Introduction
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.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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.
- الألومنيوم الركيزة التحضير
- قطع 4.5 "بواسطة 12" ورقة من 15 ميكرون الألومنيوم سميكة (آل) احباط باستخدام قطع الورق أو المقص.
- رش الأسيتون على سطح لوحة بلاستيكية نظيفة في التمسك احباط لمجلس الإدارة وثم وضع ورقة احباط على متن الطائرة.
- رش كمية سخية من الأسيتون على السطح من احباط والبدء في تنظيف السطح بأكمله باستخدام لوحة سكوتش مع حركات نصف دائرة صغيرة. رش الأسيتون إضافية على السطح ومسح أسفل بقايا مع منشفة ورقية.
- كرر الخطوات 1.1.2-1.1.3 للجانب الآخر ثم كرر مرة أخرى للجانب الصب.
- غسل محفورا آل رقة مع منزوع الأيونات (DI) الماء على الجانب الصب أولا، ثم الوجه وكرر مع الجانب المعاكس. إعادة تنظيف السطح من احباط آل كما يعرض المياه DI بلل الفقراء ولا تتدفق من سطح الورقة دون تشكيل قطرات. تكرار الشطف مع الآيزوبروبيلالكحول.
- نقل ورقة آل تنظيفها بين اثنين من المناشف الورقية والسماح ليجف لمدة حوالي 20 دقيقة تحت ضغط بين طائرتين مسطحة ومناشف ورقية.
- إعداد الطين
- اختيار الأوزان من المادة الفعالة، والمضافات موصل والموثق بناء على تكوين المرجوة من ورقة القطب. اختيار مجموع وزن مسحوق جاف من 1.25 غرام، مع 70٪ بالوزن الليثيوم والمنغنيز والكوبالت أكسيد، ليني 1/3 المنغنيز 1/3 1/3 شركة O 2 (NMC، المادة الفعالة)، و 20٪ بالوزن أسود الكربون (موصل المضافات) و 10٪ البولي Difluoride (PVDF، الموثق).
- قياس من 0.875 غرام من المركز الوطني للاعلام و 0.25 غرام من الكربون الأسود والمكان إلى قذيفة هاون ومدقة العقيق. بخفة مزج المواد معا دون طحن. بعد يبدأ الخليط لتشكيل، مطحنة باليد في هاون ومدقة لمدة 3-5 دقيقة، حتى يتم ملاحظة وجود مسحوق موحد بصريا.
- نقل مسحوق مختلطة في أنبوب خلط القابل للتصرفمع قطعة من وزن الورق. إضافة 16 كرات زجاجية (6 مم) إلى مسحوق، جنبا إلى جنب مع 5.5 مل من 1-ميثيل-2-pyrrolidinone (NMP)، والمذيبات غير مائي.
- وضع أنبوب المتاح على محطة محرك الأنبوب والقفل في مكانه. تحويل محرك الأقراص وزيادة ببطء إلى أقصى سرعة. السماح محتويات لخلط لمدة 15 دقيقة.
- إضافة 1.25 غرام من PVDF 10٪ في حل NMP مباشرة إلى أنبوب. وضع أنبوب مرة أخرى على القرص والسماح خلط لمدة 8 دقائق، باتباع نفس الإجراء في 1.2.4. إذا تم السماح للأنبوب إلى الجلوس لأكثر من 5 دقائق قبل الصب (أدناه)، وخلط محتويات لمدة 15 دقيقة إضافية.
- الصب والتجفيف
- تنظيف السطح المعدني للقضيب فيلم التلقائي مع ايزوبروبيل ومنشفة ورقية. تأكد من أن شفرة الطبيب نظيفة، ويتم تعيين لارتفاع الصب المطلوب (200 ميكرون).
- ضع طبقة من ايزوبروبيل على سطح قضيب الفيلم ووضع حديد الاختزال المباشرإد الألومنيوم الركيزة الجانب اللامع أسفل على السطح. ضغط من خارج هذه ايزوبروبيل الزائدة مع منشفة ورقية مطوية حتى تتم إزالة كافة التجاعيد والآيزوبروبيل. الحرص على تجنب تمزق الركيزة عن طريق عقد بحزم واحد من الركيزة في المكان.
- إزالة أنبوب خلط من محرك الأنبوب وفتح الحاوية. صب الطين على سطح الركيزة في خط 3/2 بوصة حوالي 1 بوصة من أعلى (الأولي الجانب الصب) الركيزة. إزالة أي كرات زجاجية من ورقة مع ملاقط معدنية نظيفة.
- ضبط سرعة الصب إلى 20 ملم / ثانية، وتفعيل الذراع صب قضيب الفيلم.
- رفع القطب المدلى بها من سطح قضيب فيلم باستخدام قطعة رقيقة من الورق المقوى لضمان عدم وجود التجاعيد تشكل على الورقة.
- تسمح ورقة الكهربائي لتجف لمدة 16 ساعة على RT (~ 24 ° C)، يليه التجفيف عند 70 درجة مئوية لمدة 3 ساعات ~ أو حتى ورقة جافة. تأكد من أن القطب معزول للبيئة في فولي غطاء محرك السيارة أو غرفة مغلقة لمنع غير موحدة التجفيف.
- الكاثود الكهربائي الضرب
- وضع ورقة القطب المجففة على ورقة تنظيفها من معدن الألمنيوم. تحصل على ½ "لكمة ثقب ووضعه برفق على منطقة من ورقة مع سطح موحد (قد تظهر حواف غير منتظمة). تطبق ببطء الضغط على لكمة (باليد) و" لفة "الضغط حول حواف لكمة لضمان قطع نظيفة.
- (البديل) قطع قرص القطب الاستفادة من قطع القرص الدقيق بدلا من اللكم اليدوي.
- إزالة القطب من ورقة مع تنظيفها، ملاقط من البلاستيك ووضعه في قارورة المسمى، مع سطح القطب مواجهة. كرر مرتين.
- (اختياري) ضع الكهربائي لكمات على سطح الصحافة المختبر. ممارسة الضغط من حوالي 4 ميجا باسكال (سوف تختلف الضغط الأمثل على أساس الصحافة استخدامها). تكرار للأقطاب المتبقية.
- ضع قارورة في VACUأم الفرن والسماح للأقطاب لتجف مرة أخرى في 120 ° C في -0.1 ميجا باسكال لمدة 12 ساعة لإزالة أي الرطوبة المتبقية. بعد إزالة الأقطاب ووزن لهم داخل 0.0001 ز.
- فتح غرفة انتظار صندوق قفازات ووضع قنينة على الدرج. إغلاق باب الغرفة والتأكد من ختم ضيق باستخدام إصبعين لتشديد غرفة انتظار يفقس.
- جلب الفراغ وصولا الى -0.1 ميجا باسكال، ومن ثم ملء مع الأرجون. كرر هذه العملية 1-2 مرات أكثر، اعتمادا على عينات نقلها إلى صندوق قفازات.
2. الأنود ورقة لخلية كامل
- كرر القسم 1 إلا باستخدام 9 ميكرون النحاس سميكة احباط باعتبارها الركيزة بدلا من رقائق الألومنيوم. تكوين ورقة يمكن تعديلها لتناسب الاحتياجات المحددة.
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.
- إعداد مكافحة الكهربائي
- داخل صندوق قفازات، وإزالة الشريط الليثيوم (0.75 مم) من حاوية مغلقة وطرح جزء على سطح كتلة من البلاستيك. باستخدام شفرة حلاقة، كشط بعناية بعيدا أي أسود أكسدة اللون من سطح احباط. اتخاذ الحذر الشديد لتجنب قطع قفازات.
- اتخاذ 16/9 "لكمة ثقب ولكمة من قرص من الشريط الليثيوم. استخدام إصبع (فصل من الليثيوم التي كتبها قفازات مطاطية داخل صندوق قفازات) أو غيرها من أداة حادة لدفع القرص الليثيوم من لكمة.
- اتخاذ 0.5 ملم هل سميكة وتطبيق بلطف القرص الليثيوم إلى السطح بين الأصابع. ضمان العصي القرص الليثيوم إلى وسط فاصل ومسطح - سطح متفاوتة يمكن أن يسبب التوزيعات الحالية متفاوتة.
- إعداد بالكهرباء
- تخزين بالكهرباء الاختيار (في هذه الحالة 1 M LiPF 6 في EC / DEC 1: 1 من المجلد) معفي صندوق قفازات في جميع الأوقات في وعاء الألومنيوم، كما بالكهرباء هو حساسية.
- إزالة كمية صغيرة من بالكهرباء من الحاوية مصدر في وعاء العمل.
- Celgard فاصل إعداد
- وضع ورقة من الغشاء الفاصل بين ورقة مطوية من الورق الطابعة. وضع ورقة مطوية وغشاء على ورقة من معدن الألمنيوم.
- وضع طبقة توسيد على رأس لكمة ثقب واستخدام مطرقة لكمة خارج ¾ "الغشاء الفاصل القطر.
- نقل أقراص فاصل لكمات في صندوق قفازات الاستفادة من الإجراءات الموضحة في 1.4.6-1.4.7.
ملاحظة: من المستحسن أن تنفيذ هذه الخطوة بكميات كبيرة لتجنب الاضطرار لكمة من فواصل الفردية لكل خلية عملة يجري بناؤها.
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 .
- فتح باب غرفة انتظار الداخلية. سحب أي مكونات داخل غرفة انتظار في صندوق قفازات وختم الباب غرفة انتظار الداخلية.
- وضع قضية خلية عملة في وزن قارب صغير. وضع الكاثود في وسط قضية خلية عملة واحدة. تطبيق 2/1 ~ 30 قطرات ميكرولتر من بالكهرباء من مركز القطب وتطبيق 1 قطرة على طرفي نقيض من حافة القضية.
- وضع "فاصل واحد على ¾على سطح القطب. قوة على أي فقاعات أن تصبح المحاصرين باستخدام حافة مسطحة من زوج من ملاقط، وإعادة مركز القطب السالب عن طريق الاستيلاء على القضية من قبل الشفاه والتنصت بخفة الكهربائي في المكان. تطبيق 1-2 قطرات إضافية بالكهرباء للسماح للحركة أفضل من القطب إذا تمسكت إلى موقعها الأصلي.
- وضع طوقا في القضية، مع الجانب المسطح متجهة لأسفل والجانب الشفاه مواجهة. تأكيد اتجاه طوقا من خلال عقد يصل إلى النور قبل الإدراج الخلية.
- تطبيق 3/2 ~ 30 قطرات ميكرولتر من بالكهرباء إلى مركز الخلية، ووضع العداد الكهربائي استعداد على مركز مع الليثيوم أسفل. ضع موجة الربيع على رأس القطب المضاد محورها.
- ملء الخلية حتى أسنانها (~ 0.7 مل) مع بالكهرباء حتى تشكل المنحني، الغضروف المفصلي محدب التي تغطي معظم سطح موجة الربيع.
- وضع بعناية غطاء الخلية عملة على رأس الخلية باستخدام رانه ملاقط لعقد الغطاء تركزت عموديا فوق الخلية. رعاية لتوسيط الغطاء لتجنب خسائر فادحة في بالكهرباء.
- اضغط لأسفل على الغطاء (باليد) حتى أنه يضع في شفة طوقا. نقل الخلية إلى المكشكش وضمان أن الخلية يتركز في أخدود من يموت العقص. تجعيد الخلية إلى ضغط ~ 6.2 ميجا باسكال (900 رطل) والافراج عنهم.
- إزالة الخلايا من المكشكش (باليد)، وتنظيف قبالة أي بالكهرباء الزائدة. كرر الخطوات من 4.2- 4.9 حتى يتم بناء جميع الخلايا المطلوبة. تنظيف أي تسرب المنحل بالكهرباء، ووضع القمامة في حاوية ملائمة. نقل الخلايا من صندوق قفازات وتسمية لهم.
5. تقييم الكهروكيميائية
- ربط الخلايا تنظيفها إلى cycler على البطارية. ضمان توصيل المحطات بشكل صحيح عن طريق قياس القدرة الدائرة المفتوحة. إن لم يكن إيجابيا، عكس الاتصالات.
- حساب التيار المطلوب على أساس وزن كهربائي المجففةtrode على سطح الركيزة الألومنيوم، وكتلة معروفة من الألومنيوم، ونسبة المادة الفعالة من حيث الوزن، وقدرة محددة مصنفة من المادة الفعالة المستخدمة.
- مع كتلة محسوبة الكهربائي من 0.0090 غرام، الألمنيوم كتلة القرص من 0.0054 غرام، والقدرة على تصنيف من 155 مللي أمبير / ز، وتحديد الحالية على النحو المرغوب فيه (0.0090 ز - 0.0054 ز) × 0.70 × 155 ماه / ز = 0.3906 ماه. بالنسبة لعمليات التصريف في التيار اللازمة لتفريغ كامل الخلية في 1 ساعة (1C)، وتطبيقها الحالي هو 0.3906 مللي أمبير.
- تعيين الجدول على cycler على لشحن / تفريغ الخلية بين مستويات الجهد العلوية والسفلية من 4.2 V و 2.8 V. دورة الخلية 4 مرات بمعدل C / 10 (galvanostatic، تيار مستمر). ثم شحن الخلايا مرة واحدة على C / 10.
- بعد ال 5 C / 10 تهمة، وإزالة الخلايا من cycler على (إذا لزم الأمر) وأداء الكهروكيميائية الممانعة الطيفي 19 (EIS) على الخلية، بعد الراحة لمدة 1 ساعة. وضع الخلية مرة أخرىعلى cycler على والتفريغ في C / 10. أداء EIS مرة أخرى بعد الراحة لمدة 1 ساعة.
- وضع الخلية مرة أخرى على cycler على ودورة الخلية 5 مرات في معدلات C / 5، C، 2C، 5C، و10C، تليها 100 1C دورات.
- تحديد سعة معينة من الخلايا في كل معدل C-بقسمة القدرات في ماه بكتلة الحاضر المواد النشطة في القطب السالب. حساب الاحتفاظ قدرة بقسمة متوسط سعة محددة من مشاركة 5 1C دورات في متوسط قدرة محددة من أول 5 1C دورات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 الأسباب الأكثر احتمالا لهذا السلوك. العزلة داخل غطاء الدخان يمكن أن تمنع هذا السلوك. ويمكن رؤية هذه السيناريوهات في الشكل (3).
يجب أن تظهر الخلية عملة كما هو مبين في الشكل (4)، مع عدم وجود حواف مكسورة. عندما لا تكون مختومة الخلية بشكل صحيح، والتعرض لأجهزة الصراف الآليسوف osphere يسبب تورم الليثيوم، والتي سوف تتسبب في خلية لموسيقى البوب مفتوحة. ومن الممكن أيضا للقضاء على الخلايا عندما العقص. لمنع هذا الضغط العقص يحتاج إلى أن يكون الأمثل لالمكشكش وخلية المكونات المختارة.
مسح الإلكترون المجهر (SEM) التصوير من سطح القطب (الشكل 5) يكشف عن تعقيد الكاثود المستخدمة في بناء خلية عملة واحدة. الجزيئات الكبيرة المعروضة هي المادة الفعالة. المواد المتبقية هي مزيج من PVDF وأسود الكربون.
هيكل نفسه هو مؤشر ستوكاستيك في الطبيعة، ولكن معالجة السليم يؤثر على توزيع الجسيمات داخل الورقة. التجفيف يمكن أن يسبب سوء توزيع الموثق ومضافات الموصلة التي يمكن أن تؤثر سلبا على أداء الخلية. هو مبين في الشكل (6) هي النتائج الدراجات تمثيلية لالورقة التي تم تجفيفها أيضابسرعة والورقة التي تم تجفيفها بشكل صحيح باستخدام عملية من مرحلتين المقدمة.
يسمح هذه البيانات الدراجات لنا لعرض الأداء (من حيث القدرة محددة) من الخلايا بمعدلات مختلفة، ويسمح لنا أن ننظر إلى الاحتفاظ القدرة بعد ركوب الدراجات طويلة. منحنيات التفريغ مثل تلك التي تظهر في الشكل 7 يمكن استخدامها لعرض الطاقة المحددة للخلايا، والتي يتم تحديدها على أنها منطقة تحت منحنى التفريغ.
ويمكن استخدام البيانات EIS للخلايا قيد النظر لمزيد من تميز الخلايا. ويمكن الاطلاع على الطيف EIS تمثيلي في الشكل 8.
عند مقارنة EIS الأطياف، واثنين من المكونات الأساسية (لخلية فارغة) هي (ط) ارتفاع وتيرة نصف دائرة، و (ثانيا) الذيل التردد المنخفض. المنحدر من الذيل يشير المقاومة نظرا لنشرها، وتمثل نصف الدائرة عددا من المقاومة بسبب تهمة مقاومة نقل، وعدة مساهمات أخرى، وهذا يتوقف على مدى التردد. في حالة الأقطاب المجففة بشكل مختلف، ورقة المجفف بسرعة لديها دائرة نصف قطرها أكبر الذي يشير إلى ارتفاع تهمة مقاومة النقل.
بالإضافة إلى ذلك يتم عرض النتائج تمثيلية للتأثير المسامية وسمك القطب أدناه في الشكل 9.
ورقة أرق يسمح لمسافات نشر أقصر، ويمكن أن يكون الأمثل المسامية للسماح إضافية لنقل أكثر كفاءة. من المهم، مع ذلك، أن ندرك أن هذه المعايير ليست مطلقة، والمفاضلات سيكون موجودا 19،20. سمك الصب، واللزوجة الطين وتكوينها، ودرجة تقويم كل لها تأثير مباشر على المسامية وسمك ورقة. وهكذا من قبل بعناية manip ulating الخطوات الموضحة في هذه الوثيقة، يمكن التحكم الخصائص المجهرية.
الشكل 3. أوراق الكهربائي: (A) مع NMP القليل جدا، (B) مع الكثير من NMP، و (C) مع تجفيف غير موحدة. كل النتائج شرط ذلك إلى ضعف الاستقرار الميكانيكية وانخفاض الأداء الكهروكيميائية نتيجة لذلك. يتساقط عادة من ورقة الكهربائي سببه إما النقش ضعف الركيزة، أو الاضطرار إلى NMP قليلا في مرحلة خلط الأولية (أ). بدلا من ذلك، يمكن أن الكثير من NMP تتسبب في ورقة لعرضه على درجة عالية من المسامية، وهو غير مرغوب فيه (ب). وأخيرا، سطح غير موحدة يمكن أن تظهر مشابه في المظهر إلى تجميع المواد أثناء التجفيف (ج). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الصورة = "jove_content" FO: المحافظة على together.within صفحة = "1"> 
الرقم 4. عملة الخلية التي تم مجعد بشكل صحيح (يسار) ومعقوص غير صحيح (يمين)، وكلما كانت الخلايا معقوص غير صحيح ستكون مفتوحة بشكل ملحوظ على الفور بعد العقص أو يمكن البوب على مدى عدة ساعات في وقت لاحق. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم .
ويمكن رؤية الشكل 5. SEM صورة من سطح الكاثود المركز الوطني للاعلام uncalendered. والمادة الفعالة (NMC) مثل الجزيئات الكبيرة كروية (~ 10 ميكرون قطر) مع الموثق / المضافة (PVDF / أسود الكربون) مركب المحيطة جزيئات المادة الفعالة . مقياس للصورة اليسرى هو 50 ميكرون وهو الحق 10 ميكرون. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 6. البيانات الدراجات أظهرت للإلكترود المجففة بسرعة كبيرة جدا (غير صحيح) وانخفاض معدل الاستفادة من مرحلتين الجافة. إن قدرة محددة من الخلايا في معدلات C / 10، C / 5، C، 2C، 5C، و 10C تليها الدراجات طويلة الأجل في 1C. تم تدوير الخلايا في RT (~ 22 ° C) مع الخلايا التي تتكون من المركز الوطني للاعلام - خلايا لى مع شحنات المواد المصورة في البروتوكول. يتم تحديد سعر C-فيما يتعلق السعة المحددة من المجلس الوطني للإعلام، ما يقرب من 150 مللي أمبير / ز. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
رقيقة الصفحة = "1"> 
الرقم 7. منحنى التفريغ معروضة للإلكترود المجففة بسرعة كبيرة جدا (غير صحيح) وانخفاض معدل الاستفادة من مرحلتين الجافة. وتظهر منحنيات التفريغ لمعدلات 1C و5C. الطاقة محددة من الخلايا يمكن تحديد مثل منطقة تحت منحنى التفريغ. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ويظهر الشكل 8. مثال EIS الطيف لمجموعة تردد مسح من 1 ميغاهيرتز و 100 ميغاهيرتز. البيانات بعد ال 5 C / 10 التفريغ لنفس الحالات التي عرضت في أرقام 7 و 8.e.jpg من "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 9. تأثير سمك القطب (A) والمسامية (B) على أداء التفريغ. كل هذه العوامل يمكن أن يتم تعديلها عن طريق التحكم في الخطوات التي تمت مناقشتها في هذه التقنية (الصقل، صب سمك، الطين اللزوجة، وما إلى ذلك). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 أكثر صعوبة مثل الصمغ زنتان في الماء. لأن طبيعة جلخ من اختلاط يمكن أن يسبب الشوائب الزجاج لخلط في الطين الكهربائي، يجب التخلص من الكرات الزجاجية المستخدمة وذلك لتقليل هذا التأثير. الحد الأدنى من كمية كرات زجاجية المطلوبة هي التي تعتمد على قدرة خلط المكونات داخل القارورة. ومع ذلك، يوجد حد أعلى ويرجع ذلك إلىفقدان الطين طلاء الكرات الزجاجية بعد الخلط. مع القليل جدا من الطين أو الكثير من الكرات، فإنه لن يكون من الممكن استخراج ما يكفي من الطين الكهربائي للادلاء إلكترود. ويستند كمية NMP المطلوبة على مساحة إجمالية تبلغ الجزيئات الموجودة في الخليط الجاف 21. على سبيل المثال، إذا تم تعديل نسبة الوزن الجاف المطلوب من المكونات لتشمل 10٪ الكربون الأسود في مقابل 20٪ (80٪ NMC و 10٪ PVDF)، وهو مبلغ أقل بكثير من NMP ستلزم: 2.0 مل (مع مسحوق جاف كتلة من 1 غرام). وعلاوة على ذلك، مع تكوين المادة الفعالة 94٪، 3٪ مضافة موصل و 3٪ الموثق، 1.5 مل من NMP مطلوب (مرة أخرى مع 1 غرام الجافة كتلة مسحوق). ويعزى أساسا إلى حقيقة أن بروناور-ايميت-تيلر (BET) مساحة من الكربون الأسود هو أعلى من ذلك بكثير من المكونات المتبقية. وبالتالي فإن تحديد محتوى المذيب المناسب في مرحلة خلط الأولية يجب أن تحدد بعناية عند العمل مع الجديد المطلوب ورقة المشتركmpositions. مثالية لاحظت اللزوجة لتكوين لاحظ هنا هي 0.11 باسكال · ثانية. وتجدر الإشارة إلى أن تكوين ورقة القطب المستخدمة يجب تعديلها لتتناسب مع احتياجات وأداء المواد المستخدمة محددة. عادة، يتم استخدام محتوى المواد أعلى نشط لتقليل كمية من المواد غير نشط في الوقت الحاضر الأقطاب. ومع ذلك توجد المفاضلات من حيث الأداء خلية في زيادة أسعار الفائدة.
حتى مع وجود الطين الكمال فمن الممكن الحصول على ورقة القطب سيئة بسبب التصاق إلى المجمع الحالي. أثناء عملية التصنيع، وهي مغلفة احباط الالومنيوم مع طبقة رقيقة من النفط لمنع التصاق الذاتي عندما المتداول المواد. إذا لم يتم تنظيفها بشكل صحيح، فإن هذه المخلفات المتبقية تقلل من التصاق الكهربائي. أثناء التنظيف، ينبغي أن تؤخذ مزيدا من التشديد على ضمان نظافة الركيزة الكهربائي. الترتيب الذي يتم تنظيف ورقة (الصب الجانب، ثم الجانب زر، تليها الصب) هو التأكد من أن سطح الصب نظيفة قدر الإمكان. يجب الحرص على استخدام المناشف الورقية التي هي لينة بما يكفي (وخالية من الوبر بما فيه الكفاية) بحيث سطح جامع الحالي غير مشوهة ولا تزال خالية من تأليب السطح. ويتساقط القطب المعروضة في الشكل 3A هو ممثل الناتجة التصاق من استخدام الركيزة تنظيفها بشكل غير صحيح. وهذا يمكن أن يحدث من عدم الغسل بما فيه الكفاية (وبالتالي أدى ذلك إلى ضعف بلل) أو الغسل من الصعب جدا (والذي يمكن أن يؤدي إلى تأليب يمكن ملاحظتها بالعين المجردة من على سطح الركيزة). طريقة الحفر المستخدمة هنا هي كافية لالتصاق جيدة مع المذيب غير مائي والموثق المستخدمة. روابط مختلفة والمذيبات قد تتطلب طرق بديلة لتحقيق التصاق، مثل كورونا التفريغ أو العلاج قبل الحرارة من جامع الحالي. على سبيل المثال، على الرغم من أن تدفق المياه DI على سطح القطب مع الحد الأدنى من الركود وانخفاض الرطبتينغ زاوية تشير إلى سطح الصب كافية، وبلل المتاحة غير كافية لمعالجة مائي.
والخطوة التي غالبا ما تدفع القليل من الاهتمام هي القطب التجفيف. هنا يتم تعيين المجهرية النهائية للخلية كما يتبخر المذيب. الهجرة الرأسية من مكونات القطب النقالة (الموثق ومضافات) يمكن أن يسبب التوزيع الرأسي لهذه المواد لتطوير 22. في الممارسة العملية، التبخر السريع للالمذيب من نتائج سطح القطب في ترسب الموثق المركزة (موجودة في المحلول السائل المذيب) والكربون (المادة المضافة موصل) على سطح القطب. على الرغم من أن هذا التأثير يحدث في أي سرعة التجفيف، وبمعدلات أعلى ليس هناك ما يكفي من الوقت لإعادة توزيع هذه المكونات عن طريق نشر. عملية التجفيف على مرحلتين تسمح للتبخر الموحد للمذيب مجانا، تليها تبخر المذيبات محاصرين داخل المجهرية خلال الفرنمرحلة التجفيف.
عند بناء الخلية عملة واحدة، يجب الحرص على التأكد من أن القطب الموجب والسالب تتماشى بعناية داخل الخلية. هنا، يستخدم أكبر قليلا قطر الأنود للسماح لهامش الخطأ في التوظيف. وهل وموجة الربيع داخل الخلية يعمل على زيادة سماكة من المكونات الداخلية بحيث يتم تشكيل دائرة كاملة. أيضا حاسمة في هذه الدائرة هي بالكهرباء، يمكن من خلالها السفر في بطارية ليثيوم أيون. مع شكل عامل نظرا لكمية كبيرة من مساحة فارغة موجودة داخل الخلية. وهكذا فمن الممكن أن يكون هناك كمية متفاوتة من بالكهرباء الحاضر داخل الخلية. تمرغ تماما الخلية ضمان عدم وجود أو الحد الأدنى من جيوب الأرجون موجودا التي يمكن أن يخل توزيع بالكهرباء في ساندويتش.
خلال توصيف الكهروكيميائية، إما galvanostatic (الذي يستخدم هنا) أو ركوب الدراجات potentiostatic يمكن الاستفادة منها. خلال تهمة galvanostatic / تصريف كوريهويحتفظ الإقليم الشمالي مستمر وتعتبر هذه الخلية كما شحن والتفريغ بعد التوصل إلى الحد المحتمل العلوي أو السفلي. هذا الحد المحتمل يعتمد على المادة الفعالة المستخدمة. يمكن الشحن أو التفريغ على المادة الفعالة وراء هذه القيود تؤدي إلى تدهورها. خلال potentiostatic تهمة / التفريغ يتم الحفاظ على الجهد المستمر، في حين يختلف التيار. عيب واحد من الدراجات potentiostatic هو الوقت الإضافي المطلوب للتيار لاسقاط إلى الحد الأدنى. وهذا ومعدلات الدراجات المطلوب يحتاج إلى أن يتم تكوين استنادا إلى المعلومات والمواد المطلوب استخدامها. بروتوكول المدرجة هنا هو بروتوكول للأغراض العامة، ولكن قد لا تناسب جميع الاحتياجات.
هذه التقنية توفر طريقة لإنشاء أوراق الكهربائي وخلايا عملة بطريقة تسيطر على وجه التحديد التي هي مناسبة للتكاثر في إعداد البحوث الأكاديمية أو الصناعي. ويمكن الاستفادة من أساسيات هذه التقنية كأساس FOص خلق أوراق الكهربائي للبطارية أكبر العوامل شكل وتجهيز المائي، ومختلف كيمياء الخلية والتراكيب، على الرغم من أن مرحلة معينة قد تحتاج إلى أن يكون الأمثل. وهذا الأسلوب يقتصر على إنشاء أقطاب مخصصة (إيجابية أو سلبية) حيث التوزيع النهائي للمواد (على الرغم ربما موحدة داخل المجال) هو مؤشر ستوكاستيك. بالإضافة إلى ذلك، فإن إنشاء الخلايا مع عوامل شكل أكبر تتطلب تعديلات على حجم إنتاجها الكهربائي (ورقة صب أكبر) ومكونات الخلية المستخدمة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
ويدعم هذا العمل ماليا من تكساس A & M جامعة منحة بدء الأبحاث أعضاء هيئة التدريس (موخرجي) وجامعة ولاية تكساس تمويل البدء (رودس).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LiNiMNCoO2 (NMC, 1:1:1) | Targray | PLB-H1 | |
| CNERGY Super C-65 | Timcal | ||
| Polyvinylidene Difluoride (PVDF) | Kynar | Flex 2801 | |
| 1-Methyl-2-pyrrolidinone anhydrous, 99.5% NMP | Sigma-Aldrich | 328634 | |
| 1.0 M LiPF6 in EC/DEC (1:1 by vol) | BASF | 50316366 | |
| Celgard 2500 Separator | MTI | EQ-bsf-0025-60C | 25 μm thick; Polypropylene |
| Aluminum Foil | MTI | EQ-bcaf-15u-280 | |
| Lithium Ribbon | Sigma Aldrich | 320080 | 0.75 mm thickness |
| 2-Propanol, ACS reagent, ≥99.5% | Sigma Aldrich | 190764 | |
| Acetone, ACS reagent, ≥99.5% | Sigma Aldrich | 179124 | |
| Stainless Steel CR2032 Coin Cell Kit | Pred Materials | case, cap, and PP gasket | |
| Stainless Steel Spacer | Pred Materials | 15.5 mm diameter x 0.5 mm thickness | |
| Stainless Steel Wave Spring | Pred Materials | 15 mm diameter x 1.4 mm height | |
| Analytical Scale | Ohaus | Adventurer AX | |
| Agate Mortar and Pestle | VWR | 89037-492 | 5 inch diameter |
| Tube Drive | IKA | 3645000 | |
| 20 ml Stirring Tube | IKA | 3703000 | |
| Glass balls | McMaster-Carr | 8996K25 | 6 mm diameter |
| Automatic Film Applicator | Elcometer | K4340M10- | |
| Doctor Blade | Elcometer | K0003580M005 | |
| Die Set | Mayhew | 66000 | |
| Vacuum Oven | MTI | ||
| Vacuum Pump | MTI | ||
| Laboratory Press | MTI | YLJ-12 | |
| Hydraulic Crimper | MTI | MSK-110 | |
| Glovebox | MBraun | LABstar | |
| Battery Cycler | Arbin Instruments | BT2000 | |
| Potentiostat/Galvanostat/EIS | Biologic | VMP3 |
References
- Wagner, R., Preschitschek, N., Passerini, S., Leker, J., Winter, M. Current research trends and prospects among the various materials and designs used in lithium-based batteries. J Appl Electrochem. 43, 481-496 (2013).
- Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chem Rev. 104, 4271-4301 (2004).
- Ellis, B. L., Lee, K. T., Nazar, L. F. Positive Electrode Materials for Li-Ion and Li-Batteries. Chem Mater. 22, 691-714 (2010).
- Tarascon, J. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
- Smith, K., Wang, C. Y. Power and thermal characterization of a lithium-ion battery pack for hybrid-electric vehicles. J Power Sources. 160, 662-673 (2006).
- Lu, L. G., Han, X. B., Li, J. Q., Hua, J. F., Ouyang, M. G. A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles. J Power Sources. 226, 272-288 (2013).
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334, 928-935 (2011).
- Esb Inc. Button Cell battery. US patent. Cich, E. R. , US3655452 A (1972).
- Elul, S., Cohen, Y., Aurbach, D. The influence of geometry in 2D simulation on the charge/discharge processes in Li-ion batteries. J Electroanal Chem. 682, 53-65 (2012).
- Buqa, H., Goers, D., Holzapfel, M., Spahr, M. E., Novak, P. High rate capability of graphite negative electrodes for lithium-ion batteries. J Electrochem Soc. 152, A474-A481 (2005).
- Chen, Y. H., Wang, C. W., Zhang, X., Sastry, A. M. Porous cathode optimization for lithium cells: Ionic and electronic conductivity, capacity, and selection of materials. J Power Sources. 195, 2851-2862 (2010).
- Arora, P., Doyle, M., Gozdz, A. S., White, R. E., Newman, J. Comparison between computer simulations and experimental data for high-rate discharges of plastic lithium-ion batteries. J Power Sources. 88, 219-231 (2000).
- Dillon, S. J., Sun, K. Microstructural design considerations for Li-ion battery systems. Curr Opin Solid St M. 16, 153-162 (2012).
- Harris, S. J., Lu, P. Effects of Inhomogeneities-Nanoscale to Mesoscale-on the Durability of Li-Ion Batteries. J Phys Chem C. 117, 6481-6492 (2013).
- Liu, G., Zheng, H., Song, X., Battaglia, V. S. Particles and Polymer Binder Interaction: A Controlling Factor in Lithium-Ion Electrode Performance. J Electrochem Soc. 159, A214-A221 (2012).
- Zheng, H. H., Yang, R. Z., Liu, G., Song, X. Y., Battaglia, V. S. Cooperation between Active Material, Polymeric Binder and Conductive Carbon Additive in Lithium Ion Battery Cathode. J Phys Chem C. 116, 4875-4882 (2012).
- Liu, Z. X., Battaglia, V., Mukherjee, P. P. Mesoscale Elucidation of the Influence of Mixing Sequence in Electrode Processing. Langmuir. 30, 15102-15113 (2014).
- Liu, Z. X., Mukherjee, P. P. Microstructure Evolution in Lithium-Ion Battery Electrode Processing. J Electrochem Soc. 161, E3248-E3258 (2014).
- Zheng, H. H., Tan, L., Liu, G., Song, X. Y., Battaglia, V. S. Calendering effects on the physical and electrochemical properties of Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O-2 cathode. J Power Sources. 208, 52-57 (2012).
- Zheng, H. H., Li, J., Song, X. Y., Liu, G., Battaglia, V. S. A comprehensive understanding of electrode thickness effects on the electrochemical performances of Li-ion battery cathodes. Electrochim Acta. 71, 258-265 (2012).
- Marks, T., Trussler, S., Smith, A. J., Xiong, D. J., Dahn, J. R. A Guide to Li-Ion Coin-Cell Electrode Making for Academic Researchers. J Electrochem Soc. 158, A51-A58 (2011).
- Li, C. C., Wang, Y. W. Binder Distributions in Water-Based and Organic-Based LiCoO2 Electrode Sheets and Their Effects on Cell Performance. J Electrochem Soc. 158, A1361-A1370 (2011).
