Introduction
Batteries lithium-ion représentent une source prometteuse pour répondre aux exigences toujours croissantes de dispositifs de stockage d'énergie 1-4. L'amélioration de la capacité des BIL ne seraient pas seulement d'améliorer la portée effective des véhicules électriques 5,6, mais aussi d'améliorer leur cycle de vie en réduisant la profondeur de décharge, ce qui à son tour augmente la viabilité de BIL pour une utilisation dans l'énergie de la grille des applications de stockage 7.
Utilisé à l'origine pour les appareils auditifs dans les années 1970 8, cellules de pièce de monnaie d'aujourd'hui sont couramment utilisés dans le développement et l'évaluation de nouveaux et existants matériaux d'électrode. Comme l'un des plus petits facteurs de forme pour les batteries, ces cellules représentent un moyen simple et efficace pour créer des piles dans un cadre de recherche universitaire. Une batterie au lithium-ion typique se compose d'une cathode, l'anode, collecteurs de courant, et un séparateur poreux qui empêche un court-circuit de l'anode et la cathode. Lors de l'opération d'une batterie Lithium-Ion, ions et des électrons sont mobiles. Pendant la décharge, les ions se déplacent à partir de l'électrode négative (anode) à travers le séparateur poreux et dans l'électrode positive ou cathode. Pendant ce temps, les électrons se déplacent à travers le collecteur de courant, à travers le circuit externe, enfin se recombiner avec les ions du côté de la cathode. Afin de réduire les résistances associées aux ions et le transfert d'électrons, les composants doivent être orientés correctement - la distance Voyage d'ions doit être minimisée. Typiquement, ces composants sont combinés d'une configuration "sandwich". Les batteries utilisées dans les véhicules électriques, les téléphones cellulaires et l'électronique grand public sont de grandes sandwichs qui sont enroulées en spirale ou pliées, selon le facteur de forme de la batterie. Ces types de cellules peuvent être très difficiles à fabriquer en petite échelle, sans encourir des coûts élevés. Cependant, dans une cellule de la pièce, il n'y a qu'un seul sandwich à l'intérieur de la cellule. Bien que l'équipement spécialisé est toujours nécessaire de créer les électrodes i n cellules de pièces de monnaie, les cellules elles-mêmes peuvent être rapidement assemblés à la main et scellé dans un environnement contrôlé.
La performance des piles, indépendamment du type, dépend des matériaux qui forment l'électrode positive et négative, le choix de l'électrolyte, et l'architecture cellulaire 4,9-13. Une électrode LIB typique se compose d'une combinaison de Li contenant un matériau actif, un additif conducteur, un liant polymère, et de l'espace vide qui est rempli avec un électrolyte. Le traitement de l'électrode peut être organisé en cinq grandes étapes: le mélange de poudre sèche, mélange humide, préparation du support, l'application du film, et de séchage - une étape qui est souvent donné peu d'attention. Lors de la production d'une électrode à l'aide de ces étapes de traitement, l'objectif final est d'obtenir un film uniforme d'électrode constitué de la matière active, un additif conducteur, un liant. Cette distribution uniforme est critique pour la performance optimale de 14-18 BIL.
nt "> Ce guide représente les étapes mises à la Texas A & M dans le laboratoire de l'énergie et des sciences de Transport (ETSL) et à l'Université d'État du Texas pour la fabrication de cellules de pièce de monnaie pour l'évaluation de nouveaux et existants matériaux d'électrode. Au-delà des étapes de base trouvés documentée dans de nombreuses sources , nous avons inclus notre propre expertise aux étapes critiques, notant des détails importants qui sont souvent exclues des méthodes semblables documents et de nombreuses publications. En outre, les méthodes physiques et électrochimiques primaires utilisées dans notre laboratoire (cyclage et spectroscopie par impédance électrochimique (SIE)) sont élucidés à l'intérieur.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Il faut être prudent lors de l'utilisation quelconque des solvants, des réactifs, ou de poudres sèches utilisées dans ce protocole. Lire toutes les fiches signalétiques et prendre des mesures de sécurité appropriées. Équipement de sécurité standard comprend des gants, des lunettes de sécurité, et une blouse de laboratoire.
1. Préparation Cathode
Remarque: La vue d'ensemble schématique du procédé de fabrication de cathode est présentée en figure 1.
Figure 1. Aperçu schématique des étapes mises en œuvre dans le ETSL pour créer cathodes. Le processus principal comprend la préparation et la coulée de la suspension d'électrode sur un substrat d'aluminium nettoyé, suivie d'un séchage de la feuille d'électrode et l'incorporation dans les cellules de pièce de monnaie. S'il vous plaît cliquez ici pour afficher une plus grande version de ce chiffre.
- Préparation du substrat en aluminium
- Coupez un 4,5 "par 12" feuille de 15 um d'épaisseur en aluminium (Al) feuille en utilisant un couteau ou des ciseaux papier.
- Vaporiser de l'acétone sur la surface d'une plaque de plastique propre pour faire adhérer la feuille à la carte et ensuite placer la feuille de papier d'aluminium sur la planche.
- Vaporisez une quantité généreuse de l'acétone sur la surface de la feuille et de commencer à frotter toute la surface en utilisant un tampon scotch avec de petits mouvements en demi-cercle. Vaporiser de l'acétone supplémentaire sur la surface et essuyez les résidus avec une serviette en papier.
- Répétez les étapes 1.1.2-1.1.3 pour le côté opposé, puis répéter une fois de plus pour le côté de la coulée.
- Laver gravé feuille d'aluminium avec déminéralisée (DI) de l'eau sur la coulée côté de la première, puis retournez et répétez avec côté opposé. Re-frotter la surface de la feuille d'aluminium que l'eau DI affiche une faible mouillabilité et ne coule pas hors de la surface de la feuille, sans formation de gouttelettes. Répétez le rinçage avec isopropyliquealcool.
- Transférer la feuille Al nettoyés entre deux serviettes en papier et laisser sécher pendant environ 20 min en compression entre deux surfaces planes et des serviettes en papier.
- Préparation lisier
- Des poids de matière active, additif conducteur et un liant sur la base de la composition souhaitée de la feuille d'électrode. Choisissez un poids de poudre sèche totale de 1,25 g, avec 70% en poids de lithium-manganèse-cobalt-oxyde, LiNi 1/3 1/3 Mn Co 1/3 O 2 (NMC, matière active), 20% en poids de noir de carbone (conducteur additif) et 10% de difluorure de polyvinylidène (PVDF, un liant).
- Mesurer 0,875 g de NMC et 0,25 g de noir de carbone et le placer dans un mortier en agate et d'un pilon. Légèrement mélanger les matériaux ensemble sans broyage. Après un mélange commence à se former, le moulin à la main dans le mortier et le pilon pendant 3-5 min, jusqu'à obtenir une poudre uniforme est observée visuellement.
- Transférer la poudre mélangée dans un tube de mélange jetableavec un morceau de papier peser. Ajouter 16 billes de verre (diamètre 6 mm) à la poudre, en même temps que 5,5 ml de 1-méthyl-2-pyrrolidinone (NMP), le solvant non-aqueux.
- Placer le tube jetable sur la station d'entraînement de tube et le verrouiller en place. Allumez le lecteur et augmenter lentement à la vitesse maximale. Laissez le contenu se mélanger pendant 15 min.
- Ajouter 1,25 g d'un PVDF à 10% dans de la NMP solution directement dans le tube. Placer le tube en arrière sur le disque et permettre le mélange pendant 8 min, suivant la même procédure en 1.2.4. Si le tube est laissé au repos pendant plus de 5 minutes avant de couler (ci-dessous), mélanger le contenu pendant 15 minutes supplémentaires.
- Coulée et séchage
- Nettoyer la surface métallique de l'applicateur automatique de film avec de l'alcool isopropylique et une serviette en papier. Assurez-vous que la lame de raclage est propre, et se trouve à la hauteur de coulée souhaité (200 um).
- Appliquer une couche d'alcool isopropylique à la surface de l'applicateur de film et placer le dried aluminium substrat face brillante vers le bas sur la surface. Appuyez sur l'alcool isopropylique excès avec une serviette en papier plié jusqu'à ce que toutes les rides et isopropylique sont supprimés. Prenez soin d'éviter de déchirer le substrat en tenant fermement l'un des substrat en place.
- Retirer le tube de mélange de l'unité de tube et ouvrir le conteneur. Verser la pâte sur la surface du substrat dans une ligne d'environ 1 pouce à partir de la partie supérieure (côté initial de coulée) du substrat 3.2 pouces. Retirez toutes les billes de verre de la feuille avec des pincettes métalliques propres.
- Réglez la vitesse de coulée à 20 mm / sec, et activer le bras de coulée de l'applicateur de film.
- Soulever l'électrode de fonte de la surface de l'applicateur de film en utilisant un morceau de carton mince pour assurer pas de rides se forment sur la feuille.
- Laisser la feuille d'électrode à sécher pendant 16 heures à température ambiante (~ 24 ° C) suivie d'un séchage à 70 ° C pendant ~ 3 heures ou jusqu'à ce que la feuille est sèche. Assurez-vous que l'électrode est isolé de l'environnement dans un fumoi capot ou chambre étanche pour éviter le dessèchement non uniforme.
- Électrode de cathode de poinçonnage
- Placez la feuille d'électrode séchée sur une feuille d'aluminium métallique nettoyé. Prenez un ½ "perforatrice et le placer délicatement sur une région de la feuille avec une surface uniforme (bords peuvent apparaître non uniforme). Appliquer lentement la pression au poinçon (à la main) et" rouler "la pression sur les bords de le poinçon pour assurer une coupe nette.
- (Alternative) Découpez un disque d'électrode en utilisant un disque de coupe précise au lieu de pigeage manuel.
- Retirer l'électrode de la feuille avec nettoyées, pinces en plastique et placez-le dans un flacon étiqueté, avec la surface de l'électrode vers le haut. Répéter deux fois.
- (Facultatif) Placez une électrode de poing sur la surface de la presse de laboratoire. Appliquer une pression d'environ 4 MPa (la pression optimale varie en fonction de la presse utilisée). Répétez l'opération pour les électrodes restantes.
- Placez les flacons dans un vacuum four et laisser les électrodes pour la sécher à 120 ° C à -0,1 MPa pendant 12 heures pour éliminer toute trace d'humidité. Après, enlever les électrodes et les peser 0,0001 g.
- Ouvrez l'antichambre de la boîte à gants et placer les flacons sur le plateau. Fermez la chambre la porte et assurer l'étanchéité à l'aide de deux doigts pour serrer antichambre trappe.
- Apportez le vide bas à -0,1 MPa, puis de remplir avec de l'argon. Répétez ce processus 1-2 plusieurs fois, selon les échantillons transportés dans la boîte à gants.
2. Anode Fiche de cellule pleine
- Répétez l'article 1, mais en utilisant 9 pm feuille de cuivre épais que le substrat à la place d'une feuille d'aluminium. La composition de la feuille peut être modifié pour répondre aux besoins spécifiques.
3. Pile Pré-montage
Attention: La construction de cellules de pièce de monnaie est effectuée dans un (Argon) environnement dans une boîte à gants inerte. Extreme précautions doivent être prises pour minimiser l'exposition de l'environnement interne à l'atmosphère externe. Travailler avec des objets pointus dans la boîte à gants doit être minimisée si possible. En règle générale, une tâche dans la boîte à gants devrait prendre 3 fois plus longtemps que la vitesse à laquelle la tâche sera effectuée en dehors. Les gants doivent également être portés sur les gants de la boîte à gants pour minimiser l'exposition lorsque vous travaillez avec des substances différentes.
Remarque: Les composants nécessaires à la construction de la cellule de la pièce, y compris la PAC, cas, ressorts ondulés, joints, entretoises, ruban de lithium, l'électrolyte et autres outils tels que les pinces en plastique (pour le placement des composants) sont contenus dans une boîte à gants remplie d'argon avec O 2 et H 2 O en dessous des niveaux maintenus 0,5 partie par million. Tous les composants insérés dans la boîte à gants (y compris les groupes de lingettes non pelucheux) doivent être chauffés O / N dans un four à vide à 120 ° C sous une pression de -0,1 MPa pour éliminer toutehumidité.
- Préparation contre-électrode
- Dans la boîte à gants, retirer un ruban de lithium (0,75 mm d'épaisseur) à partir du récipient scellé et déployer une partie sur la surface d'un bloc de plastique. En utilisant une lame de rasoir, soigneusement gratter toute oxydation de couleur noire de la surface de la feuille. Prenez une extrême prudence pour éviter de couper les gants.
- Jetez un «punch 9/16 trous et punch out un disque du ruban de lithium. Utilisez un doigt (séparé du lithium par des gants en caoutchouc dans les boîte à gants) ou un autre outil émoussé pour pousser le disque au lithium hors du poinçon.
- Prenez une entretoise d'épaisseur de 0,5 mm et appliquez délicatement le disque de lithium à la surface entre les doigts. Assurer les bâtons de disque de lithium au centre de l'entretoise et est plat - une surface inégale peut causer des distributions actuelles inégales.
- Électrolyte Préparation
- Stocker l'électrolyte de choix (dans ce cas 1 M LiPF 6 CE / DEC 1: 1 en volume) avecdans la boîte à gants à tout moment dans un récipient en aluminium, en tant que l'électrolyte est photosensible.
- Éliminer une petite quantité d'électrolyte à partir du conteneur source dans un récipient de travail.
- Celgard Separator Préparation
- Placer une feuille de la membrane de séparation entre une feuille pliée de papier d'imprimante. Placez le papier plié membrane et sur une feuille d'aluminium métallique.
- Placez une couche de rembourrage sur le dessus du poinçon de trou et utiliser un marteau pour frapper une "membrane de séparation de diamètre ¾.
- Transférer les disques de séparation perforées dans la boîte à gants en utilisant les procédures décrites dans 1.4.6-1.4.7.
Remarque: Il est recommandé d'effectuer cette étape en vrac pour éviter d'avoir à perforer séparateurs individuels pour chaque cellule de la pièce en cours de construction.
4. Pile Assemblée
Remarque: La configuration de la cellule de pièce de monnaie estprésentée sur la figure 2.
Figure composants 2. cellulaires Coin affichés dans l'ordre de placement au sein de la cellule. Placement de la cathode est suivie par le séparateur, joint, contre-électrode et vague au printemps, suivie par le scellement de la cellule. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure .
- Ouvrez la porte de l'antichambre intérieur. Tirez les composants au sein de l'antichambre dans la boîte à gants et refermer la porte de l'antichambre intérieur.
- Placez un boîtier de pile de pièces de monnaie dans une petite peser bateau. Placez la cathode dans le centre du boîtier de la pile cellulaire. Appliquer 1-2 ~ 30 ul de gouttes d'électrolyte par rapport au centre de l'électrode et à appliquer une goutte sur des côtés opposés du rebord de la boîte.
- Placez une seule ¾ séparateur "surà la surface de l'électrode. Vigueur sur les bulles qui sont pris au piège en utilisant le côté plat d'une paire de pinces, et recentrer la cathode en saisissant le cas par la lèvre et tapant légèrement l'électrode en place. Appliquer un 1-2 gouttes supplémentaires d'électrolyte pour permettre une meilleure circulation de l'électrode si elle se colle à sa position initiale.
- Placez le joint dans le cas, avec le côté plat vers le bas et le côté lèvres vers le haut. Confirmez l'orientation du joint en tenant à la lumière avant l'insertion de la cellule.
- Appliquer 2-3 ~ 30 ul de gouttes d'électrolyte à l'axe de la cellule, et placer la contre-électrode disposée sur le centre avec le lithium vers le bas. Placez le ressort ondulé sur le dessus de la contre-électrode centrée.
- Remplissez la cellule à ras bord (~ 0,7 ml) avec l'électrolyte jusqu'à ce qu'elle forme, un ménisque courbe convexe qui couvre la plupart de la surface de ressort ondulé.
- Placez délicatement le couvercle de pile bouton sur le dessus de la cellule en utilisant til pince à épiler pour tenir le bouchon centré verticalement sur la cellule. Prenez soin de centrer le bouchon pour éviter une perte excessive d'électrolyte.
- Appuyez sur le bouchon (à la main) jusqu'à ce qu'il définit dans la lèvre du joint. Transférer la cellule de la pince à sertir et veiller à ce que la cellule est centré dans la rainure de la matrice de sertissage. Sertir la cellule à une pression de ~ 6,2 MPa (900 psi) et la libération.
- Retirer la cellule de la sertisseuse (à la main), et nettoyer tout excès électrolyte. Répétez les étapes 4.2- 4.9 jusqu'à ce que toutes les cellules souhaitées sont construits. Nettoyez tout électrolyte renversé, placer les déchets dans un récipient approprié. Transférer les cellules de la boîte à gants et de les étiqueter.
5. Évaluation électrochimique
- Connectez les cellules nettoyées au cycleur de batterie. Vérifiez que les bornes sont correctement raccordés en mesurant le potentiel de circuit ouvert. Si non positif, inverser les connexions.
- Calculer le courant souhaité sur la base du poids sec des électrode sur la surface du substrat d'aluminium, de la masse connue de l'aluminium, le pourcentage de matière active en poids, et la capacité spécifique nominale de la matière active utilisée.
- Avec une masse mesurée de l'électrode de 0,0090 g, la masse du disque d'aluminium de 0,0054 g, et de la capacité nominale de 155 mAh / g, déterminer le courant souhaité que (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh / g = 0,3906 mAh. Pour la décharge au courant nécessaire pour décharger complètement la cellule dans 1 heure (1C), le courant appliqué est 0,3906 mA.
- Définir le calendrier sur le cycleur pour charger / décharger la cellule entre les niveaux supérieurs et inférieurs de tension 4,2 V et 2,8 V. Cycle de la cellule 4 fois à un taux de C / 10 (galvanostatique, courant constant). Ensuite, chargez la cellule une fois à C / 10.
- Après la 5 e C / 10 chargé, retirez la cellule du cycleur (si nécessaire) et effectuer la spectroscopie d'impédance électrochimique 19 (SIE) sur la cellule, après le repos pendant 1 heure. Placez la cellule arrièresur le cycleur et de décharge à C / 10. Effectuer EIE une fois de plus après le repos pendant 1 heure.
- Placer le tube arrière sur le cycleur et le cycle des cellules 5 fois à des taux de C / 5, C, 2C, 5C et 10C, suivie de 100 cycles 1C.
- Déterminer la capacité spécifique des cellules à chaque taux de C en divisant la capacité en mAh par la masse de matériau actif présent dans la cathode. Calculer la capacité de rétention en divisant la capacité spécifique moyenne des 5 derniers cycles 1C par la capacité spécifique moyenne des 5 premiers cycles 1C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Une feuille d'électrode correctement fonte devrait apparaître uniforme aspect de surface et bien adhérer à la collecteur de courant. Typiquement, la desquamation de la feuille d'électrode est causée soit par une mauvaise gravure du substrat, ou d'avoir à peu NMP dans l'étape de mélange initial. En variante, trop NMP peut entraîner la feuille en affichant un degré élevé de porosité, ce qui est indésirable. Enfin, un troisième motif peut être observée sur la surface d'électrode, où la mise en commun semble se produire. Interactions avec les conditions ambiantes de la pièce (humidité, température, et aucun mouvement d'air) sont les causes les plus probables de ce comportement. Isolement dans une hotte peut empêcher ce comportement. Ces scénarios peuvent être vus sur la figure 3.
La pile bouton doit apparaître comme le montre la figure 4, sans arêtes brisées. Lorsque la cellule ne sont pas correctement fermé, l'exposition à la atmosphère va provoquer un gonflement du lithium, ce qui entraînera la cellule à la pop ouverte. Il est également possible d'écraser la cellule lors du sertissage. Pour éviter que cette pression de sertissage le besoin d'être optimisé pour sertir les cellules et les composants choisis.
Microscope électronique à balayage (MEB) de formation d'image de la surface d'électrode (figure 5) révèle la complexité d'une cathode utilisée dans la construction d'une pile bouton. Les grosses particules sont indiquées la matière active. La matière restante est une combinaison de PVDF et du noir de carbone.
La structure elle-même est stochastique dans la nature, mais le traitement correct influe sur la répartition des particules au sein de la feuille. Le séchage peut provoquer une mauvaise répartition de liant et additif conducteur qui peut affecter négativement les performances de la cellule. La figure 6 montre les résultats sont représentatifs de cyclisme pour une feuille qui a été séché troprapide et une feuille qui a été correctement séché en utilisant le procédé en deux étapes présenté.
Ces données de vélo nous permet de voir les performances (en termes de capacité spécifique) des cellules à divers taux, et nous permet de regarder à la rétention des capacités après un cycle étendu. Les courbes de décharge tels que ceux représentés sur la figure 7 peuvent être utilisées pour afficher l'énergie spécifique des cellules, qui est déterminée comme étant la zone située sous la courbe de décharge.
Les données relatives à l'EIE pour les cellules à l'étude peuvent être utilisés pour caractériser les cellules. Un spectre représentant EIS peut être vu sur la figure 8.
Lorsque l'on compare les spectres EIS, deux composants primaires (pour une cellule déchargée) sont les (i) à haute fréquence demi-cercle, et (ii) la queue basse fréquence. La pente de la queue indique une résistance due àdiffusion, et le demi-cercle représente un certain nombre de résistances dues à charger la résistance de transfert, et plusieurs contributions d'autres, en fonction de la gamme de fréquences. Dans le cas des électrodes différemment secs, la feuille rapidement séché a un plus grand rayon indiquant une résistance plus élevée de transfert de charge.
Les résultats représentatifs pour l'impact de la porosité et de l'épaisseur de l'électrode sont en outre présentés ci-dessous dans la figure 9.
Une feuille plus mince permet de réduire les distances de diffusion, et la porosité peut être optimisé pour permettre en outre, pour un transfert plus efficace. Il est important, cependant, de reconnaître que ces paramètres ne sont pas absolus, comme compromis existeront 19,20. L'épaisseur de la coulée, la viscosité et la composition boue, et le degré de calandrage ont tous un impact direct sur la porosité et de l'épaisseur d'une feuille. Ainsi, par précaution Manipréglage deux les étapes décrites dans le présent document, les caractéristiques de microstructure peuvent être contrôlés.
Figure 3. Les feuilles d'électrode: (A) avec trop peu de NMP, (B) avec trop de NMP, et (C) avec un séchage non uniforme. Chaque condition entraîne mauvaise stabilité mécanique et la performance électrochimique réduite en conséquence. Typiquement, la desquamation de la feuille d'électrode est causée soit par une mauvaise gravure du substrat, ou d'avoir à peu NMP dans l'étape de mélange initial (a). En variante, trop NMP peut entraîner la feuille en affichant un degré élevé de porosité, ce qui est souhaitable pas (b). Enfin, une surface non uniforme peut apparaître qui est semblable en apparence à la mise en commun matériau pendant le séchage (c). S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. cellule Coin qui a été correctement sertis (à gauche) et mal serti (à droite). Une cellule mal sertie sera sensiblement ouverte immédiatement après sertissage ou peut sauter sur plusieurs heures plus tard. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure .
Figure 5. image MEB de la surface de cathode NMC non calandre. La matière active (NMC) peuvent être considérés comme les grosses particules sphériques (~ 10 um de diamètre) avec le liant / additif (PVDF / de noir de carbone) composite qui entoure les particules de matériau actif . L'échelle de l'image de gauche est de 50 um et le droit est10 um. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. Les données de cyclisme présentés pour une électrode sèche trop rapidement (improprement) et un taux plus faible en utilisant un sèche en deux étapes. La capacité spécifique des cellules à des taux de C / 10, C / 5, C, 2C, 5C, et 10C suivie par le vélo à long terme à 1C. Les cellules ont été soumises aux cycles dans RT (~ 22 ° C) avec des cellules comprenant des cellules Li NMC - avec les charges matérielles décrites dans le protocole. C-taux est déterminé par rapport à la capacité nominale de la NMC, environ 150 mAh / g. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
mince page = "1"> 
Figure 7. courbe de décharge montré pour une électrode sèche trop rapidement (improprement) et un taux plus faible en utilisant un sèche en deux étapes. Les courbes de décharge pour les taux de 1C et 5C sont présentés. L'énergie spécifique de la cellule peut être déterminée comme la zone sous la courbe de décharge. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 8. Exemple spectre EIE pour une gamme de fréquence de balayage de 1 MHz à 100 MHz. Les données sont affichées après la 5 e C / 10 décharge pour les mêmes cas présentées dans les figures 7 et 8.e.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 9. Impact de l'épaisseur de l'électrode (A) et la porosité (B) sur les performances de décharge. Chacun de ces paramètres peut être modifiée en contrôlant les étapes décrites dans cette technique (le calandrage, le moulage épaisseur, de la viscosité de la suspension, etc.). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
L'optimisation des étapes de mélange humides sont essentiels à la viscosité de la suspension et le revêtement capacité, ce qui affecte l'uniformité et d'adhérence de l'électrode. Ici, un procédé de mélange à cisaillement élevé est utilisé, où le solvant, un additif, un liant, et un matériau actif sont mélangés ensemble en utilisant les mouvements cinétiques des billes de verre présentes dans les flacons. Cette technique de mélange offre l'avantage d'une grande partie des temps de mélange plus rapide par rapport à un procédé d'agitation magnétique. Au-delà de cela, ce mélange à cisaillement élevé permet des solutions plus visqueuses pour être mélangé efficacement, et fournit l'énergie nécessaire pour mélanger des liants plus difficiles tels que la gomme de xanthane dans l'eau. Comme la nature abrasive du mélange peut provoquer des impuretés de verre à mélanger dans la suspension de l'électrode, des billes de verre utilisées doivent être éliminés de manière à minimiser cet effet. La quantité minimale de billes de verre nécessaires dépend de la capacité de mélange des composants à l'intérieur du flacon. Cependant, il existe une limite supérieure en raison de laperte de boue revêtement des billes de verre après le mélange. Avec trop peu de boue ou trop de ballons, il ne sera pas possible d'extraire assez de la suspension de l'électrode de jeter une électrode. La quantité de NMP requis est basé sur la surface totale des particules présentes dans le mélange sec 21. Par exemple, si le rapport en poids sec souhaité des composants a été ajusté à inclure 10% de noir de carbone au lieu de 20% (avec 80% CNG et 10% PVDF), une quantité significativement plus faible de NMP serait nécessaire: 2,0 ml (avec un poudre sèche de masse de 1 g). En outre, avec une composition de 94% de matière active, de 3% additif conducteur et 3% de liant, 1,5 ml de NMP est nécessaire (encore une fois avec 1 g de la masse de poudre sèche). Cela est dû principalement au fait que la Brunauer Emmet-Teller (BET) de surface spécifique du noir de carbone est beaucoup plus élevée que celle des autres composants. Ainsi, la détermination de la teneur en solvant approprié à l'étape initiale de mélange doit être soigneusement déterminée lorsque vous travaillez avec nouvelle feuille co désirémpositions. L'idéal observé viscosité pour la composition noté ici est de 0,11 Pa · s. Il est à noter que la composition de la feuille d'électrode utilisé doit être ajustée pour s'adapter aux besoins et aux performances des matériaux utilisés spécifiques. En règle générale, une teneur en matière active plus élevée est utilisée pour réduire la quantité de matériau présent dans les électrodes inactives. Cependant compromis existent en termes de performance de la cellule à l'augmentation des taux.
Même avec une suspension parfaite, il est possible d'obtenir une feuille d'électrode en raison de la mauvaise adhérence sur le collecteur de courant. Au cours du processus de fabrication, la feuille d'aluminium est enduite d'une mince couche d'huile pour empêcher l'auto-adhérence lors du laminage du matériau. Si pas correctement nettoyé, ce résidu restant permettra de réduire l'adhérence de l'électrode. Pendant le nettoyage, l'accent supplémentaires doivent être prises en vue d'assurer la propreté du substrat de l'électrode. L'ordre dans lequel la feuille est nettoyé (coulée côté, puis bouton latéral, Suivie par coulée) est d'assurer que la surface de coulée est aussi propre que possible. Il faut prendre soin d'utiliser des serviettes en papier qui sont suffisamment doux (et suffisamment exempt de peluches) de telle sorte que la surface du collecteur de courant ne se déforme pas et reste exempt de piqûres de la surface. L'écaillage d'électrode affichée sur la figure 3A est représentative de l'adhérence résultant de l'utilisation d'un substrat nettoyé de manière incorrecte. Cela pourrait se produire à partir de pas assez de lavage (et entraînant ainsi une mauvaise mouillabilité) lavage ou trop difficile (ce qui peut conduire à des piqûres observable visuellement de la surface du substrat). Le procédé de gravure utilisé ici est suffisante pour une bonne adhérence avec le solvant non aqueux et un liant utilisé. Différents liants et de solvants peuvent nécessiter des méthodes alternatives pour parvenir à l'adhésion, comme décharge corona ou le traitement de pré-chauffage du collecteur de courant. Par exemple, bien que le débit d'eau DI sur la surface de l'électrode avec un minimum de récession et de faible humideangle Ting indique une surface de coulée suffisante, la mouillabilité fournies ne sont pas suffisantes pour le traitement aqueux.
Une étape qui est souvent peu d'attention est le séchage de l'électrode. Ici, la microstructure finale de la cellule est définie comme l'évaporation du solvant. La migration verticale des constituants d'électrodes mobiles (liant et d'additifs) peut provoquer une distribution verticale de ces matériaux pour développer 22. Dans la pratique, l'évaporation rapide du solvant à partir des résultats de surface d'électrode dans le dépôt de liant concentré (présent dans la solution liquide de solvant) et le carbone (additif conducteur) à la surface de l'électrode. Bien que cet effet se produit à une vitesse de séchage, à des taux plus élevés il n'y a pas suffisamment de temps pour la redistribution de ces composants par diffusion. Le procédé de séchage en deux étapes permet l'évaporation uniforme de la libre solvant, suivie par l'évaporation du solvant emprisonné à l'intérieur de la microstructure au cours du fourétape de séchage.
Lors de la construction de la cellule de pièce de monnaie, des précautions doivent être prises pour que la cathode et l'anode sont soigneusement alignées à l'intérieur de la cellule. Ici, un diamètre légèrement plus grand anode est utilisée pour permettre une marge d'erreur dans le placement. L'entretoise onde et ressort à l'intérieur de la cellule servent à augmenter l'épaisseur des composants internes, tels que un circuit complet est formé. De plus critique de ce circuit est de l'électrolyte, à travers laquelle les ions se déplacent-lithium. Avec le facteur de forme donné une grande quantité d'espace vide existe au sein de la cellule. Ainsi, il est possible d'avoir une quantité inégale de l'électrolyte présent dans la cellule. Trempage totalement la cellule assurer peu ou pas de poches d'argon existe qui peut perturber la distribution de l'électrolyte dans le sandwich.
Au cours de caractérisation électrochimique, soit galvanostatique (qui est utilisé ici) ou à vélo potentiostatique peuvent être utilisés. Pendant la charge galvanostatique / décharger la current est maintenue constante et la cellule est considérée comme chargée ou déchargée après avoir atteint une limite potentielle supérieure ou inférieure. Cette limite le potentiel dépend de la matière active utilisée. Charge ou décharge de la matière active au-delà de ces limites peut entraîner une dégradation. Pendant potentiostatique de charge / décharge, la tension est maintenue constante, tandis que le courant varie. Un inconvénient du cyclisme potentiostatique est le temps supplémentaire nécessaire pour le courant de déposer à la limite inférieure. Ceci et les taux de cyclisme souhaités devra être configuré sur la base des informations et des matériaux utilisés souhaitée. Le protocole figurant dans ce document est un protocole d'usage général, mais peut ne pas convenir à tous les besoins.
Cette technique offre une méthode pour la création de plaques d'électrodes et de cellules de pièce de monnaie d'une manière contrôlée avec précision qui convient pour la reproduction dans un cadre de recherche universitaire ou industriel. Les fondamentaux de cette technique peuvent être utilisés comme base for la création de feuilles d'électrodes pour les grandes batteries facteurs de forme, le traitement aqueuse, et diverses compositions chimiques des cellules et des compositions, bien étape spécifique pourrait avoir besoin d'être optimisé. Cette technique est limitée à la création d'électrodes personnalisés (positifs ou négatifs) lorsque la distribution finale des matériaux (quoique peut-être uniforme dans le domaine) est stochastique. En outre, la création de cellules avec de plus grands facteurs de forme exigerait des modifications à la taille de l'électrode produite (de la feuille de coulée plus grande) et les composants cellulaires utilisés.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Ce travail est soutenu financièrement par la Texas A & M University initiation à la recherche du corps professoral subvention (Mukherjee) et le Texas State University de financement de démarrage (Rhodes).
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).
