$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Należy zachować ostrożność podczas korzystania z jakichkolwiek rozpuszczalników, odczynników lub suchych proszków używanych w tym protokole. Przeczytaj wszystkie karty charakterystyki i podejmij odpowiednie środki bezpieczeństwa. Standardowe wyposażenie ochronne obejmuje rękawice, okulary ochronne i fartuch laboratoryjny.
1. Przygotowanie katody
Uwaga: Schematyczny przegląd procesu produkcji katody jest przedstawiony na rysunku 1.

Rysunek 1. Schematyczny przegląd kroków wykorzystywanych w ETSL do tworzenia katod. Główny proces obejmuje przygotowanie i odlewanie zawiesiny elektrody na oczyszczone podłoże aluminiowe, a następnie suszenie arkusza elektrody i włączenie do ogniw pastylkowych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
- Przygotowanie podłoża aluminiowego
- Wytnij arkusz folii aluminiowej (Al) o grubości 4,5 na 12 cali 15 μm za pomocą noża do papieru lub nożyczek.
- Rozpyl aceton na powierzchnię czystej plastikowej deski, aby przykleić folię do deski, a następnie umieść arkusz folii na desce.
- Rozpyl dużą ilość acetonu na powierzchnię folii i zacznij szorować całą powierzchnię za pomocą podkładki klejącej małymi półokrągłymi ruchami. Spryskaj powierzchnię dodatkowym acetonem i wytrzyj pozostałości ręcznikiem papierowym.
- Powtórz kroki 1.1.2-1.1.3 dla przeciwnej strony, a następnie powtórz jeszcze raz dla strony odlewniczej.
- Najpierw umyj wytrawiony arkusz Al wodą dejonizowaną (DI) po stronie odlewu, a następnie odwróć i powtórz po przeciwnej stronie. Ponownie wyszoruj powierzchnię folii Al, ponieważ woda DI wykazuje słabą zwilżalność i nie spływa z powierzchni arkusza bez tworzenia kropel. Powtórz płukanie alkoholem izopropylowym.
- Przenieś oczyszczony arkusz Al między dwoma ręcznikami papierowymi i pozostaw do wyschnięcia na około 20 minut pod ściśnięciem między dwiema płaskimi płaszczyznami i ręcznikami papierowymi.
- Przygotowanie gnojowicy
- Wybierz gramaturę materiału aktywnego, dodatku przewodzącego i spoiwa w oparciu o pożądany skład arkusza elektrody. Wybierz całkowitą masę suchego proszku 1,25 g, zawierającą 70% wag. tlenku litowo-manganowo-kobaltowego, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC, materiał aktywny), 20% wag. sadzy (dodatek przewodzący) i 10% polifluorku winylidenu (PVDF, spoiwo).
- Odmierz 0,875 g NMC i 0,25 g sadzy i umieść w moździerzu agatowym i tłuczku. Lekko wymieszaj ze sobą materiały bez mielenia. Po tym, jak mieszanina zacznie się formować, zmiel ręcznie w moździerzu i tłuczku przez 3-5 minut, aż będzie widoczny jednolity proszek.
- Przenieś zmieszany proszek do jednorazowej rurki do mieszania z kawałkiem papieru do ważenia. Dodać 16 szklanych kulek (o średnicy 6 mm) do proszku wraz z 5,5 ml 1-metylo-2-pirolidynonu (NMP), niewodnego rozpuszczalnika.
- Umieść jednorazową rurkę na stacji napędowej metra i zablokuj na miejscu. Włącz napęd i powoli zwiększaj prędkość do maksymalnej. Pozostaw zawartość do wymieszania na 15 minut.
- Dodaj 1,25 g 10% roztworu PVDF w NMP bezpośrednio do probówki. Umieścić probówkę z powrotem na napędzie i pozostawić na mieszanie przez 8 minut, postępując zgodnie z tą samą procedurą opisaną w ppkt 1.2.4. Jeśli probówka może pozostać dłużej niż 5 minut przed odlewaniem (poniżej), mieszaj zawartość przez dodatkowe 15 minut.
- Odlewanie i suszenie
- Oczyść metalową powierzchnię automatycznego aplikatora folii alkoholem izopropylowym i ręcznikiem papierowym. Upewnij się, że rakla jest czysta i ustawiona na żądaną wysokość odlewu (200 μm).
- Nałóż warstwę alkoholu izopropylowego na powierzchnię aplikatora folii i umieść wysuszone podłoże aluminiowe błyszczącą stroną do dołu na powierzchni. Wyciśnij nadmiar alkoholu izopropylowego złożonym ręcznikiem papierowym, aż wszystkie zmarszczki i izopropyl zostaną usunięte. Uważaj, aby nie rozerwać podłoża, mocno przytrzymując jedno z podłoży na miejscu.
- Wyjmij rurkę mieszającą z napędu rurek i otwórz pojemnik. Wlej gnojowicę na powierzchnię podłoża w linii o długości 2-3 cali około 1 cala od góry (początkowej strony odlewania) podłoża. Usuń szklane kulki z arkusza za pomocą czystej metalowej pęsety.
- Ustaw prędkość odlewania na 20 mm/s i aktywuj ramię odlewnicze aplikatora folii.
- Podnieś odlewaną elektrodę z powierzchni aplikatora folii za pomocą cienkiego kawałka tektury, aby upewnić się, że na arkuszu nie tworzą się zmarszczki.
- Pozostaw arkusz elektrody do wyschnięcia przez 16 godzin w temperaturze suchej (~24 °C), a następnie wysusz w temperaturze 70 °C przez ~3 godziny lub do wyschnięcia arkusza. Upewnij się, że elektroda jest odizolowana od środowiska w dygestoriach lub szczelnej komorze, aby zapobiec nierównomiernemu wysuszeniu.
- Wykrawanie elektrod katodowych
- Umieść wysuszony arkusz elektrody na oczyszczonym arkuszu aluminiowego metalu. Wyjmij dziurkacz 1/2" i delikatnie umieść go na obszarze arkusza o jednolitej powierzchni (krawędzie mogą wydawać się niejednolite). Powoli wywieraj nacisk na stempel (ręcznie) i "zwijaj" nacisk wokół krawędzi stempla, aby zapewnić czyste cięcie.
- (Alternatywnie) Wytnij tarczę elektrody za pomocą precyzyjnego obcinaka tarczowego zamiast ręcznego wykrawania.
- Wyjmij elektrodę z arkusza za pomocą oczyszczonej, plastikowej pęsety i umieść ją w oznaczonej fiolce, powierzchnią elektrody skierowaną do góry. Powtórz dwa razy.
- (Opcjonalnie) Umieść elektrodę dziurkowaną na powierzchni prasy laboratoryjnej. Zastosuj ciśnienie około 4 MPa (optymalne ciśnienie będzie się różnić w zależności od zastosowanej prasy). Powtórz dla pozostałych elektrod.
- Umieścić fiolki w piecu próżniowym i pozostawić elektrody do dalszego wyschnięcia w temperaturze 120 °C w temperaturze -0,1 MPa przez 12 godzin, aby usunąć pozostałą wilgoć. Następnie wyjmij elektrody i zważ je w granicach 0,0001 g.
- Otworzyć przedsionek komory rękawicowej i umieścić fiolki na tacy. Zamknij drzwi komory i upewnij się, że są szczelnie zamknięte, używając dwóch palców do dokręcenia włazu przedsionka.
- Zmniejsz próżnię do -0,1 MPa, a następnie napełnij argonem. Powtórz ten proces jeszcze 1-2 razy, w zależności od próbek transportowanych do komory rękawicowej.
2. Arkusz anodowy dla pełnej komórki
- Powtórz sekcję 1, z wyjątkiem użycia folii miedzianej o grubości 9 μm jako podłoża zamiast folii aluminiowej. Skład arkusza może być zmieniany w celu dopasowania do konkretnych potrzeb.
3. Wstępny montaż ogniwa na monety
Uwaga: Budowa ogniw pastylkowych odbywa się w środowisku obojętnym (argonowym) w komorze rękawicowej. Należy zachować szczególną ostrożność, aby zminimalizować narażenie środowiska wewnętrznego na działanie atmosfery zewnętrznej. Praca z ostrymi materiałami w schowku podręcznym powinna być zminimalizowana, jeśli to możliwe. Z reguły zadanie w komorze rękawicowej powinno trwać 3 razy dłużej niż prędkość, z jaką zadanie byłoby wykonywane na zewnątrz. Rękawice należy również nosić na rękawicach schowka, aby zminimalizować narażenie podczas pracy z różnymi substancjami.
Uwaga: Komponenty potrzebne do budowy ogniwa pastylkowego, w tym nasadka, koperta, sprężyny faliste, uszczelki, przekładki, taśma litowa, elektrolit i pozostałe narzędzia, takie jak plastikowa pęseta (do umieszczania komponentów) są zawarte w komorze rękawicowej wypełnionej argonem, której poziomy O2 i H2O są utrzymywane poniżej 0,5 części na milion. Wszystkie elementy włożone do schowka podręcznego (w tym niestrzępiące się chusteczki robocze) należy podgrzać O/N w piecu próżniowym w temperaturze 120 °C pod ciśnieniem -0,1 MPa w celu usunięcia wilgoci.
- Przygotowanie przeciwelektrody
- Wyjmij wstążkę litową (o grubości 0.75 mm) z zamkniętego pojemnika i rozwałkuj porcję na powierzchni plastikowego bloku. Za pomocą żyletki ostrożnie zeskrob wszelkie czarne utlenienia z powierzchni folii. Zachowaj szczególną ostrożność, aby uniknąć przecięcia rękawic.
- Weź dziurkacz 9/16" i wybij krążek taśmy litowej. Użyj palca (oddzielonego od litu gumowymi rękawiczkami w schowku) lub innego narzędzia, aby wypchnąć krążek litowy z dziurkacza.
- Weź przekładkę o grubości 0,5 mm i delikatnie przyłóż krążek litowy do powierzchni między palcami. Upewnij się, że dysk litowy przylega do środka przekładki i jest płaski — nierówna powierzchnia może powodować nierównomierne dystrybucje prądu.
- Przygotowanie elektrolitu
- Wybrany elektrolit (w tym przypadku 1 M LiPF6 w stosunku 1:1 obj.) należy przechowywać przez cały czas w komorze podręcznej w aluminiowym pojemniku, ponieważ elektrolit jest światłoczuły.
- Usuń niewielką ilość elektrolitu z pojemnika źródłowego do pojemnika roboczego.
- Przygotowanie separatora Celgard
- Umieść arkusz membrany separacyjnej między złożonym arkuszem papieru do drukarki. Umieść złożony papier i membranę na arkuszu aluminiowego metalu.
- Umieść warstwę amortyzującą na wierzchu dziurkacza i użyj młotka, aby wybić membranę separatora o średnicy 3/4".
- Przenieść wykrawane tarcze separatora do komory rękawicowej, postępując zgodnie z procedurami opisanymi w 1.4.6-1.4.7.
nuta: Zaleca się wykonanie tego kroku zbiorczo, aby uniknąć konieczności wykrawania indywidualnych separatorów dla każdej budowanej baterii pastylkowej.
4. Zespół ogniw monetowych
Uwaga: Konfiguracja monety jest przedstawiona na rysunku 2.

Rysunek 2. Komponenty monety wyświetlane w kolejności umieszczenia w komórce. Po umieszczeniu katody następuje separator, uszczelka, przeciwelektroda i sprężyna falista, a następnie uszczelnienie ogniwa. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
- Otwórz wewnętrzne drzwi przedsionka. Wsuń wszystkie elementy z przedsionka do schowka podręcznego i ponownie uszczelnij wewnętrzne drzwi przedsionka.
- Umieść pojemnik na baterie pastylkowe w małej łódce do ważenia. Umieść katodę w środku obudowy baterii pastylkowej. Nałóż 1-2 ~ 30 μl kropli elektrolitu na środek elektrody i nałóż 1 kroplę po przeciwnych stronach krawędzi etui.
- Umieść pojedynczy separator 3/4" na powierzchni elektrody. Wypchnij wszelkie pęcherzyki, które zostaną uwięzione, za pomocą płaskiej krawędzi pęsety i ponownie wyśrodkuj katodę, chwytając obudowę za krawędź i lekko stukając elektrodą na miejsce. Nałóż dodatkowe 1-2 krople elektrolitu, aby umożliwić lepszy ruch elektrody, jeśli przyklei się do swojej pierwotnej pozycji.
- Umieść uszczelkę w obudowie, płaską stroną skierowaną w dół, a stroną z wargą skierowaną do góry. Potwierdź orientację uszczelki, przytrzymując światło przed włożeniem ogniwa.
- Nałóż 2-3 ~ 30 μl kropli elektrolitu na środek ogniwa i umieść przygotowaną przeciwelektrodę na środku litem skierowanym w dół. Umieść sprężynę falową na wyśrodkowanej elektrodzie przeciwnej.
- Napełnij ogniwo po brzegi (~0,7 ml) elektrolitem, aż utworzy zakrzywioną, wypukłą menisk, która pokryje większość powierzchni sprężyny falowej.
- Ostrożnie umieść nasadkę baterii pastylkowej na górze komórki, używając pęsety, aby przytrzymać nasadkę wyśrodkowaną pionowo nad komórką. Uważaj, aby wyśrodkować nasadkę, aby uniknąć nadmiernej utraty elektrolitu.
- Dociśnij nasadkę (ręcznie), aż zatrośnie w wardze uszczelki. Przenieś ogniwo do zaciskarki i upewnij się, że ogniwo jest wyśrodkowane w rowku matrycy zaciskowej. Zaciśnij ogniwo pod ciśnieniem ~ 6,2 MPa (900 psi) i zwolnij.
- Wyjmij ogniwo z zaciskarki (ręcznie) i usuń nadmiar elektrolitu. Powtarzaj kroki 4.2-4.9, aż wszystkie pożądane komórki zostaną zbudowane. Wyczyść rozlany elektrolit, umieść śmieci w odpowiednim pojemniku. Przenieś komórki z komory rękawicowej i oznacz je.
5. Ocena elektrochemiczna
- Podłącz oczyszczone ogniwa do cyklera baterii. Upewnij się, że zaciski są prawidłowo podłączone, mierząc potencjał obwodu otwartego. Jeśli nie jest pozytywny, odwróć połączenia.
- Oblicz żądany prąd na podstawie masy wysuszonej elektrody na powierzchni podłoża aluminiowego, znanej masy aluminium, procentowej zawartości materiału aktywnego w masie oraz znamionowej pojemności właściwej zastosowanego materiału aktywnego.
- Przy zmierzonej masie elektrody 0,0090 g, masie aluminiowej tarczy 0,0054 g i pojemności znamionowej 155 mAh/g określ żądany prąd jako (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh/g = 0,3906 mAh. W przypadku rozładowania prądem wymaganym do całkowitego rozładowania ogniwa w ciągu 1 godziny (1C), przyłożony prąd wynosi 0,3906 mA.
- Ustaw harmonogram na cyklerze, aby ładować/rozładowywać ogniwo między górnym i dolnym poziomem napięcia 4,2 V i 2,8 V. Przełącz ogniwo 4 razy z szybkością C/10 (galwanostatyczny, stały prąd). Następnie naładuj ogniwo raz w temperaturze C/10.
- Po 5ładunku C/10 wyjmij ogniwo z cyklera (jeśli to konieczne) i wykonaj elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną19 (EIS) na ogniwie, po odpoczynku przez 1 godzinę. Umieść ogniwo z powrotem na cyklerze i rozładuj w C/10. Wykonaj EIS jeszcze raz po 1 godzinie odpoczynku.
- Umieść ogniwo z powrotem na cyklerze i przełącz ogniwo 5 razy z szybkością C/5, C, 2C, 5C i 10C, a następnie 100 cykli 1C.
- Określ pojemność właściwą ogniw przy każdej szybkości C, dzieląc pojemność w mAh przez masę materiału aktywnego obecnego w katodzie. Obliczyć zachowanie pojemności, dzieląc średnią zdolność właściwą z ostatnich 5 cykli 1C przez średnią pojemność właściwą z pierwszych 5 cykli 1C.