاعل الكهروكيميائي والنقل. يمكن أن تؤثر خطوات المعالجة التي تتراوح من مزيج المسحوق الجاف والخلط الرطب والتجفيف بشكل حاسم على التفاعلات متعددة المراحل التي تؤثر على تكوين البنية المجهرية. يتطلب التحقيق الكهروكيميائي بناء أقطاب كهربائية وخلايا معدنية بأقصى قدر من العناية والدقة. تهدف هذه الورقة إلى توفير دليل خطوة بخطوة لمعالجة الأقطاب الكهربائية غير المائية وبناء الخلايا المعدنية لبطاريات الليثيوم أيون في بيئة أكاديمية مع التركيز على فك تشفير تأثير التجفيف والتقويم.
بطاريات ليثيوم أيون تمثل مصدرا واعدا لتلبية الاحتياجات المتزايدة من أجهزة تخزين الطاقة 1-4. ومن شأن التحسينات في قدرة يبس ليس فقط تحسين مجموعة فعالة من السيارات الكهربائية 5،6، ولكن أيضا تحسين دورة الحياة عن طريق الحد من عمق التصريف، وهذا بدوره يزيد من قابلية يبس لاستخدامها في تطبيقات تخزين الطاقة الشبكة 7.
في الأصل تستخدم لالسمع في 1970s 8، وتستخدم خلايا عملة اليوم عادة في تطوير وتقييم المواد القطب الجديدة والقائمة. باعتبارها واحدة من أصغر عامل الشكل للبطاريات، وهذه الخلايا تمثل وسيلة بسيطة وفعالة لخلق البطاريات في محيط البحوث الأكاديمية. وتتكون بطارية ليثيوم ايون نموذجية من القطب السالب، الأنود، وهواة جمع الحالية، وفاصل يسهل اختراقها والتي يمنع التقليل من القطب الموجب والسالب. أثناء تشغيل بطارية ليثيوم ايون، الإعلام والتوعيةنانوثانية والالكترونات متحركة. خلال التفريغ، أيونات السفر من القطب السالب (الأنود) من خلال فاصل يسهل اختراقها وإلى القطب الموجب أو السالب. وفي الوقت نفسه، الإلكترونات تنتقل من خلال جامع الحالي، عبر الدائرة الخارجية، إعادة توحيد أخيرا مع الأيونات على الجانب الكاثود. من أجل الحد من أي المقاومة المرتبطة أيون ونقل الإلكترون، تحتاج إلى المكونات لتكون موجهة بشكل صحيح - وينبغي التقليل من السفر أيونات بعد. عادة هذه المكونات يتم الجمع بين تكوين "ساندويتش". تتكون البطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية، والهواتف المحمولة، والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية من السندويشات الكبيرة التي هي الجرح حلزونيا أو مطوية، اعتمادا على عامل الشكل للبطارية. هذه الأنواع من الخلايا يمكن أن يكون من الصعب جدا لتصنيع في المقاييس الصغيرة دون تكبد تكاليف عالية. ومع ذلك، في زنزانة عملة لا يوجد سوى ساندويتش واحد داخل الخلية. على الرغم من المعدات المتخصصة لا تزال هناك حاجة لإنشاء أقطاب ط خلايا عملة ن، الخلايا نفسها يمكن تجميعها بسرعة باليد ومختومة في بيئة تسيطر عليها.
أداء البطاريات، بغض النظر عن نوع، ويعتمد على المواد التي تشكل القطب الإيجابي والسلبي، واختيار بالكهرباء، والعمارة خلية 4،9-13. يتكون القطب LIB نموذجي من مزيج من ليثيوم تحتوي على المادة الفعالة، والمضافات موصل، الموثق البوليمر، ومساحة الفراغ الذي يملأ مع بالكهرباء. ويمكن تنظيم التجهيز الكهربائي في خمس خطوات رئيسية هي: الجافة خلط مسحوق، الخلط الرطب، وإعداد الركيزة، وتطبيق الفيلم، والتجفيف - خطوة الذي غالبا ما يعطى القليل من الاهتمام. عندما انتاج الكهربائي باستخدام هذه خطوات المعالجة، والهدف النهائي هو تحقيق فيلم القطب موحدة تتألف من المادة الفعالة، والمضافات موصل، الموثق. هذا توزيع موحد أمر بالغ الأهمية لتحقيق الأداء الأمثل ليبس 14-18.
الإقليم الشمالي "> هذا الدليل يمثل الخطوات المستخدمة في تكساس A & M في مختبر الطاقة وعلوم النقل (ETSL) وفي جامعة ولاية تكساس لتصنيع خلايا عملة لتقييم المواد القطب الجديدة والقائمة. وبالإضافة إلى الخطوات الأساسية التي وجدت موثقة في العديد من المصادر ، أدرجنا خبراتنا الخاصة في المراحل الحرجة، مشيرا إلى التفاصيل المهمة التي غالبا ما يتم استبعاده من الوثائق أساليب مماثلة والعديد من المنشورات. بالإضافة إلى ذلك، الطرق الفيزيائية والكهروكيميائية الأولية المستخدمة في المختبر لدينا (الدراجات galvanostatic والكهروكيميائية الممانعة الطيفي (EIS)) يتم توضيح الداخل.Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ينبغي توخي الحذر عند استخدام أي من المذيبات والمواد الكاشفة، أو المساحيق الجافة المستخدمة في هذا البروتوكول. قراءة كافة الأوراق MSDS واتخاذ تدابير السلامة المناسبة. وتشمل التجهيزات القياسية السلامة قفازات، نظارات السلامة، ومعطف المختبر.
1. إعداد القطب السالب
ملاحظة: يتم عرض نظرة عامة التخطيطي لعملية تلفيق الكاثود في الشكل 1.

الشكل 1. نظرة عامة تخطيطي من الخطوات المستخدمة في ETSL لخلق اقطاب. وتشمل عملية الرئيسية إعداد وصب الطين الكهربائي على ركيزة الألومنيوم تنظيفها، تليها جفاف ورقة القطب وإدماجها في خلايا عملة واحدة. الرجاء النقر هنا ل عرض هاء وأكبرrsion من هذا الرقم.
2. الأنود ورقة لخلية كامل
3. عملة خلية ما قبل التجمع
تنبيه: يتم تنفيذ بناء خلايا عملة داخل الخاملة (أرغون) البيئة داخل صندوق قفازات. هيجب أن تؤخذ إكستريم الحذر للحد من التعرض للبيئة الداخلية إلى الجو الخارجي. وينبغي التقليل من العمل مع مواد حادة داخل صندوق قفازات إذا كان ذلك ممكنا. كقاعدة عامة، يجب أن مهمة داخل صندوق قفازات يستغرق 3 مرات أطول من السرعة التي المهمة سيكون أداؤها خارج. كما ينبغي ارتداء القفازات على قفازات صندوق قفازات للحد من التعرض عند العمل مع المواد المختلفة.
ملاحظة: العناصر اللازمة لبناء الخلية عملة واحدة، بما في ذلك غطاء، حالة، والينابيع موجة، والحشايا، والفواصل، والليثيوم وشاح، بالكهرباء وبقية أدوات مثل ملاقط البلاستيك (لوضع مكون) وترد في إطار صندوق قفازات الأرجون مملوءة مع O 2 و H 2 O مستويات حافظت أقل من 0.5 جزء في المليون. جميع مكونات إدراجها في صندوق قفازات (بما في ذلك مناديل مهمة خالية من الوبر) وينبغي تسخين O / N في فرن الفراغ عند 120 درجة مئوية تحت ضغط من -0.1 ميجا باسكال لإزالة أيرطوبة.
4. عملة خلية الجمعية
ملاحظة: تكوين الخلية العملة هوقدمت في الشكل 2.

الشكل 2. مكونات الخلية عملة المعروضة في ترتيب وضع داخل الخلية. ويتبع الموضع من القطب السالب من قبل الفاصل، وحشية، القطب المضاد وموجة الربيع، تليها ختم الخلية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم .
5. تقييم الكهروكيميائية
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
يجب أن تظهر ورقة القطب يلقي صحيح موحدة في مظهر السطح وتلتزم بشكل صحيح إلى المجمع الحالي. يتساقط عادة من ورقة الكهربائي سببه إما النقش ضعف الركيزة، أو الاضطرار إلى NMP قليلا في مرحلة خلط الأولية. بدلا من ذلك، يمكن أن الكثير من NMP تتسبب في ورقة لعرضه على درجة عالية من المسامية، وهو غير مرغوب فيه. وأخيرا، يمكن ملاحظة النمط الثالث على سطح القطب، حيث يظهر تجميع تحدث. التفاعل مع الظروف المحيطة من الغرفة (الرطوبة، ودرجة الحرارة، وأية حركة الهواء) هي الأس...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
الاستفادة المثلى من مراحل خلط الرطب حاسمة لزوجة الطين وطلاء القدرة، مما يؤثر على وحدة والتصاق القطب. هنا يستخدم أسلوب خلط عالية القص، حيث المذيبات، المضافة، الموثق، والمادة الفعالة تختلط معا الاستفادة من الاقتراحات الحركية للكرات زجاجية موجودة في قارورة. هذه التقنية خلط تقدم فائدة أكثر من ذلك بكثير الأوقات الخلط السريعة بالمقارنة مع طريقة مغناطيسي. أبعد من ذلك، وهذا القص خلط عالية يسمح لإيجاد حلول أكثر لزوجة أن تكون مختلطة على نحو فعال، ويوفر الطاقة اللازمة لخلط المواد الرابطة أكث...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
ويدعم هذا العمل ماليا من تكساس A & M جامعة منحة بدء الأبحاث أعضاء هيئة التدريس (موخرجي) وجامعة ولاية تكساس تمويل البدء (رودس).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| LiNiMNCoO2 (NMC ، 1: 1: 1) Targray | PLB-H1 | ||
| CNERGY Super C-65 | Timcal | ||
| Polyvinylidene ثنائي فلوريد (PVDF) | Kynar | Flex 2801 | |
| 1-Methyl-2-pyrrolidinone اللامائي ، 99.5٪ NMP | Sigma-Aldrich | 328634 | |
| 1.0 M LiPF6< / sub> في EC / DEC (1: 1 حسب المجلد) | BASF | 50316366 | |
| Celgard 2500 فاصل | MTI | EQ-bsf-0025-60C | 25 &# 956 ؛ م سميكة |
| رقائق الألومنيوم | MTI | EQ-bcaf-15u-280 | |
| شريط الليثيوم | Sigma Aldrich | 320080 | سمك 0.75 مم |
| 2-Propanol ، كاشف ACS ، & ge ؛ 99.5٪ | سيجما ألدريتش | 190764 | |
| الأسيتون ، كاشف ACS ، & 99.5٪ | سيجما ألدريتش | 179124 | |
| المقاوم للصدأ CR2032 مجموعة خلية العملة المعدنية ؛ | المواد | المفترسة ، الغطاء ، وحشية PP | |
| الفولاذ المقاوم للصدأ فاصل ؛ | الجاهزة | 15.5 مم القطر × 0.5 & nbsp ؛ مم سمك | |
| المقاوم للصدأ موجة الربيع ؛ | المسبقة | 15 مم القطر × 1.4 & nbsp; | |
| تحليلي | مم Ohaus | Adventurer AX | |
| Agate Mortar and Pestle | VWR | 89037-492 | 5 بوصة |
| محرك أنبوب | IKA | 3645000 | |
| 20 مل أنبوب التحريك | IKA | 3703000 | |
| كرات زجاجية | McMaster-Carr | 8996K25 | قطر 6 مم |
| قضيب | فيلم أوتوماتيكيمقياس الكهرباء | K4340M10-Doctor | |
| Blade | Elcometer | K0003580M005 | |
| مجموعة القوالب | Mayhew | 66000 | |
| فرن فراغ | MTI | ||
| مضخة فراغ | MTI | ||
| مكبس مختبر | MTI | YLJ-12 | |
| المكشكش الهيدروليكي | MTI | MSK-110 | |
| Glovebox | MBraun | LABstar | |
| Battery Cycler | Arbin Instruments | BT2000 | |
| Potentiostat / Galvanostat / EIS | Biologic | VMP3 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission