锂离子纽扣电池的非水电极加工和施工
2016年2月1日
非水电极加工是纽扣电池构建和锂离子电池新电极化学评估的核心。提供了电化学工程师在学术实验环境中使用电池所需的基本实践的分步指南。
本实验演示的总体目标是为锂离子电池电极制备和纽扣电池组装以及可在学术实验室环境中进行的电化学分析和表征提供分步程序指南。该演示强调了电处理对锂离子电池性能及其电化学属性的重要性。其中一个关键亮点是，我们试图强调蒸发在锂电池电极加工和制造的干燥步骤中的重要性。
我们希望该演示将为尝试启动电化学工程课程的学生和类似学生提供分步指南，尤其是在 ADR 系列存储中。要开始此过程，请使用切纸机切割一张 4.5 英寸 x 12 英寸的 15 微米厚的铝箔。将丙酮喷洒在干净的塑料板表面，然后将铝箔片放在板上。
接下来，在铝箔表面喷洒大量丙酮，然后开始使用苏格兰垫以小的半圆动作擦洗整个表面。在表面喷洒额外的丙酮，然后用纸巾擦去残留物。在铸造侧用去离子水冲洗蚀刻的铝板。
翻转床单，在亮面重复相同的过程，在暗淡的一面重复相同的过程。用异丙醇冲洗后，将清洗干净的铝板放在两张纸巾之间。然后，将纸巾和清洁的铝板放在两个平板之间，并使用重物压缩约 20 分钟。
然后，将 0.875 克锂锰钴氧化物 （NMC） 和 0.25 克炭黑放入玛瑙研钵和研杵中。将材料轻轻混合在一起，不要研磨。混合物开始形成后，在研钵和研杵中手工研磨 3 到 5 分钟，直到明显观察到均匀的粉末。
使用一张白纸，将混合后的粉末转移到一次性混合管中。然后，向粉末中加入 16 个玻璃球和 5.5 毫升 1-甲基-2-吡咯烷酮或 NMP。将一次性试管放在试管驱动站上并锁定到位。
打开驱动器并缓慢将速度增至最大速度，让内容物混合 15 分钟。混合完成后，将 1.25 克 10% 聚偏二氟乙烯的 NMP 溶液直接加入试管中。将试管放回驱动器上后，让内容物混合 8 分钟。
接下来，在涂膜器的表面涂上一层异丙醇，并将干燥的铝基材（闪亮的一面朝下）放在表面上。用折叠的纸巾压出多余的异丙醇，直到去除所有皱纹和溶剂。从管驱动器中取出混合管后，将浆料以 2 到 3 英寸的直线倒在基材表面，距离基材顶部约 1 英寸。
然后，将铸造速度设置为每秒 20 毫米并激活薄膜涂抹器的铸造臂。浇注完成后，使用一块薄纸板将浇铸电极从涂膜器表面提起，以确保片材上没有皱纹。电极片在室温下干燥 16 小时后，在 70 摄氏度的烘箱中干燥约 3 小时。
此时，将干燥的电极片放在先前清洁过的铝金属板上。轻轻地将 1/2 英寸的打孔器放在表面均匀的板材区域上。慢慢地对冲头施加压力，并在冲头边缘滚动压力，以确保干净利落的切割。
用干净的塑料镊子从片材上取下切割的电极，然后将其放入贴有标签的小瓶中，电极表面朝外。然后，在 120 摄氏度、零下 0.1 兆帕斯卡的真空烘箱中进一步干燥电极 12 小时，以去除任何残留的水分。从烤箱中取出电极后，称量在 0.0001 克以内。
在手套箱中，将纽扣电池盒放入小称重船中，然后将阴极放入纽扣电池盒的中心。将一到两滴电解液滴在电极中心，然后在外壳边缘的相对两侧滴一滴。将单个 3/4 英寸分离器放在电极表面。
然后，将垫圈放入外壳中，平坦的一面朝下，唇缘朝上。将两到三滴电解液滴在电池中心，然后将准备好的对电极放在中心，锂面朝下。将波形弹簧放在居中的对电极顶部。
在此之后，将电解质填充到电池的边缘，直到它形成一个弯曲的凸弯月面，覆盖了大部分波形弹簧表面。小心地将纽扣电池盖放在电池顶部，用镊子将电池盖垂直固定在电池上方。向下按压盖子，直到它进入垫圈的边缘。
将电池转移到压接器上，并确保电池位于压接模具凹槽的中心。将电池压接至约 6.2 兆帕斯卡的压力，然后松开。清除任何溢出的电解液。
完成后，从手套箱中取出单元格。从手套箱中取出电解液后，清理多余的电解液并给电解液贴上标签。此时，将干净的电池连接到电池循环仪。
通过测量开路电位，确保端子连接正确。测得的电极质量为 0.0090 克，铝盘质量为 0.0054 克，额定容量为每克 155 毫安小时，可确定所需的电流。接下来，在循环仪上设置时间表，分别在 4.2 伏和 2.8 伏的上限和 2.8 伏电压水平之间对电池进行充电和放电。
以 C 超过 10 的速率循环电池四次。然后，在 C 处将电池充电一次，超过 10。在第 5 次 C 超过 10 次充电后，休息 1 小时后对电池进行 EIS。
然后，将细胞放回循环仪上，并在 C 处放电超过 10。在进行另一次 EIS 分析并将电池放回循环仪上后，以 C 超过 5、C、2 C、5 C 和 10 C 的速率循环电池 5 次，然后是 100 个 1 C 循环。通过将以毫安小时为单位的容量除以阴极中存在的活性材料的质量，确定每个 C 速率下电池的比容量。
通过将最后五个 1 C 循环的平均比容量除以前 5 个 1 C 循环的平均比容量来计算容量保持率。正确铸造的电极片应看起来均匀并粘附在集流体上。片材剥落是由于蚀刻不良或 NMP 太少引起的。
过多的 NMP 会导致更高程度的孔隙率。最后，干燥过程中的材料积点可能会导致表面不均匀。当电池没有正确密封时，大气暴露会导致锂膨胀，从而导致电池弹开。
电极表面的 SEM 成像揭示了阴极的复杂性。大颗粒是活性材料，其余材料是聚偏二氟乙烯和炭黑。此处显示了干燥过快的片材和正确干燥的片材的代表性循环结果。
电池的比能量可以确定为放电曲线下的面积。EIS 数据中尾部的斜率表示扩散引起的电阻，半圆表示电荷转移电阻引起的电阻数。快干片材的半径更大，表明电荷转移电阻更高。
铸件厚度、浆料粘度和成分以及压延程度都直接影响电极片的孔隙率和厚度。较薄的片材可实现更短的扩散距离。并且可以优化孔隙率以实现更高效的转移。
一旦掌握，如果作得当，该方法可以在 24 小时内完成。在尝试此程序时，必须戴上安全手套并保持电极片清洁，然后在手套箱中进行最终电池组装。按照此程序，对组装的纽扣电池进行电化学测试，例如充放电循环、循环伏压法和电化学阻抗谱法，以对不同循环和环境条件下的电池行为和性能特征进行分类。
这项实验探索强调了电处理对电池性能和电化学属性的重要性。观看演示视频后，您应该对制作电极和纽扣电池组件的基本步骤有很好的了解，然后在实验室中进行锂离子电池的电化学测试。不要忘记电解质很容易与氧气和水发生反应，因此，纽扣电池的组装必须在手套箱中完成。
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概述
本文提供了锂离子电池电极制备和硬币电池组装的详细程序指南。它强调了电加工技术在提高电池性能和表征其电化学性质方面的重要性。
关键研究组成部分
科学领域
- 电化学工程
- 电池技术
- 材料科学
背景
- 非水电极加工对锂离子电池的发展至关重要。
- 了解干燥过程对于有效的电极制造至关重要。
- 电化学分析对于评估电池性能至关重要。
- 本研究旨在指导学术环境中的学生。
研究目的
- 提供电极制备的分步指南。
- 展示硬币电池组装技术。
- 强调蒸发在电极加工中的重要性。
使用的方法
- 将铝箔切割至指定尺寸。
- 使用丙酮进行表面清洁。
- 在受控环境中组装硬币电池。
- 进行电化学表征测试。
主要结果
- 建立了详细的电极制备程序。
- 强调了干燥步骤中蒸发的重要性。
- 提供了有效硬币电池组装的指南。
- 概述了电化学分析技术。
结论
- 本研究为电化学工程学生提供了全面的指南。
- 了解电极加工对于电池性能至关重要。
- 所概述的方法可以在学术实验室中复制。
常见问题
Executive Industry Relevance
This protocol enables reproducible electrode fabrication and coin cell assembly for lithium-ion battery research, supporting early-stage material screening and electrochemical characterization. By standardizing drying and calendaring parameters, it reduces variability in electrode microstructure, improving data reliability for go/no-go decisions in battery development pipelines. The method provides a controlled platform to evaluate active material utilization, porosity, and ionic transport under defined processing conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables systematic interrogation of electrode processing variables on electrochemical performance, supporting mechanistic understanding of structure-property relationships in energy storage materials.
- Operational Value: Provides a standardized workflow for preparing uniform electrode discs, reducing batch-to-batch variability in early material screening.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative outputs such as specific capacity, capacity retention, and EIS-derived resistance metrics, enabling objective comparison of electrode formulations.
- Operational Value: Supports assay standardization through defined slurry mixing, casting speed, drying protocols, and calendaring effects on porosity and thickness.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates evaluation of electrode stability and sealing integrity under controlled environments, informing design choices for longer cycle life and safety in battery systems.
- Operational Value: Enables replication of cell assembly procedures in glove box conditions, ensuring consistency for downstream electrochemical testing across material variants.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by providing a reliable platform for evaluating lithium-ion battery electrode materials after synthesis and before scale-up considerations.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how drying kinetics and calendaring pressure influence electrode porosity, tortuosity, and ionic transport, linking processing to functional performance.
- Screening: Enables reproducible preparation of electrode discs with controlled thickness and surface uniformity, critical for accurate electrochemical screening of active materials and additives.
- Analytics: Delivers quantitative readouts including specific capacity (mAh/g), capacity retention over cycles, and EIS-derived charge transfer and diffusion resistance, allowing comparative analysis across processing conditions.
- Translational Research: Connects electrode microstructure to cell-level performance metrics, supporting risk-adjusted decisions on material advancement based on cycling stability and impedance trends.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable electrode fabrication and coin cell assembly protocol that can be shared across teams for consistent evaluation of lithium-ion battery materials in academic and early industrial research settings.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in electrode performance by minimizing variability from processing artifacts such as uneven drying or poor adhesion.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized steps for substrate cleaning, slurry mixing, casting, drying, and electrode punching.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions in material selection by linking processing parameters to electrochemical outputs like rate capability and cycle life.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of electrode formulations based on reproducible performance data under defined processing conditions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrochemical engineering and battery assembly techniques, including glove box operation for air-sensitive components.
- Depends on instrumentation such as mortar and pestle, tube mixer, film applicator, hole punch, vacuum oven, and battery cycler with EIS capability.
- Necessitates standardization of slurry composition, mixing speed, casting speed, drying temperature and duration, and calendaring pressure across users.
- Involves adaptation considerations for different active materials, binders, conductive additives, and solvent systems beyond NMC and NMP.
- Includes practical limitations such as sensitivity to moisture, requiring vacuum drying and glove box handling to prevent lithium swelling and cell failure.
