Introduction
Lithium-Ionen-Batterien stellen eine vielversprechende Quelle, um den ständig steigenden Anforderungen der Energiespeicher 1-4 zu erfüllen. Verbesserungen in der Kapazität von LIBs würde nicht nur zur Verbesserung der effektiven Reichweite von Elektrofahrzeugen 5,6, sondern auch ihre Lebensdauer zu verbessern durch Reduzierung der Tiefe der Entladung, was wiederum erhöht die Lebensfähigkeit der Bibliotheken für den Einsatz in netzEnergieSpeicherAnwendungen 7.
Ursprünglich für Hörgeräte in den 1970er Jahren 8 verwendet werden, sind Knopfzellen heute häufig in der Entwicklung und Bewertung von neuen und bestehenden Elektrodenmaterialien verwendet. Als eine der kleinsten Formfaktoren für Batterien, diese Zellen stellen eine einfache und effektive Möglichkeit, die Batterien in einem akademischen Forschungsumfeld zu schaffen. Eine typische Lithium-Ion-Batterie besteht aus einer Kathode, Anode, Stromabnehmer und einen porösen Separator, der ein Kurzschließen der Anode und der Kathode verhindert. Während des Betriebs eines Lithium-Ionen Akku, ions und Elektronen sind mobil. Während der Entladung reisen Ionen von der negativen Elektrode (Anode) durch den porösen Separator und in die positive Elektrode oder Kathode. Inzwischen Elektronen wandern durch den Stromkollektor für die externe Schaltung schließlich Rekombinieren mit den Ionen auf der Kathodenseite. Um irgendwelche Widerstände mit Ionen- und Elektronentransfer zu reduzieren, müssen die Komponenten richtig ausgerichtet werden, - der Abstand Ionen Reise minimiert werden. Typischerweise sind diese Komponenten kombiniert ein "Sandwich" -Konfiguration. Batterien in Elektrofahrzeugen, Mobiltelefone und Unterhaltungselektronik verwendet, bestehen aus großen Sandwiches, die spiralförmig gewunden oder gefaltet werden, abhängig von der Formfaktor der Batterie. Derartige Zellen können sehr schwierig auf kleinen Skalen ohne hohen Kostenaufwand herzustellen. Jedoch in einer Knopfzelle gibt es nur einen einzigen Sandwich innerhalb der Zelle. Obwohl spezielle Ausrüstung ist immer noch notwendig, um die Elektroden zu erstellen i n-Knopfzellen, die Zellen selbst können von Hand schnell montiert werden und in einer kontrollierten Umgebung abgedichtet.
Die Leistung von Batterien, unabhängig von ihrer Art, ist abhängig von den Materialien, welche die positive und die negative Elektrode, die Wahl des Elektrolyten und der Zellarchitektur 4,9-13 bilden. Eine typische LIB Elektrode aus einer Kombination von Li-haltigen aktiven Materials, leitfähigen Additivs, polymeres Bindemittel und Hohlraum, der mit einem Elektrolyten gefüllt ist, zusammengesetzt ist. - Ein Schritt, der oft wenig Aufmerksamkeit geschenkt wird trockener Pulvermischung, Nassmischen, Substrataufbereitung, Filmauftrag und Trocknen: Elektrodenverarbeitung lassen sich in fünf Hauptschritten organisiert werden. Bei der Herstellung einer Elektrode unter Verwendung dieser Verarbeitungsschritte ist das Endziel, eine gleichmäßige Elektrodenschicht, die aus dem aktiven Material, leitfähiges Additiv, ein Bindemittel zu erzielen. Diese gleichmäßige Verteilung ist entscheidend, um eine optimale Leistung des LIBs 14-18.
nt "> Dieser Leitfaden stellt die an der Texas A & M in der Energie und Verkehr Sciences Laboratory (ETSL) und Texas State University verwendet, um Knopfzellen für die Bewertung der bestehenden und neuen Elektrodenmaterialien herzustellen Schritte. Über die grundlegenden Schritte finden in vielen Quellen dokumentiert haben wir unser eigenes Know-how an kritischen Schritte enthalten, der Feststellung, wichtige Details, die oft aus ähnlichen Methoden Dokumenten und vielen Publikationen übrig sind. Darüber hinaus werden die in unserem Labor verwendet primären physikalischen und elektrochemischen Methoden (galvanostatische Radfahren und Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)) innerhalb erläutert.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Vorsicht ist geboten bei der Verwendung von einem der Lösungsmittel, Reagenzien, oder trocken in diesem Protokoll verwendeten Pulver ausgeübt werden. Lesen Sie alle Sicherheitsdatenblätter und geeignete Sicherheitsmaßnahmen. Serienmäßige Sicherheitsausstattung umfasst Handschuhe, Schutzbrille und einen Laborkittel.
1. Cathode Vorbereitung
Anmerkung: Die schematische Übersicht der Kathodenherstellungsverfahren ist in Figur 1 dargestellt.
Abbildung 1. Schematische Übersicht über die in der ETSL Kathoden erstellen genutzt Schritte. Der Hauptprozess beinhaltet die Vorbereitung und Gießen des Elektrodenschlamm auf eine gereinigte Aluminiumsubstrat, gefolgt von Trocknen der Elektrodenlage und die Einbindung in Knopfzellen. Bitte klicken Sie hier, um vergrößern version dieser Figur.
- Aluminium-Untergrundvorbereitung
- Schneiden Sie ein 4,5 "von 12" Blatt 15 um dicken Aluminium (Al) Folie mit einem Papierschneider oder einer Schere.
- Spray Aceton auf der Oberfläche einer sauberen Plastikbrett, um die Folie an der Platte haften und dann die Folienbahn auf der Leiterplatte.
- Sprühen Sie eine großzügige Menge an Aceton auf der Oberfläche der Folie und beginnen, die gesamte Oberfläche mit einem Scotch-Pad mit kleinen Halbkreis Bewegungen zu schrubben. Spray zusätzliche Aceton auf der Oberfläche und wischen Sie Rückstand mit einem Papiertuch.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.1.2-1.1.3 für die gegenüberliegende Seite und wiederholen Sie dann wieder zum Gießen Seite.
- Wash geätzt Al-Blech mit entionisiertem Wasser (DI) am Guss Seite zuerst, dann drehen und wiederholen Sie mit gegenüberliegende Seite. Wieder Schrubben der Oberfläche des Al-Folie als DI-Wasser zeigt schlechte Benetzbarkeit und nicht die Oberfläche des Blattes abfließen ohne Bildung von Tröpfchen. Wiederholen Spülen mit IsopropylalkoholAlkohol.
- Übertragen Sie die gereinigte Al-Blech zwischen zwei Papierhandtücher und lassen Sie sie für etwa 20 Minuten unter Druck zwischen zwei flachen Ebenen und Papierhandtücher zu trocknen.
- Gülle Vorbereitung
- Wählen die Gewichte an aktivem Material, leitfähiger Zusatzstoff und Bindemittel auf die gewünschte Zusammensetzung der Elektrodenlage. Wählen Sie eine Gesamttrockenpulvergewicht von 1,25 g, mit 70 Gew% Lithium-Mangan-Kobalt-oxid, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC, aktives Material), 20 Gew% Ruß (leitfähige Additiv) und 10% Polyvinylidendifluorid (PVDF, Binder).
- Messen Sie 0,875 g NMC und 0,25 g Ruß und Ort in einem Achat-Mörser und Stößel. Leicht zusammen mischen, die Materialien ohne Schleifen. Nachdem eine Mischung zu bilden beginnt, Mühle von Hand in der Mörser und Stößel für 3-5 min, bis eine gleichförmige Pulver wird visuell beobachtet.
- Übertragen des gemischten Pulvers in eine Einweg-Mischrohrmit einem Stück Papier zu wiegen. 16 Glaskugeln (Durchmesser 6 mm) mit dem Pulver, zusammen mit 5,5 ml 1-Methyl-2-pyrrolidinon (NMP), dem nicht-wässrigen Lösungsmittels.
- Legen Sie die Einweg-Rohr auf das Rohr Antriebsstation und einrasten. Schalten Sie das Laufwerk und langsam auf die maximale Geschwindigkeit zu erhöhen. Lassen Sie Inhalt für 15 Minuten mischen.
- Hinzufügen 1,25 g einer 10% PVDF in NMP-Lösung direkt auf die Röhre. Das Röhrchen wieder auf das Laufwerk und ermöglicht das Mischen für 8 Minuten, nach dem gleichen Verfahren in 1.2.4. Wenn das Rohr darf für mehr als 5 min vor dem Gießen (unten) zu sitzen, Mischen der Inhalte für weitere 15 min.
- Gießen und Trocknen
- Reinigen Sie die Metalloberfläche der automatischen Film Applikator mit Isopropylalkohol und einem Papiertuch. Stellen Sie sicher, dass die Rakel ist sauber, und auf die gewünschte Gusshöhe (200 & mgr; m) eingestellt.
- Tragen Sie eine Schicht aus Isopropylalkohol auf die Oberfläche des Filmlegers und legen Sie das dried Aluminiumsubstrat glänzenden Seite nach unten auf die Oberfläche. Drücken Sie das überschüssige Isopropylalkohol mit einem gefalteten Papiertuch, bis alle Falten und Isopropylalkohol werden entfernt. Achten Sie darauf, nicht zu zerreißen das Substrat durch Festhalten eines Substrats an Ort und Stelle.
- Entfernen Sie das Mischrohr von der Rohrplatte und öffnen Sie den Behälter. Gießen Sie die Aufschlämmung auf der Oberfläche des Substrats in einer 2-3-Zoll-Linie ca. 1 Zoll von der Spitze (anfängliche Gießen Seite) des Substrats. Entfernen Sie alle Glaskugeln aus dem Blatt mit sauberen Metallpinzette.
- Stellen Sie die Zaubergeschwindigkeit bis 20 mm / s, und aktivieren Sie die Guss Arm des Filmlegers.
- Heben Sie die Gusselektrode von der Oberfläche des Filmlegers mit einem dünnen Stück Pappe, um sicherzustellen, keine Falten bilden auf dem Blatt.
- Damit der Elektrodenfolie für 16 Stunden bei Raumtemperatur trocknen (~ 24 ° C), gefolgt von einem Trocknen bei 70 ° C für ca. 3 h oder bis das Blatt trocken ist. Stellen Sie sicher, dass die Elektrode umwelt isoliert in einem fume Haube oder abgedichteten Kammer zu einer ungleichmäßigen Trocknung zu verhindern.
- Kathodenelektrode Stanzen
- Setzen Sie die getrockneten Elektrodenfolie auf eine gereinigte Aluminiumblech Metall. Nehmen Sie ein ½ "Locher und legen Sie sie vorsichtig auf ein Bereich des Bogens mit einer einheitlichen Oberfläche (Kanten erscheinen nicht einheitlichen). Langsam Druck ausüben auf den Stempel (von Hand) und" die Druckrolle "an den Rändern der Stempel um einen sauberen Schnitt zu gewährleisten.
- (Alternative) eine Elektrodenplatten dem genauen Scheibenschneider statt der manuellen Stanz ausschneiden.
- Entfernen Sie die Elektrode aus dem Blatt mit gereinigt, Kunststoff-Pinzette und legen Sie sie in ein beschriftetes Fläschchen mit der Elektrodenoberfläche nach oben zeigt. Zweimal wiederholen.
- (Optional) Legen Sie eine gestanzte Elektrode auf der Oberfläche der Laborpresse. Üben Sie Druck von etwa 4 MPa (der optimale Druck wird von der verwendeten Presse variieren). Wiederholen Sie dies für die restlichen Elektroden.
- Legen Sie die Fläschchen in einem vacuUM Ofen und ermöglichen, dass die Elektroden weiter zu trocknen bei 120 ° C bei -0,1 MPa für 12 h, um Restfeuchtigkeit zu entfernen. Nach dem Entfernen der Elektroden und wiegen sie innerhalb 0,0001 g.
- Öffnen Sie das Vorzimmer des Handschuhfach und legen Sie die Fläschchen auf die Ablage. Schließen Sie die Kammer die Tür und eine gute Abdichtung zu gewährleisten, indem Sie zwei Finger zum Vorzimmer Luke anziehen.
- Bringen Sie das Vakuum bis -0,1 MPa und dann mit Argon zu füllen. Wiederholen Sie diesen Vorgang 1-2 weitere Male, abhängig von den Proben in das Handschuhfach transportiert.
2. Anodenlage für Ganzzell
- Wiederholen Sie Abschnitt 1 mit der Ausnahme, 9 & mgr; m dicke Kupferfolie als Substrat anstelle von Aluminiumfolie. Die Zusammensetzung der Folie verändert werden, um spezifische Bedürfnisse angepasst werden.
3. Knopfzellen Vormontage
Achtung: Der Bau von Knopfzellen innerhalb einer inerten (Argon) Umgebung innerhalb einer Glovebox durchgeführt. Extreme Vorsicht zu treffen, um die Exposition des inneren Milieus, um äußere Atmosphäre zu minimieren. Arbeiten mit scharfen Materialien innerhalb der Glovebox sollte möglichst minimiert werden. Als allgemeine Regel sollte eine Aufgabe innerhalb der Glovebox 3 mal länger ist als die Geschwindigkeit, mit der die Aufgabe würde außerhalb erfüllt werden müssen. Handschuhe sollten auch in den Handschuhkasten Handschuhe getragen werden, um die Exposition zu minimieren, wenn die Arbeit mit verschiedenen Substanzen.
Hinweis: Die für den Bau der Knopfzelle benötigten Komponenten, einschließlich der Kappe, Tasche, Wellenfedern, Dichtungen, Abstandshalter, Lithium-Band, Elektrolyt und übrigen Tools wie Kunststoff-Pinzette (für Bestückungs) sind in einem mit Argon gefüllten Handschuhkasten enthalten mit O 2 und H 2 O-Spiegel unter 0,5 Teilen pro Million gehalten wird. Alle Komponenten in der Glovebox (einschließlich fusselfreien Aufgabe Tücher) eingefügt sollte erhitzt werden O / N in einem Vakuumofen bei 120 ° C bei einem Druck von -0,1 MPa zu einem entfernenFeuchtigkeit.
- Gegenelektrode Vorbereitung
- Im Handschuhfach, entfernen Lithiumband (0,75 mm dick) aus verschlossenen Behälter und Roll-out eines Teils auf der Oberfläche eines Kunststoffblock. Mit einer Rasierklinge vorsichtig abkratzen jede schwarz gefärbten Oxidations von der Folienoberfläche. Nehmen Sie besonders vorsichtig, um zu vermeiden Schneiden der Handschuhe.
- Werfen Sie einen 9/16 "Locher und Punch-Out eine Scheibe des Lithium-Band. Verwenden Sie einen Finger (von der Lithium durch Gummihandschuhe im Handschuhfach getrennt) oder ein anderes stumpfes Werkzeug, um die Lithium-Festplatte aus der Stanze schieben.
- Werfen Sie einen 0,5 mm dicken Abstandshalter und sanft gelten die Lithium-Disc auf der Oberfläche zwischen den Fingern. Sicherstellen, dass die Lithiumscheibe klebt an der Mitte des Abstandshalters und ist flach - eine unebene Oberfläche kann uneben Stromverteilungen führen.
- Elektrolyt Herstellung
- Lagern Sie den Elektrolyten der Wahl (in diesem Fall 1 M LiPF 6 in EC / DEC 1: 1 bezogen auf das Volumen) mitim Handschuhfach zu allen Zeiten in einem Aluminiumbehälter, als Elektrolyt ist lichtempfindlich.
- Entnahme einer kleinen Menge des Elektrolyten aus dem Quellcontainer in einen Arbeitsbehälter.
- Celgard Separator Vorbereitung
- Legen Sie ein Blatt des Trennmembran zwischen einem gefalteten Blatt Druckerpapier. Legen Sie das gefaltete Papier und Membran auf ein Blatt Aluminium-Metall.
- Legen Sie eine Polsterschicht auf der Oberseite der Lochdurchschlag und mit einem Hammer Punch-Out ein ¾ "Durchmesser Trennmembran.
- Übertragen Sie die gestanzten Trennteller in das Handschuhfach unter Verwendung der in 1.4.6-1.4.7 aufgeführten Verfahren.
Hinweis: Es wird empfohlen, diesen Schritt in Großdurchführen, um zu vermeiden, dass Punch-Out einzelnen Separatoren für jeden Knopfzelle gebaut.
4. Knopfzelle Assembly
Anmerkung: Die Konfiguration der Knopfzelle istin Figur 2 dargestellt.
Abbildung 2. Münze Zellkomponenten in der Reihenfolge ihrer Platzierung innerhalb der Zelle angezeigt wird. Die Platzierung der Kathode durch den Separator, Dichtung, Gegenelektrode und Wellenfeder, gefolgt von Abdichten der Zelle folgt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen .
- Öffnen Sie die Innen Vorraum Tür. Ziehen Sie Bauteile im Vorzimmer in das Handschuhfach und verschließen das Innere Vorraum Tür.
- Legen Sie eine Knopfzelle Fall in ein kleines Boot zu wiegen. Legen Sie die Kathode in die Mitte des Knopfzelle bei. Gelten 1-2 ~ 30 & mgr; l Tropfen der Elektrolyt zu der Mitte der Elektrode und 1 Tropfen auf gegenüberliegenden Seiten des Randes des Gehäuses.
- Legen Sie eine einzelne ¾ "Separator aufan die Oberfläche der Elektrode. Kraft, keine Blasen, die mit dem flachen Rand einer Pinzette eingeklemmt werden und re-Zentrum die Kathode durch Greifen der Fall von der Lippe und leichtes Klopfen die Elektrode an seinen Platz. Anwenden einer zusätzlichen 1-2 Tropfen des Elektrolyten, um eine bessere Bewegung der Elektrode zu ermöglichen, wenn er in seine ursprüngliche Position klebt.
- Legen Sie die Dichtung in dem Fall, mit der flachen Seite nach unten und der Lippen nach oben ein. Bestätigen Sie die Orientierung der Dichtung, indem sie gegen das Licht vor der Zelleneinfügung.
- Tragen Sie 2-3 ~ 30 ul Tropfen Elektrolyt zu der Mitte der Zelle, und legen Sie die vorbereiteten Gegenelektrode auf das Zentrum mit dem Lithium nach unten. Setzen Sie die Wellenfeder auf dem zentrierten Gegenelektrode.
- Füllen der Zelle bis zum Rand (~ 0,7 ml) mit Elektrolyt, bis er eine gekrümmte, konvexe Meniskus die meisten der Wellenfeder Oberfläche bedeckt bildet.
- Legen Sie das Knopfzellendeckel auf der Oberseite der Zelle unter Verwendung von ter Pinzette, um die Kappe vertikal über der Zelle zentriert zu halten. Achten Sie darauf, um die Kappe zu zentrieren, um übermäßigen Verlust von Elektrolyt zu vermeiden.
- Drücken Sie auf den Deckel (mit der Hand), bis er in der Lippe der Dichtung setzt. Übertragen der Zelle an der Kreppvorrichtung und sicherzustellen, dass die Zelle in der Nut der Crimpstempel zentriert. Crimp die Zelle auf einen Druck von ~ 6,2 MPa (900 psi) und loslassen.
- Entfernen Sie die Zelle aus dem Crimper (von Hand), und reinigen Sie überschüssiges Elektrolyt. Wiederholen Sie die Schritte 4.2- 4.9, bis alle gewünschten Zellen aufgebaut sind. Reinigen Sie verschüttetes Elektrolyt, legen Sie Papierkorb in einen geeigneten Behälter. Übertragen Sie die Zellen aus dem Handschuhfach und beschriften.
5. Elektrochemische Bewertung
- Schließen Sie die gereinigten Zellen an die Batterie-Cycler. Achten Sie darauf, die Anschlüsse richtig durch Messung der Leerlaufpotential verbunden. Wenn nicht positive, kehren Sie die Anschlüsse.
- Berechnung der Soll-Strom basierend auf dem Gewicht der getrockneten elektrode auf der Oberfläche des Aluminiumsubstrats, der bekannten Masse des Aluminiums, des aktiven Materials in Gewichtsprozent, und der Nenn spezifische Kapazität des aktiven Materials verwendet.
- Mit einer gemessenen Elektrodenmasse von 0,0090 g, Aluminiumscheibe Masse von 0,0054 g, und die Nennkapazität von 155 mAh / g, bestimmen die gewünschte Strom als (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh / g = 0,3906 mAh. Zur Entladung an der die zur vollständigen Entladung der Zelle in 1 Stunde (1C) Strom, der angelegte Strom 0,3906 mA.
- Stellen Sie den Zeitplan auf dem Cycler zur Ladung / Entladung der Zelle zwischen den oberen und unteren Spannungspegel von 4,2 V und 2,8 V. Zyklus die Zelle 4 mal mit einer Geschwindigkeit von C / 10 (galvanostatische, Konstantstrom). Dann laden Sie die Zelle einmal bei C / 10.
- Nach der 5. C / 10 Gebühr, entfernen Sie die Zelle aus dem Cycler (falls erforderlich), und führen Sie Elektrochemische Impedanzspektroskopie 19 (EIS) auf der Zelle, nach Ruhe für 1 Stunde. Setzen Sie die Zelle zurückauf dem Cycler und Entladung bei C / 10. Führen EIS einmal nach Ruhe für 1 Stunde.
- Setzen Sie die Zelle wieder auf die Zykluseinrichtung und die Zellzyklus 5-mal mit Raten von C / 5, C, 2C, 5C und 10C, gefolgt von 100 1C Zyklen.
- Bestimmung der spezifischen Kapazität der Zellen an jedem C-Rate durch Dividieren der Kapazität in mAh durch die Masse des in dem aktiven Kathodenmaterial vorliegenden. Berechnung der Kapazitätsretention durch Dividieren der durchschnittlichen spezifischen Kapazität von den letzten 5 Zyklen 1C durch die durchschnittliche spezifische Kapazität in den ersten 5 Zyklen 1C.
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Representative Results
Ein richtig gegossen Elektrodenfolie sollte einheitlich im Aussehen der Oberfläche erscheinen und richtig mit dem Stromabnehmer einzuhalten. Typischerweise Abplatzen der Elektrodenblatt wird entweder durch schlechte Ätzen des Substrats oder mit wenig NMP in der anfänglichen Mischstufe verursacht. Alternativ kann zu viel NMP das Blatt zu veranlassen, einen höheren Grad der Porosität, was nicht wünschenswert anzuzeigen. Schließlich kann eine dritte Muster auf der Elektrodenoberfläche, wo pooling scheint, verursachen werden. Wechselwirkungen mit den Umgebungsbedingungen des Raumes (Feuchte, Temperatur, und jede Luftbewegung) sind die wahrscheinlichsten Ursachen für dieses Verhalten. Isolation innerhalb einer Abzugshaube kann dieses Verhalten zu verhindern. Diese Szenarien in Figur 3 zu sehen.
Die Knopfzelle sollte angezeigt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt, ohne Bruchkanten. Wenn die Zelle nicht richtig abgedichtet ist, Exposition gegenüber dem ATM-osphere verursachen Schwellungen von Lithium, die bewirken, dass die Zelle, um Pop-Open wird. Es ist auch möglich, die Zelle bei der Verpressung zu zerquetschen. Um dieses zu verhindern, die Crimpdruck muss für den gewählten crimper und Zellbestandteile optimiert werden.
Rasterelektronenmikroskop (REM) Abbildung der Elektrodenoberfläche (Abbildung 5) zeigt die Komplexität einer Kathode, die in der Konstruktion einer Knopfzelle verwendet wird. Die gezeigten großen Teilchen sind das aktive Material. Das restliche Material ist eine Kombination von PVDF und Ruß.
Die Struktur selbst ist stochastischer Natur, aber ordnungsgemäße Verarbeitung beeinflusst die Verteilung von Teilchen innerhalb des Bogens. Die Trocknung kann zu einer schlechten Verteilung von Bindemittel und leitfähige Additiv, das sich negativ auf die Leistung der Zelle. In Abbildung 6 sind repräsentative Radfahren Ergebnisse für ein Blatt, das zu getrocknet wurde,schnelle und ein Blatt, das richtig getrocknet wurde unter Verwendung des zweistufigen Verfahren dargestellt.
Das Radsport-Daten ermöglicht es uns, die Leistung (in Bezug auf die spezifische Kapazität) der Zellen zu verschiedenen Preisen zu sehen, und ermöglicht es uns, bei Kapazitätsretention nach längerem Radfahren aussehen. Entladekurven, wie sie in 7 gezeigt verwendet werden, um die spezifische Energie der Zellen, die als die Fläche unter der Entladungskurve bestimmt wird sehen.
Die EIS-Daten zu den Zellen, die unter Berücksichtigung kann zur weiteren Charakterisierung der Zellen sein. Eine repräsentative EIS Spektrum ist in Abbildung 8 zu sehen ist.
Beim Vergleich von EIS-Spektren, zwei Hauptkomponenten (für einen entladenen Zelle) sind die (i) Hochfrequenz-Halbkreis, und (ii) der niedrigen Frequenz Schwanz. Die Neigung des Schwanzes anzeigt Widerstand aufgrundDiffusion und der Halbkreis für eine Zahl von Widerständen durch Übergangswiderstand zu laden, und mehrere andere Beiträge je nach Frequenzbereich. Im Fall der unterschiedlich getrockneten Elektroden weist das schnell getrocknete Schicht einen größeren Radius anzeigt höhere Ladungsübertragungswiderstand.
Repräsentative Ergebnisse für die Wirkung der Porosität und der Elektrodendicke zusätzlich unten in Figur 9 gezeigt.
Eine dünnere Blech ermöglicht kürzere Diffusionsabstände, und die Porosität kann optimiert werden, um zusätzlich zur effizienteren Transfer zu ermöglichen. Es ist jedoch wichtig, zu erkennen, dass diese Parameter sind nicht absolut, da Kompromisse werden 19,20 existieren. Die Gießdicke, Aufschlämmungsviskosität und Komposition, und der Grad der Kalender alle haben einen direkten Einfluss auf die Porosität und die Dicke eines Blattes. So durch vorsichtiges Manipulating die Schritte in diesem Dokument können mikrostrukturellen Eigenschaften gesteuert werden.
Abbildung 3. Elektrodenblättern: (A) mit zu wenig NMP, (B) mit zu viel NMP, und (C) mit nicht-gleichmäßigen Trocknung. Jede Bedingung führt zu einer schlechten mechanischen Stabilität und verringerter elektrochemische Leistung als Ergebnis. Typischerweise Abplatzen der Elektrodenblatt wird entweder durch schlechte Ätzen des Substrats oder mit wenig NMP in der anfänglichen Mischstufe verursacht (a). Alternativ kann zu viel NMP das Blatt zu veranlassen, einen höheren Grad der Porosität, was nicht erwünscht ist (b) anzuzeigen. Schließlich eine ungleichmäßige Oberfläche, die angezeigt werden während der Trocknung (c) im Aussehen ähnlich Materials Pooling ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. Knopfzelle, die richtig gecrimpt worden (links) und unsachgemäß gekräuselte (rechts). Ein falsch gequetschten Zelle wird sofort nach dem Crimpen spürbar offen sein oder kann über mehrere Stunden später knallen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen .
Abbildung 5. REM-Aufnahme der Oberfläche der unkalandrierten NMC Kathode. Das aktive Material (NMC) als das grobe kugelförmige Partikel (~ 10 & mgr; m Durchmesser) mit dem Bindemittel / Additiv (PVDF / Ruß) Verbund umgebenden Aktivmaterialteilchen ersichtlich . Der Maßstab für das linke Bild ist 50 & mgr; m und ist die richtige ist10 & mgr; m. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6. Radfahren Daten für eine Elektrode zu schnell (zu Unrecht) getrocknet und einer niedrigeren Rate unter Verwendung eines zweistufigen Trocken mit Raten von C / 10, C / 5, C, 2C, 5C gezeigt. Die spezifische Kapazität der Zellen, und 10C, gefolgt von Langzeit-Radfahren bei 1C. Li-Zellen mit den in dem Protokoll dargestellt Material Belastungen - die Zellen wurden bei RT (~ 22 ° C) mit Zellen, die aus NMC getaktet. C-Rate ist in Bezug auf die Nennkapazität der NMC bestimmt, etwa 150 mAh / g. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Abbildung 7 für eine Elektrode zu schnell (zu Unrecht) getrocknet und einer niedrigeren Rate unter Verwendung eines zweistufigen Trocken gezeigten Entladungskurve. Die Entladungskurven von 1C und 5C gezeigt. Die spezifische Energie der Zelle kann als die Fläche unterhalb der Entladungskurve bestimmt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 8. Beispiel EIS-Spektrum für ein Rasterfrequenzbereich von 1 MHz bis 100 MHz. Die Daten werden nach dem 5. C / 10 Entlastung für den gleichen Fällen in den 7 und 8 dargestellt angezeigt.e.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 9. Auswirkungen der Elektrodendicke (A) und die Porosität (B) über die Entlastung Leistung. Jeder dieser Parameter kann durch Steuerung der Schritte in dieser Technik diskutiert (Kalandrieren, Gießen Dicke Aufschlämmungsviskosität, etc.) geändert werden. Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Die Optimierung der Nassmischstufen sind entscheidend für die Schlammviskosität und Beschichtungsfähigkeit, das wirkt sich auf die Gleichförmigkeit und Haftung der Elektrode. Hier wird ein Hochschermischverfahren verwendet wird, wobei das Lösungsmittel, Additive, Bindemittel und aktiven Materials miteinander unter Verwendung der kinetischen Bewegungen der in den Vials vorhanden Glaskugeln gemischt. Dieses Mischverfahren bietet den Vorteil der sehr viel schnelleren Mischzeiten im Vergleich zu einem magnetischen Rührer-Methode. Darüber hinaus ermöglicht dieses Hochschermischen für viskosere Lösungen, effektiv gemischt werden, und liefert die erforderlichen Informationen zur schwieriger Bindemitteln mischen Energie wie Xanthangummi in Wasser. Da die Schleif Art der Vermischung kann dazu führen, Glas Verunreinigungen in die Elektrode Brei mischen, sollte verwendet werden, Glaskugeln verworfen werden, um diesen Effekt zu minimieren. Die Mindestmenge an Glaskugeln benötigt wird, ist abhängig von der Mischfähigkeit der Komponenten in der Phiole. Allein aufgrund der existiert eine ObergrenzeVerlust von Schlamm Beschichtung der Glaskugeln nach dem Mischen. Mit zu wenig Schlamm oder zu viele Kugeln, wird es nicht möglich sein, genügend der Elektrode Aufschlämmung auf eine Elektrode gegossen extrahieren. Die Menge an NMP benötigt wird auf der gesamten Oberfläche der in der Trockenmischung 21 vorhanden Partikel. Zum Beispiel, wenn der gewünschte Trockengewichtsverhältnis der Komponenten eingestellt, um 10% Ruß enthalten, im Gegensatz zu 20% (mit 80% NMC und 10% PVDF), würde eine wesentlich geringere Menge an NMP erforderlich: 2,0 ml (mit einem Trockenpulver Masse von 1 g). Ferner mit einer Zusammensetzung von 94% aktives Material, 3% leitfähigen Zusatzstoff und 3% Bindemittel, 1,5 ml NMP (1 g trockener Pulvermasse wieder) erforderlich. Diese verdankt erster Linie auf die Tatsache, dass der Brunauer-Emmet-Teller (BET) Oberfläche von Ruß ist viel höher als die der übrigen Komponenten. Damit die Bestimmung der geeigneten Lösungsmittelgehalt in der anfänglichen Mischstufe muß sorgfältig bestimmt werden, wenn die Arbeit mit neuen gewünschten Bahn-Compositions. Der ideale beobachtet Viskosität für die hier erwähnten Zusammensetzung beträgt 0,11 Pa · s. Es sollte beachtet werden, dass die Zusammensetzung der Elektrodenlage eingesetzt werden soll, angepasst an die spezifischen Bedürfnisse und die Leistung der verwendeten Materialien passen werden. Typischerweise wird ein höherer Gehalt an aktivem Material verwendet, um die Menge an inaktivem Material vorhanden in Elektroden zu verringern. Jedoch Kompromisse gibt es in Bezug auf die Zellleistung bei erhöhten Raten.
Selbst bei einer perfekten Aufschlämmung ist es möglich, einen schlechten Elektrodenblatt zu erhalten aufgrund der Haftung an dem Stromabnehmer. Während des Herstellungsprozesses wird die Aluminiumfolie mit einer dünnen Schicht von Öl, um eine Selbsthaftung zu verhindern, wenn das Walzmaterial beschichtet. Wenn nicht richtig gereinigt wird dieses verbleibende Rest der Elektrodenhaft reduzieren. Während der Reinigung sollten zusätzliche Betonung zur Sicherstellung der Sauberkeit des Elektrodensubstrats genommen werden. Die Reihenfolge, in der die Platte gereinigt (Gießen Seite, dann Taste Seite, Gefolgt von Gießen) ist, um sicherzustellen, dass die Gussoberfläche so sauber wie möglich ist. Es sollte darauf geachtet, um Papierhandtücher, die weich genug (und ausreichend frei von Fusseln), so dass die Oberfläche des Stromabnehmers nicht verformt und bleibt frei von Oberflächenlochfraß sind zu verwenden. Die Elektrode Abblättern in 3A angezeigt ist repräsentativ für die resultierende Haft aus unter Verwendung eines unsachgemäß gereinigte Substrat. Dies könnte nicht genug Wasch (und somit zu einer schlechten Benetzbarkeit) oder zu harten Scheuer (die visuell beobachtbare Grübchenbildung der Substratoberfläche führen kann) auftreten. Der hier verwendete Ätzverfahren ist ausreichend für eine gute Haftung mit dem nicht-wässrigen Lösungsmittel und einem Bindemittel verwendet. Verschiedene Bindemittel und Lösungsmittel können alternative Verfahren, um die Haftung zu erzielen, wie Koronaentladung oder pre-Wärmebehandlung des Stromabnehmers erforderlich. Zum Beispiel, obwohl die Strömung des DI Wasser über die Oberfläche der Elektrode mit minimalem Rezession und geringe Nassting Winkel gibt eine ausreichende Gießoberfläche ist die ausgegebene Benetzbarkeit nicht ausreichend für wässrige Verarbeitung.
Ein Schritt, der oft wenig Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist Elektrode Trocknen. Hier wurde, das Endgefüge der Zelle wird das Lösungsmittel verdampft eingestellt. Die vertikale Migration der beweglichen Elektrode Bestandteile (Bindemittel und Additive) kann eine vertikale Verteilung dieser Materialien zu entwickeln 22 verursachen. In der Praxis wird eine schnelle Verdampfung des Lösungsmittels aus der Elektrodenoberfläche zur Abscheidung von konzentrierter Bindemittel (in der flüssigen Lösung von Lösungsmittel vorhanden) und Kohlenstoff (das leitfähige Additiv) an der Oberfläche der Elektrode. Obwohl dieser Effekt in jedem Trocknungsgeschwindigkeit erfolgt, bei höheren Raten gibt es nicht genügend Zeit für die Umverteilung dieser Komponenten durch Diffusion. Die zweistufige Trocknung ermöglicht gleichförmige Verdampfung des freien Lösungsmittels, gefolgt von der Verdampfung des Lösungsmittels während der Ofen in der Mikrostruktur eingefangenTrockenstufe.
Bei der Konstruktion der Knopfzelle, muss darauf geachtet werden, dass die Anode und die Kathode werden sorgfältig innerhalb der Zelle ausgerichtet sind. Hier wird ein geringfügig größeren Durchmesser Anode verwendet wird, um für eine Fehlertoleranz bei der Plazierung zu ermöglichen. Der Abstandhalter und die Wellenfeder, die innerhalb der Zelle dazu dienen, die Dicke der inneren Komponenten zu erhöhen, so dass eine komplette Schaltung entsteht. Auch kritisch für diese Schaltung ist der Elektrolyt, durch das die Lithium-Ionen wandern. Mit der gegebenen Formfaktor eine große Menge von leeren Raum vorhanden ist innerhalb der Zelle. Somit ist es möglich, eine ungleiche Menge von Elektrolyt in der Zelle zu haben. Vollständig Einweichen der Zelle zu gewährleisten keine oder minimale Taschen aus Argon besteht, daß die Verteilung des Elektrolyten in der Sandwich stören.
Während der elektrochemischen Charakterisierung kann entweder galvanostatisch (die hier verwendet wird) oder potentiostatische Radfahren verwendet werden. Während galvanostatischen Lade- / Entladestrom der current konstant gehalten wird und die Zelle wird als wie geladenen oder nach Erreichen einer oberen oder unteren Grenzpotential entladen. Diese Potentialgrenze ist abhängig von dem verwendeten aktiven Material. Laden oder Entladen des aktiven Materials außerhalb dieser Grenzen kann zu einer Verschlechterung führen. Während potentiostatischen Ladung / Entladung wird die Spannung konstant gehalten wird, während der Strom ändert. Ein Nachteil der potentiostatischen Radfahren ist die zusätzliche Zeit für die aktuelle erforderlich, um auf die untere Grenze fallen ab. Dies und die gewünschten Taktraten benötigen, um auf Basis der gewünschten Informationen und Materialien verwendet konfiguriert werden. Die hier aufgeführten Protokoll ist ein Allzweck-Protokoll, kann aber nicht alle Bedürfnisse.
Diese Technik bietet eine Methode für die Erstellung von Elektrodenfolien und Knopfzellen in einer genau kontrollierten Art und Weise, die geeignet ist für die Reproduktion in akademischen oder industriellen Forschung Einstellung ist. Die Grundlagen dieser Technik kann als Basis fo verwendet werdenr die Schaffung Elektrodenfolien für größere Batterieformfaktoren, wässrige Verarbeitung und verschiedenen Zellchemie und Kompositionen, obwohl spezielle Bühnen Möglicherweise müssen optimiert werden. Diese Technik ist mit der Erstellung von kundenspezifischen Elektroden (positive oder negative) begrenzt, wo die endgültige Verteilung der Materialien (obwohl vielleicht uniform innerhalb der Domäne) ist stochastisch. Zusätzlich würde die Erzeugung von Zellen mit größeren Formfaktoren Modifikationen an der Elektrodengröße erzeugt (größere Gießfolie) und der verwendete Zellkomponenten erforderlich.
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Acknowledgments
Diese Arbeit wird finanziell von der Texas A & M University Fakultät Forschungs Einleitung Zuschuss (Mukherjee) und Texas State University Anschubfinanzierung (Rhodes) unterstützt.
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
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