تجهيز الكهربائي غير مائي وبناء خلايا بطارية ليثيوم أيون كوين

الهدف العام من هذا العرض التجريبي هو توفير إرشادات إجرائية خطوة بخطوة لإعداد قطب بطارية ليثيوم أيون وتجميع خلايا العملة المعدنية ، جنبا إلى جنب مع التحليل الكهروكيميائي والتوصيف الذي يمكن إجراؤه في بيئة مختبرية أكاديمية. يسلط هذا العرض التوضيحي الضوء على أهمية المعالجة الكهربائية على أداء بطاريات الليثيوم أيون وخصائصها الكهروكيميائية. أحد النقاط البارزة الرئيسية هو أننا نحاول التأكيد على أهمية التبخر في خطوة التجفيف لمعالجة قطب بطارية الليثيوم وتصنيعها.

نأمل أن يوفر هذا العرض التوضيحي إرشادات خطوة بخطوة للطلاب وعلى حد سواء الذين يحاولون بدء البرنامج في الهندسة الكهروكيميائية ، وخاصة في تخزين عائلة ADR. لبدء هذا الإجراء ، قم بقص ورقة مقاس 4.5 بوصة × 12 بوصة من رقائق الألومنيوم بسمك 15 ميكرومتر ، باستخدام قاطع الورق. رش الأسيتون على سطح لوح بلاستيكي نظيف ، ثم ضع ورقة القصدير على السبورة.

بعد ذلك ، رش كمية وفيرة من الأسيتون على سطح الرقاقة ، وابدأ في فرك السطح بالكامل بحركات نصف دائرة صغيرة ، باستخدام وسادة سكوتش. رش الأسيتون الإضافي على السطح ، وامسح البقايا بمنشفة ورقية. اشطف صفائح الألمنيوم المحفورة بالماء منزوع الأيونات على جانب الصب.

اقلب الورقة وكرر نفس الإجراء في الجانب المشرق ، ومرة أخرى في الجانب الباهت. بعد الشطف بكحول الأيزوبروبيل ، ضع لوح الألمنيوم النظيف بين منشفتين ورقيتين. بعد ذلك ، ضع المناشف الورقية وألواح الألمنيوم النظيفة بين لوحين مسطحين وضغطها باستخدام جسم ثقيل لمدة 20 دقيقة تقريبا.

بعد ذلك ، ضع 0.875 جراما من أكسيد الكوبالت المنغنيز الليثيوم ، أو NMC ، و 0.25 جراما من أسود الكربون في ملاط العقيق والمدقة. اخلطي المواد معا برفق دون طحن. بعد أن يبدأ الخليط في التكون ، اطحن المزيج يدويا في الهاون والمدقة لمدة ثلاث إلى خمس دقائق ، حتى يتم ملاحظة مسحوق موحد بشكل واضح.

باستخدام قطعة من الورق الأبيض ، انقل الطاقة المختلطة إلى أنبوب خلط يمكن التخلص منه. ثم أضف 16 كرة زجاجية و 5.5 مل من 1-methyl-2-pyrrolidon ، أو NMP ، إلى المسحوق. ضع الأنبوب القابل للتصرف على محطة محرك أنبوبي وثبته في مكانه.

قم بتشغيل محرك الأقراص وقم بزيادة السرعة القصوى ببطء ، مما يسمح للمحتويات بالاختلاط لمدة 15 دقيقة. عند اكتمال الخلط ، أضف 1.25 جرام من 10٪ من ثنائي فلوريد البولي فينيلدين في محلول NMP مباشرة إلى الأنبوب. بعد إعادة الأنبوب إلى محرك الأقراص ، اترك المحتويات تختلط لمدة ثماني دقائق.

بعد ذلك ، ضع طبقة من كحول الأيزوبروبيل على سطح قضيب الفيلم وضع ركيزة الألمنيوم المجففة ، بحيث يكون الجانب اللامع لأسفل ، على السطح. اضغط على كحول الأيزوبروبيل الزائد بمنشفة ورقية مطوية حتى تتم إزالة جميع التجاعيد والمذيبات. بعد إزالة أنبوب الخلط من محرك الأنبوب ، اسكب الملاط على سطح الركيزة في خط من بوصتين إلى ثلاث بوصات ، على بعد بوصة واحدة تقريبا من أعلى الركيزة.

بعد ذلك ، اضبط سرعة الصب على 20 ملم في الثانية وقم بتنشيط ذراع الصب لقضيب الفيلم. بمجرد اكتمال الصب ، ارفع القطب المصبوب من سطح قضيب الفيلم باستخدام قطعة رقيقة من الورق المقوى لضمان عدم وجود تجاعيد على الورقة. بعد ترك لوح القطب يجف لمدة 16 ساعة في درجة حرارة الغرفة ، جففه على حرارة 70 درجة مئوية لمدة ثلاث ساعات تقريبا في الفرن.

في هذه المرحلة ، ضع لوح القطب المجفف على لوح الألمنيوم الذي تم تنظيفه مسبقا. ضع ثقب 1/2 بوصة برفق على منطقة من الورقة ذات سطح موحد. اضغط ببطء على الثقب ، وقم بلف الضغط حول حواف الثقب ، لضمان قطع نظيف.

قم بإزالة القطب المقطوع من الصفيحة باستخدام ملاقط بلاستيكية نظيفة ، وضعها في قارورة تحمل علامة بحيث يكون سطح القطب متجها للخارج. بعد ذلك ، قم بتجفيف الأقطاب الكهربائية في فرن مفرغ من الهواء عند 120 درجة مئوية ، عند 0.1 ميجا باسكال تحت الصفر ، لمدة 12 ساعة لإزالة أي رطوبة متبقية. بعد إخراج الأقطاب الكهربائية من الفرن ، قم بوزنها في حدود 0.0001 جرام.

في صندوق القفازات ، ضع علبة خلية عملة معدنية في قارب وزن صغير وضع الكاثود في وسط علبة خلية العملة المعدنية. ضع قطرة أو قطرتين من المنحل بالكهرباء على مركز القطب ، وقم بتطبيق قطرة واحدة على جانبي حافة العلبة. ضع فاصلا واحدا مقاس 3/4 بوصة على سطح القطب.

بعد ذلك ، ضع الحشية في العلبة ، بحيث يكون الجانب المسطح متجها لأسفل وجانب الشفة متجها لأعلى. ضع قطرتين إلى ثلاث قطرات من المنحل بالكهرباء على مركز الخلية وضع القطب المضاد المحضر على المركز ، بحيث يكون جانب الليثيوم متجها لأسفل. ضع زنبرك الموجة أعلى القطب المضاد المركزي.

بعد ذلك ، املأ الخلية حتى أسنانها بالكهرباء ، حتى تشكل غضروفا مفصليا منحنيا محدبا يغطي معظم سطح الزنبرك الموجي. ضع غطاء خلية العملة المعدنية بعناية أعلى الخلية ، باستخدام الملقط لتثبيت الغطاء عموديا فوق الخلية. اضغط لأسفل على الغطاء حتى يتماسك في حافة الحشية.

انقل الخلية إلى المكشكش ، وتأكد من أن الخلية متمركزة في أخدود قالب العقص. تجعيد الخلية إلى ضغط حوالي 6.2 ميجا باسكال ، ثم حررها. نظف أي إلكتروليت مسكتب.

عند الانتهاء ، قم بإزالة الخلية من صندوق القفازات. بعد إزالة الخلية من صندوق القفازات ، قم بتنظيف أي إلكتروليت زائد وقم بتسمية الخلية. في هذه المرحلة ، قم بتوصيل الخلية النظيفة بدورة البطارية.

تأكد من توصيل المحطات بشكل صحيح عن طريق قياس إمكانات الدائرة المفتوحة. مع كتلة قطب كهربائي مقاسة تبلغ 0.0090 جرام ، وكتلة قرص الألومنيوم 0.0054 جرام ، وسعة مقدرة تبلغ 155 مللي أمبير ساعة لكل جرام ، تحدد التيار المطلوب. بعد ذلك ، قم بتعيين الجدول الزمني على جهاز التدوير لشحن الخلية وتفريغها بين مستويات الجهد العلوي والسفلي البالغة 4.2 فولت و 2.8 فولت ، على التوالي.

قم بتدوير الخلية أربع مرات بمعدل C على 10. ثم اشحن الخلية مرة واحدة عند درجة مئوية فوق 10. بعد الشحنة الخامسة C على 10 ، قم بإجراء EIS على الخلية بعد الراحة لمدة ساعة واحدة.

ثم ضع الخلية مرة أخرى على الدراجة وتفريغها عند درجة مئوية فوق 10. بعد إجراء تحليل EIS آخر وإعادة الخلية إلى التدوير ، قم بتدوير الخلية خمس مرات بمعدلات C على خمسة ، C ، اثنان C ، خمسة C ، و 10 C ، متبوعة ب 100 دورة C واحدة. حدد السعة المحددة للخلايا عند كل معدل C ، بقسمة السعة بالمللي أمبير / ساعة على كتلة المادة الفعالة الموجودة في الكاثود.

احسب الاحتفاظ بالسعة بقسمة متوسط السعة النوعية لآخر خمس دورات C واحدة على متوسط السعة النوعية لأول خمس دورات C واحدة. يجب أن تظهر لوح القطب الكهربائي المصبوب بشكل صحيح موحدة وتلتزم بالمجمع الحالي. يحدث تقشر الورقة بسبب ضعف النقش أو القليل جدا من NMP.

ويمكن أن يتسبب الكثير من NMP في حدوث درجة أعلى من المسامية. أخيرا ، يمكن أن يحدث السطح غير المنتظم بسبب تجميع المواد أثناء التجفيف. عندما لا يتم إغلاق الخلية بشكل صحيح ، فإن التعرض الجوي سيؤدي إلى تورم الليثيوم ، مما يؤدي إلى انفتاح الخلية.

يكشف تصوير SEM لسطح القطب الكهربائي عن مدى تعقيد الكاثود. الجسيمات الكبيرة هي المادة الفعالة ، والمواد المتبقية هي ثنائي فلوريد البولي فينيلدين وأسود الكربون. تظهر هنا نتائج ركوب الدراجات التمثيلية للورقة التي تم تجفيفها بسرعة كبيرة وتلك التي تم تجفيفها بشكل صحيح.

يمكن تحديد الطاقة النوعية للخلايا كمنطقة تحت منحنى التفريغ. يشير ميل الذيل في بيانات EIS إلى المقاومة الناتجة عن الانتشار ، ويمثل نصف الدائرة عدد المقاومات بسبب مقاومة نقل الشحنة. تتميز الصفيحة المجففة بسرعة بنصف قطر أكبر ، مما يشير إلى مقاومة أعلى لنقل الشحنة.

سمك الصب ولزوجة الملاط وتكوينه ودرجة التقويم كلها لها تأثير مباشر على مسامية وسمك لوح القطب. تسمح الورقة الرقيقة بمسافات انتشار أقصر. ويمكن تحسين المسامية للسماح بنقل أكثر كفاءة.

بمجرد إتقانها ، يمكن إنجاز الطريقة في غضون 24 ساعة إذا تم تنفيذها بشكل صحيح. أثناء محاولة هذا الإجراء ، من الضروري ارتداء قفازات السلامة والحفاظ على صفائح أقطاب كهربائية نظيفة ، متبوعة بتجميع الخلية النهائي في صندوق القفازات. باتباع هذا الإجراء مع خلية العملة المجمعة ، يمكن إجراء الاختبار الكهروكيميائي ، مثل دورة تفريغ الشحنة ، وقياس الطاهل الدوراني ، ومطياف المعاوقة الكهروكيميائية بشكل روتيني لتصنيف سلوك الخلية وخصائص الأداء في ظل ظروف مختلفة للدورة والبيئة.

يسلط هذا الاستكشاف التجريبي الضوء على أهمية المعالجة الكهربائية على أداء الخلية والسمات الكهروكيميائية. بعد مشاهدة الفيديو التوضيحي ، يجب أن يكون لديك فهم جيد للخطوات الأساسية في صنع تجميع القطب الكهربائي والخلايا المعدنية ، متبوعا بالاختبار الكهروكيميائي لبطاريات الليثيوم أيون في المختبر. لا تنس أن المنحل بالكهرباء يمكن أن يتفاعل بسهولة مع الأكسجين والماء ، وبالتالي ، يجب أن يتم تجميع خلية العملة المعدنية في صندوق القفازات.