Konstrukcja i testowanie ogniw guzikowych baterii litowo-jonowych

Archana Kayyar; Jiajia Huang; Mojtaba Samiee; Jian Luo

doi:10.3791/4104

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Konstrukcja i testowanie ogniw guzikowych baterii litowo-jonowych

33.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/4104

⸱

2 sierpnia 2012

Archana Kayyar¹ , Jiajia Huang¹ , Mojtaba Samiee¹ , Jian Luo¹^,²

¹School of Materials Science and Engineering, Clemson University, ²Center for Optical Materials Science and Engineering Technologies, Clemson University

W tym artykule

Podsumowanie

Opisano protokół konstrukcji i testowania ogniw guzikowych baterii litowo-jonowych. Przedstawiono szczegółowe procedury wykonania elektrody roboczej, przygotowania elektrody przeciwnej, montażu ogniwa wewnątrz komory rękawicowej oraz testowania ogniwa.

Streszczenie

Akumulatory litowo-jonowe znajdują szerokie zastosowanie w elektronice, gdzie konsumenci stale oczekują większej pojemności i dłuższej żywotności. Akumulatory litowo-jonowe są również rozważane do zastosowań w pojazdach elektrycznych i hybrydowych¹, a nawet w systemach stabilizacji sieci elektrycznej². Wszystkie te zastosowania stymulują gwałtowny wzrost badań i rozwoju materiałów akumulatorowych^3-7, w tym nowych materiałów^3,8, domieszkowania⁹, nanostrukturyzacji^10-13, powłok lub modyfikacji powierzchni^14-17 oraz nowatorskich lepiszczy¹⁸. W konsekwencji coraz większa liczba fizyków, chemików i naukowców zajmujących się materiałami zaczęła w ostatnim czasie zgłębiać tę dziedzinę. Ogniwa guzikowe są powszechnie stosowane w laboratoriach badawczych do testowania nowych materiałów akumulatorowych; nawet w przypadku badań i rozwoju ukierunkowanych na zastosowania wielkoskalowe i wysokomocowe, małe ogniwa guzikowe są często wykorzystywane na etapie wstępnym do badania pojemności i charakterystyk prądowych nowych materiałów.

W 2010 roku rozpoczęliśmy projekt badawczy sponsorowany przez National Science Foundation (NSF), mający na celu zbadanie adsorpcji powierzchniowej i nieuporządkowania w materiałach bateryjnych (grant nr DMR-1006515). Na początkowym etapie projektu mieliśmy trudności z opanowaniem technik montażu i testowania ogniw guzikowych, co nie byłoby możliwe bez licznej pomocy innych badaczy z innych uniwersytetów (poprzez częste rozmowy telefoniczne, wymianę wiadomości e-mail oraz dwie wizyty w ośrodkach). W związku z tym uznaliśmy, że warto udokumentować w formie tekstu i wideo protokół montażu i testowania ogniwa guzikowego, co pomoże innym nowym badaczom w tej dziedzinie. Działanie to stanowi część aktywności w ramach „Szerokiego Wpływu” (Broader Impact) naszego projektu NSF i będzie służyć również edukacji oraz inspirowaniu studentów.

W niniejszym artykule wideo dokumentujemy protokół montażu ogniwa guzikowego CR2032 z elektrodą roboczą LiCoO₂, przeciwelektrodą z Li oraz (najczęściej stosowanym) lepiszczem z polifluorku winylidenu (PVDF). Aby umożliwić nowym użytkownikom łatwe powtórzenie protokołu, utrzymaliśmy go w formie możliwie najbardziej szczegółowej i jednoznacznej. Należy jednak zauważyć, że w specyficznych pracach badawczo-rozwojowych wiele przyjętych tutaj parametrów może ulec zmianie. Po pierwsze, można konstruować ogniwa guzikowe o różnych rozmiarach oraz testować elektrodę roboczą względem przeciwelektrody innej niż Li. Po drugie, ilości dodawanego do elektrod roboczych czerni węglowej (C black) i lepiszcza są często modyfikowane w zależności od celu badań; na przykład do elektrody roboczej dodawano duże ilości czerni węglowej lub nawet proszku obojętnego, aby przetestować „wewnętrzną” wydajność materiałów katodowych¹⁴. Po trzecie, opracowano i zastosowano również lepsze lepiszcza (inne niż PVDF)¹⁸. Wreszcie, można stosować inne rodzaje elektrolitów (zamiast LiPF₆); w rzeczywistości niektóre materiały elektrodowe o wysokim napięciu wymagają zastosowania specjalnych elektrolitów⁷.

Protokół

1. Przygotowanie elektrody roboczej

Przygotować mieszaninę spoiwa polifluorku winylidenu (PVDF) o stężeniu ~6% wag. w N-metylo-2-pirolidonie (NMP).
Odważyć 80% wag. materiału aktywnego (w tym przypadku LiCoO₂) oraz 10% wag. sadzy węglowej (acetylenowej, 99,9+%) i wymieszać je w wstrząsarze wirówkowym przez 1 min.
Dodać mieszaninę NMP-spoiwo w ilości takiej, aby spoiwo stanowiło 10% wag. całkowitej masy mieszaniny.
Przenieść powyższą mieszaninę do małej szklanej fiolki i mieszać w wstrząsarze wirówkowym przy maksymalnej prędkości obrotowej przez około 30 min. W celu lepszego wymieszania można zastosować dwie kulki cyrkonowe o średnicy 5 mm jako media mielące. W razie potrzeby dodać więcej NMP, aby uzyskać zawiesinę o wymaganej konsystencji.
Rozłożyć folię metalową kolektora prądu (zazwyczaj aluminium dla katody i miedź dla anody) na płycie szklanej. Użyć acetonu i upewnić się, że między folią a płytą szklaną nie ma pęcherzyków powietrza. Użyć dwóch warstw taśmy maskującej, aby stworzyć ścieżkę i wyznaczyć obszar do powlekania.
Nanieść zawiesinę na folię metalową za pomocą szpachelki ze stali nierdzewnej i rozprowadzić ją równomiernie w obrębie ścieżki za pomocą żyletki.
Suszyć powłokę na powietrzu lub w próżni w temperaturze ~90-120 °C przez około 2-8 godzin (czas ten należy dostosować w zależności od zastosowanego materiału i spoiwa).
Umieścić powleczoną folię metalową pomiędzy dwiema stalowymi płytami (i dwiema papierami do ważenia w celu ochrony powłoki) i sprasować pod obciążeniem ~3000 lb za pomocą prasy hydraulicznej.
Wyciąć z wysuszonej powleczonej folii metalowej dyski o średnicy 8 mm (najlepiej wewnątrz gloveboxa). Zważyć katody i zawinąć je przed przeniesieniem do gloveboxa.
Wyciąć z niepowleczonej folii metalowej z tego samego materiału dyski o średnicy 8 mm i zważyć te dyski.

2. Przygotowanie elektrolitu

Ponieważ elektrolit jest światłoczuły, należy przechowywać elektrolit (w tym przypadku 1M LiPF₆ w EC:DMC:DEC) w butelce Nalgene owiniętej folią aluminiową.

3. Przygotowanie elektrody przeciwnej (w tym przypadku folii litowej)

Oczyścić powierzchnię folii litowej za pomocą nylonowej szczoteczki lub skalpela ze stali nierdzewnej, aż pojawi się błyszcząca, srebrzysta powierzchnia (w komorze z argonem).
Wykrawać z folii litowej dyski o średnicy ½ inch (w komorze z argonem).

4. Montaż ogniwa guzikowego

Rysunek 2 przedstawia schemat montażu ogniwa guzikowego.
Wykrawaj z membran Celgard C480 dyski o średnicy 19 mm i stosuj je jako separatory.
Przenieś obudowy ogniw guzikowych (CR2032), sprężyny i dystanse (zakupione w MTI Corp.), separatory oraz elektrody robocze do komory glove box (po pięciokrotnym przepłukaniu wymiennika argonem).
Zmontuj ogniwa guzikowe w komorze glove box.
Nanieś dwie krople elektrolitu do kubka ogniwa i umieść na nim elektrodę roboczą. Dodaj kolejne trzy krople elektrolitu, a następnie połóż dwa separatory z dwiema kroplami elektrolitu pomiędzy nimi. Dodaj jeszcze dwie krople elektrolitu przed umieszczeniem na nich litowej elektrody przeciwnej. Na dysku litowym umieść dwa dystanse ze stali nierdzewnej oraz sprężynę.
Zamknij ogniwo za pomocą pokrywki i zacisnąć 3-4 razy, używając kompaktowej zaciskarki (zakupionej w MTI Corp.).
Po zmontowaniu ogniw, gotowe elementy przenoś plastikową pęsetą (aby uniknąć zwarcia).
Nadmiar elektrolitu wyciekającego z boków ogniwa usuń za pomocą papierowego ręcznika.
Ogniwo jest gotowe do testów i może zostać wyjęte z komory glove box.

5. Testowanie ogniw guzikowych

Po przygotowaniu ogniwa guzikowego należy pozostawić je podłączone do testera baterii w trybie napięcia obwodu otwartego (OCV) przez jedną godzinę.
Należy zdefiniować okno napięcia dla testowania ogniwa na podstawie materiału aktywnego zastosowanego w elektrodzie roboczej.
Należy obliczyć pojemność teoretyczną ogniwa, korzystając z poniższych obliczeń.

Masa tarczy elektrody z kolektorem prądu =W_EO

Masa niepowlekanej tarczy kolektora prądu o tej samej średnicy =W_CC

Masa materiału elektrody, W_EM, jest określona wzorem
$Równanie zależności pracy i energii, $W_{EM} = W_{ED} - W_{CC}$, koncepcja fizyczna.$

Masa materiału aktywnego w elektrodzie, W_AM, jest określona wzorem
$Równanie ilustrujące wzór konwersji masy $ W_{AM}=W_{EM}\times0.8 $.$

Teoretyczna pojemność tarczy elektrody, C_ED, jest określona wzorem
$Równanie chemiczne $ C_{ED} = W_{AM} \times C $, symbolizujące obliczenie stężenia.$

gdzie C to teoretyczna pojemność właściwa materiału aktywnego.

Poddać ogniwo guzikowe cyklom ładowania i rozładowywania z wymaganą wartością C-rate.

6. Reprezentatywne wyniki

Jako przykład, ogniwo guzikowe zostało skonstruowane z użyciem LiCoO₂ jako materiału aktywnego dla elektrody roboczej. Po konstrukcji ogniwo zostało przetestowane przy szybkości C/5. Uzyskany profil przedstawiono na Rysunku 3. Okno napięciowe dla tego ogniwa guzikowego ustawiono w zakresie od 3 do 4,3 V. Pojemność wyniosła 155 mAh/g dla pierwszego cyklu ładowania i 140 mAh/g dla pierwszego cyklu rozładowania.

Schemat procesu montażu ogniwa guzikowego z etapami przygotowania elektrod, elektrolitu, separatora oraz metodą zaciskania.
Rycina 1. Schemat blokowy procedury konstrukcji ogniwa guzikowego. Najpierw z proszku materiału aktywnego przygotowuje się elektrodę roboczą. Następnie z czystej folii litowej przygotowuje się przeciwelektrodę i wycina separatory. Na koniec ogniwo jest montowane wewnątrz komory rękawicowej wypełnionej argonem.

Schemat budowy ogniwa baterii; komponenty obejmują uszczelkę, anodę, katodę, separatory, elektrolit.
Rycina 2. Schemat procesu montażu ogniwa guzikowego przedstawiający wszystkie komponenty w kolejności, w jakiej są one umieszczane w obudowie ogniwa.

Wykres ładowania i rozładowania baterii, Napięcie w funkcji Pojemności właściwej (mAhg⁻¹), analiza elektrochemiczna.
Rycina 3. Reprezentatywne wyniki uzyskane z ogniwa guzikowego skonstruowanego przy użyciu elektrody roboczej wykonanej z LiCoO₂ oraz przeciwelektrody z folii litowej. Wykres przedstawia krzywe pierwszego ładowania i pierwszego rozładowania ogniwa guzikowego, które było ładowane i rozładowywane z prądem C/5.

Porównanie jakości powłok: dobra, spękana (nadmiar NMP), porowata (niewystarczająca ilość NMP) w zawiesinie.
Rysunek 4. Porównanie prawidłowych i wadliwych powłok po wysuszeniu. Spękana powłoka zazwyczaj wynika z zastosowania zawiesiny z nadmiarem NMP, natomiast powłoka porowata zazwyczaj wynika z zastosowania zawiesiny z niewystarczającą ilością NMP.

Jakość zaciskania w montażu baterii, ocena zacisku, ogniwa niezacisnięte, źle zacisnięte i dobrze zacisnięte.
Rysunek 5. Porównanie dobrze zacisniętego ogniwa guzikowego i źle zacisniętego ogniwa guzikowego, wraz z ogniwem niezacisniętym. Zazwyczaj źle zacisnięte ogniwo guzikowe rozszczelnia się po kilku godzinach w temperaturze otoczenia na skutek pęcznienia folii litowej po reakcji z wilgocią.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W naszym doświadczeniu najistotniejszym krokiem w przygotowaniu elektrody roboczej jest sporządzenie jednorodnych zawiesin o stałej konsystencji. Jak pokazano na Rysunku 4, nadmiar NMP w zawiesinie może prowadzić do pękania powłoki, natomiast niedostateczna ilość NMP może spowodować powstanie powłoki porowatej. W przedstawionej tutaj pracy zastosowano obudowy ogniw guzikowych CR2032 o średnicy 20 mm. Należy zauważyć, że można stosować obudowy ogniw guzikowych o różnych rozmiarach, przy czym rozmiary elek...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie zadeklarowano konfliktów interesów.

Podziękowania

Z wdzięcznością potwierdzamy wsparcie z programu Ceramiki w Dywizji Badań nad Materiałami Narodowej Fundacji Nauk USA (U.S. National Science Foundation), w ramach grantu nr DMR-1006515 (kierownik programu, dr Lynnette D. Madsen).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
Nazwa	Firma	Numer katalogowy
Poly(fluorek winylidenu)	Sigma-Aldrich	182702
1-Metylo-2-pirolidynon, 99.5%	Alfa Aesar	31903
LiCoO₂	Alfa Aesar	42090
Sadza węglowa, acetylenowa, 99.9+%	Alfa Aesar	39724
LiPF₆ w EC:DMC:DEC	MTI Corporation	EQ-Be-LiPF6
Separator Celgard	Celgard	C480
Mieszadło wirowe Analog Vortex	VWR	58816-121
Suszarka próżniowa
Pompa próżniowa
Prasa hydrauliczna
Obudowa ogniwa guzikowego	MTI Corporation	EQ-CR2032-CASE-304
Sprężyna i podkładka	MTI Corporation	EQ-CR20SprSpa-304
Pudło rękawicowe (glovebox)	mBraun	UNILAB
Tester baterii	Arbin Instruments	BT2143

Bibliografia

Cairns, E. J., Albertus, P. Batteries for Electric and Hybrid-Electric Vehicles. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 1, 299-320 (2010).
Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. -M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334, 928-935 (2011).
Goodenough, J. B. Cathode materials: A personal perspective. J. Power Sources. 174, 996-1000 (2007).
Yamada, A., Chung, S. C., Hinokuma, K. Optimized LiFePO4 for lithium battery cathodes. Journal of the Electrochemical Society. 148, A224-A229 (2001).
Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104, 4271-4301 (2004).
Tarascon, J. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chemical Materials. 22, 587-603 (2010).
Ceder, G. Identification of cathode materials for lithium batteries guided by first-principles calculations. Nature. 392, 694-696 (1998).
Chung, S. Y., Bloking, J. T., Chiang, Y. M. Electronically conductive phospho-olivines as lithium storage electrodes. Nature Materials. 1, 123-128 (2002).
Bruce, P. G., Scrosati, B., Tarascon, J. M. Nanomaterials for rechargeable lithium batteries. Angewandte Chemie-International Edition. 47, 2930-2946 (2008).
Arico, A. S., Bruce, P., Scrosati, B., Tarascon, J. M., Van Schalkwijk, W. Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices. Nature Materials. 4, 366-377 (2005).
Hochbaum, A. I., Yang, P. D. Semiconductor Nanowires for Energy Conversion. Chemical Reviews. 110, 527-546 (2010).
Wang, Y., Cao, G. Z. Developments in nanostructured cathode materials for high-performance lithium-ion batteries. Advanced Materials. 20, 2251-2269 (2008).
Kang, B., Ceder, G. Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature. 458, 190-193 (2009).
Liu, J., Manthiram, A. Improved Electrochemical Performance of the 5 V Spinel Cathode LiMn1.5Ni0.42Zn0.08O4 by Surface Modification. Journal of the Electrochemical Society. 156, A66-A72 (2009).
Kayyar, A., Qian, H. J., Luo, J. Surface adsorption and disordering in LiFePO4 based battery cathodes. Applied Physics Letters. 95, (2009).
Sun, K., Dillon, S. J. A mechanism for the improved rate capability of cathodes by lithium phosphate surficial films. Electrochemistry Communications. 13, 200-202 (2011).
Kovalenko, I. A Major Constituent of Brown Algae for Use in High-Capacity Li-Ion Batteries. Science. 333, 75-79 (2011).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Montaż ogniwa guzikowego przygotowanie elektrody pracującej postępowanie z elektrolitem procedura w komorze rękawicowej testy elektrochemiczne ogniwo guzikowe CR2032 mieszanie spoiwa PVDF wycinanie dysków elektrod testy ładowania i rozładowania

Konstrukcja i testowanie ogniw guzikowych baterii litowo-jonowych