Introduction
Lityum-iyon piller enerji depolama aygıtlarının 1-4 giderek artan ihtiyaçlarını karşılamak için umut verici bir kaynak oluşturmaktadır. LIBs kapasite gelişmeler sadece elektrikli araçların 5,6 etkin aralığını artırmak değil, aynı zamanda da enerji depolama uygulamalarında 7 kullanılmak üzere LIBs canlılığını artırır deşarj derinliği azaltarak onların ömrü artırmak olmaz.
Aslen 1970'lerde 8 işitme için kullanılan, sikke hücreleri bugün yaygın olarak yeni ve mevcut elektrot materyallerinin geliştirilmesi ve değerlendirilmesinde kullanılmaktadır. Piller için küçük form faktörlerinden biri olarak, bu hücreler bir akademik araştırma ortamında pilleri oluşturmak için basit ve etkili bir şekilde temsil ediyor. Tipik bir Lityum-İyon pil, bir katot, anot, cari koleksiyoncular ve anot ve katot kısa devre yapmasını engelleyen bir gözenekli ayırıcının oluşur. Lityum-Ion pil çalışması sırasında, ions ve elektronlar hareketlidir. Deşarj sırasında, iyonları gözenekli ayırıcı içinden negatif elektrot (anot) dan ve pozitif elektrot veya katot içine yolculuk. Bu arada, elektronlar nihayet katot tarafında iyonları ile yeniden birleştirilmesini, dış devre arasında, akım toplayıcı yoluyla seyahat. Iyon ve elektron transferi ile alakalı dirençleri azaltmak amacıyla, bileşenlerin doğru yönlendirilmiş olması gerekir - uzaktan iyonları bölgesinde en aza indirilmelidir. Tipik olarak bu bileşenler bir "sandviç" yapılandırma birleştirilir. Elektrikli araçlar, cep telefonları ve tüketici elektroniğinde kullanılan Piller spiral şeklinde sarılmış ya da katlanmış, pilin form faktörü bağlı olan büyük sandviç oluşmaktadır. Hücrelerin Bu tip yüksek maliyetler ödemeden küçük ölçeklerde imal etmek çok zor olabilir. Ancak, bir sikke hücrede hücre içinde tek bir sandviç var. Özel ekipman elektrotları oluşturmak için hala gerekli olmasına rağmen ben n sikke hücreleri, kendilerini hızlı bir şekilde kontrollü bir ortam içinde elle monte ve mühürlü edilebilir hücreleri.
Pillerin performansı, ne çeşit olursa olsun, pozitif ve negatif elektrot, elektrolit seçimi ve hücre mimarisi 4,9-13 oluşturan malzemelerin bağlıdır. Tipik LIB elektrod etkin madde, iletken katkı maddesi polimerik bağlayıcıyı ve bir elektrolit ile doldurulur boşluğu Li içeren bir kombinasyonundan oluşmaktadır. - Genellikle biraz dikkat verilen bir adım kuru toz karıştırma, ıslak karıştırma, alt tabaka hazırlığı film uygulaması ve kuruma: Elektrot işleme beş ana adımda organize edilebilir. Bu işlem adımları kullanarak bir elektrot üretilirken, son amacı aktif madde, iletken katkı maddesi, bağlayıcı oluşan düzgün bir elektrot film sağlamaktır. Bu üniform dağılım kütüphaneleri 14-18 optimum performans için çok önemlidir.
nt "> Bu kılavuz, yeni ve mevcut elektrot malzemelerinin değerlendirilmesi için para hücrelerini üretmek için Enerji ve Ulaştırma Bilimleri Laboratuvarı Texas A & M (ETSL) de ve Texas State Üniversitesi'nde kullanılan adımları temsil ediyor. Birçok kaynakta belgelenmiş bulunan temel adımlar ötesinde Biz sık sık benzer yöntemler belgeleri ve birçok yayınların dışında kalan önemli ayrıntıları belirterek, kritik aşamalarda kendi uzmanlık dahil ettik. Ayrıca, bizim laboratuvarda kullanılan birincil fiziksel ve elektrokimyasal yöntemler (galvanostatik bisiklet ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS)) içinde izah edilir.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bu protokolde kullanılan çözücüler, reaktifler, veya kuru tozlar herhangi kullanırken dikkatli olunmalıdır. Tüm MSDS sayfaları okuyun ve gerekli güvenlik tedbirleri almak. Standart güvenlik ekipmanları eldiven, koruyucu gözlük ve bir laboratuvar önlüğü içerir.
1. Katot Hazırlık
Not: Katot üretim işleminin şematik bir genel görünüşü Şekil 1'de gösterilmiştir.
Katot oluşturmak için ETSL kullanılan adımlar Şekil 1. şematik bakış. Ana işlem sikke hücrelerine elektrot levha ve esas kurutulması ardından temizlenmiş alüminyum yüzeye, üzerine hazırlanması ve elektrot bulamacının döküm içerir. Için tıklayınız Daha büyük bir ziyaretinde görüntülemekBu rakamın rsion.
- Alüminyum Yüzey Hazırlığı
- Kes "12 ile" bir 4.5 bir kağıt kesici veya makas kullanılarak 15 mikron kalınlığında alüminyum (Al) folyo levha.
- Yönetim kuruluna folyoyu uymak için temiz bir plastik tahta yüzeyinde aseton Sprey ve ardından tahta üzerine folyo kağıt yerleştirin.
- Folyo yüzeyinde aseton bol miktarda püskürtün ve küçük yarım daire hareketleri ile bir viski takımını kullanarak tüm yüzey fırçalayın başlar. Yüzeyde ek aseton Sprey ve bir kağıt havlu ile kalıntı silin.
- Karşı taraf için adımları 1.1.2-1.1.3 tekrarlayın ve sonra döküm tarafı için bir kez daha tekrarlayın.
- Yıkama, sonra çevirmek ve karşı yüzü tekrar yan döküm üzerinde de-iyonize (Di) su ile Al levha kazınmış. DI su görüntüler zayıf ıslatılabilme olarak Al folyo yüzeyini yeniden fırçalayın ve damlacıklar oluşturmadan levhanın yüzeyinden akmaz. Izopropil ile durulama tekrarlayınalkol.
- İki kağıt havlu arasına temizlenmiş Al sayfasını aktarın ve iki düz uçaklar ve kağıt havlu arasında basınç altında yaklaşık 20 dakika kurumasını bekleyin.
- Çamur hazırlama
- Elektrot tabakanın arzu edilen kompozisyonuna bağlı olarak aktif madde, iletken katkı maddesi ve bağlayıcının ağırlık seçin. (Ağırlıkça% 70, lityum manganez, kobalt oksit, LINI 1/3 Mn 1/3 Co 03/01 O 2 (NMC, aktif malzeme), ağırlıkça% 20 karbon siyahı ile, iletken 1,25 g toplam kuru toz ağırlığını seçin katkı maddesi) ve% 10 polivinilidin diflorin (PVDF, bağlayıcı).
- NMC üzerinden 0.875 gr ve bir agat havanda içine karbon siyahı ve yerin 0.25 g ölçün. Hafifçe taşlama olmadan malzemeleri karıştırın. Karışımı tek biçimli bir toz görsel olarak gözlemlenmiştir kadar, 3-5 dakika boyunca havan ve tokmak elle tesisi oluşturmak için başladıktan sonra.
- Tek kullanımlık bir karıştırma tüpü içine karıştırılan toz aktarınbir parça kağıt tartın. 1-metil-2-pirolidinon içinde 5,5 ml (NMP), sulu olmayan bir çözücü ile birlikte, toz 16 cam topları (6 mm çapında) ekleyin.
- Tüp tahrik istasyonu üzerine atılan tüp yerleştirin ve yerine kilitleyin. Sürücüyü açın ve yavaşça maksimum hızda artırmak. Içindekiler 15 dakika karıştırın izin verin.
- Tüp doğrudan NMP çözeltisi içinde% 10 PVDF 1.25 g ekleyin. 1.2.4 aynı prosedür takip edilerek sürücünün üzerine Tüp ve 8 dakika için karıştırılması sağlar. Tüp öncesi (aşağıda) döküm fazla 5 dakika için oturuşmaya bırakılmıştır ise, ilave bir 15 dakika boyunca içerikleri karıştırmak.
- Döküm ve Kurutma
- Izopropil alkol ve kağıt havlu ile otomatik film aplikatör metal yüzeyini temizleyin. Doktor bıçağı temiz ve istenen döküm yüksekliği (200 mm) olarak ayarlanmış olduğundan emin olun.
- Film aplikatör yüzeyine izopropil alkol bir tabaka uygulanır ve DRI yered alüminyum tabaka aşağı yüzeye parlak tarafı. Tüm kırışıklık ve izopropil kaldırılana kadar katlanmış bir kağıt havlu ile fazla izopropil alkol dışarı basın. Sıkıca yerinde substrat birini tutarak alt tabakanın yırtılmasını önlemek için özen gösterin.
- Tüp sürücüden karıştırma tüpü çıkarın ve kabı açın. Yaklaşık olarak 1 inç alt-tabakanın en (başlangıç döküm tarafı) bir 3/2 inç doğrultusunda alt-tabakanın yüzeyi üzerine bulamaç dökün. Temiz metalik cımbızla tabakadan herhangi bir cam topları çıkarın.
- 20 mm / sn döküm hızını ayarlayın ve film uygulayıcının döküm kolunu etkinleştirin.
- Hiçbir kırışıklık kağıda formu sağlamak için karton ince bir parçası kullanarak filmin uygulayıcının yüzeyinden döküm elektrot kaldırın.
- Elektrot levha oda sıcaklığında 16 saat kurumaya bırakın (~ 24 ° C) ~ 3 saat veya tabaka kuruyana kadar 70 ° C 'de kurutuldu. Elektrot fu çevre izole olduğundan emin olunBana kaput veya düzgün olmayan kurumasını önlemek için kapalı bölme.
- Katot Elektrot Delme
- Alüminyum metal bir levha üzerine temizlenmiş kuru elektrot levha yerleştirin. "(Kenarlar olmayan üniforma görünebilir). Yavaşça (elle) yumruk baskı uygulamak ve delgi ve düzgün bir yüzeye sahip tabakanın bir bölge üzerine hafifçe koyun" kenarlarında "baskı rulo ½ dışarı atın yumruk temiz bir kesim sağlamak.
- (Alternatif) manuel delme yerine kesin bir disk kesici kullanan bir elektrot diski kesin.
- Temizlenmiş, plastik cımbız ile levha elektrot kaldırmak ve elektrot yüzeyi yukarı bakacak şekilde, etiketli bir şişenin içine yerleştirin. İki kez tekrarlayın.
- (İsteğe bağlı) laboratuar basın yüzeyine bir yumruk elektrot yerleştirin. Kabaca 4 Mpa (optimum basınç kullanılan basına göre değişir) bir basınç uygulayın. Kalan elektrotlar için tekrarlayın.
- Bir vacu şişeleri yerleştirinum fırın ve kalan nemi çıkarmak için 12 saat boyunca -0,1 MPa 120 ° C 'de elektrotlar için bir miktar daha kuru izin verir. Sonra, elektrotlar kaldırmak ve 0.0001 g içinde onları tartın.
- Torpido gözünün Eyvan açın ve tepsiye şişeleri yerleştirin. Bölmesini kapağını kapatın ve antechamber kapağı sıkın iki parmağınızı kullanarak sıkı bir sızdırmazlık sağlamak.
- -0.1 MPa aşağı vakum getirin ve ardından Argon ile doldurun. Torpido gözünün içine taşınan numuneler bağlı olarak, bu sürecini 1-2 kez daha tekrarlayın.
Tam Hücre 2. Anot Levha
- Yerine alüminyum folyo alt tabaka olarak 9 mikron kalınlığında bakır folyo kullanarak hariç tekrarlayın bölüm 1. Tabakanın bileşimi, spesifik ihtiyaçlarına uyacak şekilde değiştirilebilir.
3. Düğme Hücre Ön montaj
Dikkat: jeton hücreler yapımı Bir eldiven kutusu içinde, bir atıl (Argon) bir ortam içinde gerçekleştirilmektedir. Extreme dikkatli dış atmosfere iç çevrenin maruziyetini en aza indirmek için alınması gerekir. Torpido gözünün içinde keskin malzemeler ile çalışmak eğer mümkünse minimize edilmelidir. Genel bir kural olarak, torpido gözü içinde bir görev dışında gerçekleştirilen olacaktır hızdan daha 3 kat daha uzun sürer. Eldivenler ayrıca farklı maddelerle çalışırken maruziyeti en aza indirmek için torpido gözü eldiven üzerine giyilmelidir.
Not: (bileşen yerleştirme için) plastik cımbız gibi araçlar kap, dava, dalga yaylar, contalar, aralama, lityum kurdele, elektrolit içeren ve kalan madeni para hücre yapımı için gerekli bileşenleri bir Argon dolu torpido gözünün içinde bulunan O 2 ve H 2 O seviyeleri milyonda 0.5 bölümden altında tutulmuştur. (Lifsiz bir görev mendil dahil) izolasyon kutusu içine takılmış tüm bileşenler O ısıtılması gerekmektedir / -0,1 MPa'lık bir basınç altında 120 ° C de bir vakum etüvü içinde, N'nin herhangi bir kaldırmanem.
- Counter-elektrot hazırlanması
- Eldiven kutusu içinde, sızdırmaz kaptan (0.75 mm kalınlık), lityum şeridi çıkarın ve bir plastik blok yüzeyi üzerine bir kısmını rulo. Bir jilet kullanarak, dikkatlice folyo yüzeyindeki siyah renkli oksidasyonu kazınması. Eldiven kesme önlemek için son derece dikkatli olun.
- Bir 9/16 "delik yumruk atın ve lityum şeridinin bir disk dışarı yumruk. Yumruk dışarı lityum diskini itmek için bir (torpido gözünün içinde lastik eldiven ile lityum ayrılmış) parmak veya başka bir künt aracını kullanın.
- 0.5 mm kalınlığında ayırıcı alın ve yavaşça parmaklar arasında yüzeye lityum diski uygulayın. Spacer merkezine lityum disk sopa emin olun ve düz - düzensiz yüzeyi pürüzlü akım dağılımları neden olabilir.
- Elektrolit Hazırlık
- (: 1, hacim olarak / DEC, bu durumda EC 1 M LiPF 6: 1) ile seçim elektrolit Mağazaelektrolit olarak bir alüminyum kap içinde her zaman torpido gözü, ışığa olduğunu.
- Bir çalışma kabı içine kaynağı kaba elektrolitin küçük bir miktar çıkarın.
- CELGARD® Ayırıcı Hazırlık
- Yazıcı kağıt katlanmış tabaka arasında ayırıcı bir zar tabakası yerleştirin. Alüminyum metal levha üzerine katlanmış bir kağıt ve bir membran yerleştirin.
- Delgeçli üstünde bir tampon katmanı yerleştirin ve bir ¾ "çapında ayırıcı zarını dışarı yumruk için bir çekiç kullanın.
- 1.4.6-1.4.7 belirtilen prosedürler kullanılarak torpido gözünün içine delikli ayırıcı diskleri aktarın.
Not: inşa ediliyor, her sikke hücre için ayrı ayırıcılar yumruk zorunda kalmamak için toplu olarak bu adımı gerçekleştirmeniz tavsiye edilir.
4. Düğme Pil Montaj
Not: sikke hücre yapılandırmasıŞekil 2'de sunulmuştur.
Şekil 2. Coin hücre bileşenleri hücre içinde yerleştirme sırasına göre görüntülenir. Katot Yerleştirme hücresinin sızdırmazlık ardından ayırıcı, conta, karşı elektrot ve dalga yayı, tarafından takip edilir. Bu rakamın büyük halini görmek için tıklayınız .
- İç antechamber kapağını açın. Torpido gözünün içine antechamber içinde herhangi bir bileşeni çekin ve iç antechamber kapısını kapatın.
- Küçük tartmak tekne içine bir madeni para büyüklüğünde davayı yerleştirin. Madeni para büyüklüğünde bir davanın merkezine katot yerleştirin. Elektrotun merkezi elektrolit 1-2 ~ 30 ul damla uygulanır ve kasanın jantın karşıt taraflarında 1 damla uygulanır.
- Tek ¾ "ayırıcısını yerleştirinelektrodun yüzeyine. Kuvvet dışında herhangi bir cımbız düz kenarı kullanılarak hapsolan kabarcıklar ve dudak ile davayı kapma ve hafifçe yerine elektrot vurarak katot yeniden merkezi. Bu orijinal konumuna yapışırsa elektrot iyi hareket için izin vermek için bir elektrolit ilave 1-2 damla uygulanır.
- Düz tarafı aşağı bakacak ve dudaklı tarafı yukarı bakacak şekilde, kasanın içine conta yerleştirin. Önce hücre ekleme için ışığa doğru tutarak conta yönünü onaylayın.
- Hücrenin merkezine elektrolit 2-3 ~ 30 ul damla uygulayın ve lityum aşağı bakacak şekilde merkezi üzerine hazırlanan sayaç elektrot yerleştirin. Merkezli karşı elektrot üstünde dalgalı yayı yerleştirin.
- O dalga yay yüzeyinin en kapsar kavisli, dışbükey menisküs formları kadar elektrolit ile ağzına (~ 0.7 ml) hücreyi doldurun.
- Dikkatle hücre kullanılarak t üstünde sikke hücre kapağını yerleştirinO hücre üzerinde dikey merkezli kapağı tutun cımbız. Elektrolit aşırı kaybını önlemek için kapağı ortalamak için özen gösterin.
- Bu conta dudak içine setleri kadar (elle) kapağı bastırın. Kıvırma hücreyi aktarın ve hücre sıkma kalıp oluk merkezli olduğundan emin olun. ~ 6.2 MPa (900 psi) ve serbest bir basınca hücre kıvrım.
- Kıvırma (elle) hücreyi çıkarın ve herhangi bir aşırı elektrolit temizleyin. Adımları yineleyin 4.2- 4.9 İstenen tüm hücreler yapılıncaya kadar. Uygun bir kabın içine çöp koyun, herhangi bir elektrolit dökülen temizleyin. Torpido gözünün dışarı hücreleri aktarın ve bunları etiketlemek.
5. Elektrokimyasal Değerlendirme
- Pil cycler temizlenmelidir hücreleri bağlayın. Terminallerinin doğru açık devre potansiyeli ölçülerek bağlandığından emin olun. Pozitif değilse, bağlantıları ters.
- Kurutuldu elec ağırlığına göre istenen akımı hesaplayınalt-tabaka, alüminyum, alüminyum, ağırlık itibariyle, aktif madde yüzdesi bilinen kütle ve kullanılan aktif madde alan belirli bir kapasiteli yüzeyinde Trode.
- 0,70 x 155 mAh / g = 0,3906 mAh x - bir 0,0090 g ölçülen elektrot kütlesi, 0.0054 g alüminyum diski kütle ve 155 mAh / g kapasiteye sahip alan, (0.0054 g 0.0090 g) halinde arzu edilen akımı belirler. Tam 1 saat (1C) hücreyi boşaltmak için gerekli akımda deşarj şu anda uygulanmakta olan 0,3906 mA.
- / Şarj 4 kez C hızında / 10 (galvanostatik, sabit akım) 4.2 V ve 2.8 V Döngüsü hücre alt ve üst gerilim seviyeleri arasında hücreyi boşaltmak için cycler üzerinde zamanlamayı ayarlayın. Sonra C / 10 kerede hücreyi şarj edin.
- 5. C / 10 şarjdan sonra, cycler hücreyi çıkarın (gerekirse) ve 1 saat dinlendikten sonra, hücre üzerinde Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi 19 (ÇBS) gerçekleştirin. Geri hücreyi yerleştirinC / 10'da cycler ve deşarj. 1 saat dinlendikten sonra bir kez daha EIS gerçekleştirin.
- 100 1C döngü izledi C / 5, C, 2C, 5C ve 10C oranlarında en döngüleyici ve çevrim üzerine geri hücre 5 kez hücreye yerleştirin.
- Katot aktif madde mevcut kütlece mAh kapasite bölerek her C hızında hücrelerin spesifik kapasitesini belirlemek. İlk 5 1C döngü ortalama özgül kapasitesi ile son 5 1C döngü ortalama özgül kapasitesinin bölerek kapasite tutma hesaplayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Düzgün döküm elektrot levha yüzeyi görünüm üniforma görünür ve düzgün akım toplayıcı uymalıdır. Tipik haliyle, elektrot tabakanın pullanma düşük alt-tabakanın aşındırma, ya da ilk karıştırma aşamasında çok az NMP zorunda da kaynaklanır. Alternatif olarak, çok fazla NMP arzu edilmez bir gözeneklilik yüksek derecede görüntülemek için levha neden olabilir. Son olarak, bu üçüncü havuzu meydana gelmektedir elektrod yüzeyi üzerinde gözlenebilir. Oda (nem, sıcaklık ve herhangi bir hava hareketi) ortam koşullarına Etkileşimleri Bu davranış için en olası nedenleridir. Davlumbaz içinde İzolasyon bu davranışı önleyebilir. Bu senaryolar Şekil 3'te görülebilir.
Herhangi bir biçimde kırılmış kenarlar ile, Şekil 4 'de gösterildiği gibi, yassı pil görünmelidir. Hücre düzgün atm, pozlama mühürlü değilkenosphere hücresi açık pop neden olacak lityum, şişmesi neden olur. Bu sıkma yaparken hücre ezmek için de mümkündür. Bu sıkma basıncı önlemek için seçilen kıvırma ve hücre bileşenleri için optimize edilmesi gerekmektedir.
Taramalı elektron mikroskobu: elektrod üst yüzeyi (SEM) görüntüleme (Şekil 5), bir madeni para hücrenin yapımında kullanılan bir katot karmaşıklığını ortaya koymaktadır. Gösterilen büyük parçacıklar aktif madde vardır. Kalan malzeme PVDF ve karbon siyahının bir kombinasyonudur.
Yapının kendisi doğada stokastik, ancak uygun işlem sayfasının içinde parçacıkların dağılımını etkiler. Kurutma olumsuz hücre performansını etkileyebilir bağlayıcı ve iletken katkı kötü bir dağılım neden olabilir. Çok kurutuldu bir tabaka için örnek bisiklet sonuçları Şekil 6 da gösterilmiştirhızlı ve düzgün bir şekilde sunulan iki aşamalı bir süreç kullanılarak kurutuldu bir levha.
Bu bisiklet veriler bize çeşitli hızlarda hücrelerin (belirli kapasite açısından) performansını görüntülemek için izin verir, ve bize uzun bisiklet sonra kapasite tutma bakmak için izin verir. Örneğin, Şekil 7'de gösterildiği gibi Deşarj eğrileri deşarjı eğrisinin altındaki alan olarak belirlenir hücrelerin spesifik enerji görüntülemek için kullanılabilir.
Söz konusu hücreler için EIS veriler ayrıca hücre karakterize etmek için kullanılabilir. Temsili EIS spektrum Şekil 8'de görülebilir.
EIS spektrumları karşılaştırırken, (boşalmış bir hücre için), iki bileşeni (i) yüksek frekanslı yarım daire, ve (ii) düşük frekanslı kuyruk bulunmaktadır. Kuyruk eğimi nedeniyle direnç gösterirdifüzyon ve yarım daire frekans aralığına bağlı olarak, transfer direnci şarj nedeniyle dirençleri ve diğer bazı katkıların bir sayısını gösterir. Farklı kurutuldu elektrotlar sözkonusu olduğunda, hızlı bir şekilde kurutulan tabaka daha yüksek bir yük aktarma direnci gösteren daha büyük bir yarıçapa sahiptir.
Gözeneklilik ve elektrot kalınlığı etkisi için Örnek sonuçlar, ilave, Şekil 9'da, aşağıda gösterilmiştir.
Daha ince bir tabaka daha kısa difüzyon mesafeleri sağlar ve gözenekli ek daha verimli transferi imkan vermek üzere optimize edilebilir. Karşılaştırılması 19,20 var olacaktır gibi, bu parametreler, mutlak olmadığını tanımak için, ancak, önemlidir. Döküm kalınlığı, bulamaç viskozite ve kompozisyon ve tüm takvim derecesi bir tabaka gözenekliliği ve kalınlığı üzerinde doğrudan etkisi vardır. Böylece dikkatle tarafından ManipBu belgede açıklanan adımları modulating, mikro özelliklerinin kontrol edilmesi olabilir.
Şekil 3. Elektrot levha: (A) çok az NMP çok fazla NMP ile (B) ve düzgün olmayan bir kurutma (C). Bir sonucu olarak zayıf mekanik stabilite ve azaltılmış elektrokimyasal performans Her koşul sonuçları. Tipik haliyle, elektrot tabakanın dökülmeye başlangıç karıştırma aşamasında çok az NMP ya düşük alt-tabakanın aşındırma veya olmasından kaynaklanır (a) dır. Alternatif olarak, çok fazla NMP (b) istenen bir durum değildir gözeneklilik daha yüksek derecede bir görüntülemek için levha neden olabilir. Son olarak, bu görünebilir bir muntazam olmayan bir yüzey (c) kurutma sırasında maddi havuzu, görünüm olarak benzer. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil düzgün kıvrılmış (solda) ve bir yanlış kıvrılmış hücre hemen sıkma sonra farkedilir açık olacak ya da geç. Birkaç saat içinde pop (sağda). Yanlış kıvrılmış olmuştur 4. Coin hücre bu rakamın büyük halini görmek için tıklayınız .
Uncalendered NMC katodun yüzeyinin Şekil 5. SEM görüntüsü. Aktif madde (NMC), aktif maddenin parçacıkları çevreleyen bağlayıcı / katkı (PVDF / karbon siyahı) kompozit büyük küresel parçacıklar (~ 10 mm çap) olarak görülebilir . Sol görüntü için ölçek 50 mikron ve sağ olduğunu10 mikron. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 6. Bisiklet verileri C / 10, C / 5, C, 2C, 5C oranlarında. Çok hızlı bir şekilde (yanlış) kurutuldu, bir elektrot ve bir iki aşamalı kuru kullanılarak daha düşük bir oranı hücrelerinin spesifik kapasite gösterilir ve 1C uzun süreli bisiklet, ardından 10C. Protokolü de gösterilen malzeme yüklerinin Li hücrelerinin - hücre NMC oluşan hücreleri ile oda sıcaklığında (~ 22 ° C) sağlanıncaya edildi. C-rate NMC nominal kapasitesine göre belirlenir, yaklaşık 150 mAh / g. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
ince page = "1"> 
Şekil çok hızlı (yanlış) kurutulmuş bir elektrod ve iki aşamalı kuru kullanılarak daha düşük bir oran için gösterilen 7. Deşarj eğrisi. 1C ve 5C oranları deşarj eğrileri gösterilmiştir. Hücrenin spesifik enerji deşarj eğrisi altındaki alan olarak tespit edilebilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
100 MHz. Verilere 1 MHz'lik bir tarama frekansı aralığı için Şekil 8. Örnek EIS spektrum Şekil 7 ve 8'de sunulan aynı durumlar için 5. C / 10 taburculuk sonrası gösterilmiştir.e.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Deşarj performansı üzerindeki elektrot kalınlığı (A) ve porozite (B) Şekil 9. etkisi. Bu parametrelerin her biri (kalınlık, bulamaç viskozitesine vb kalenderleme döküm) bu teknikte açıklanan adımları kontrol ederek değiştirilebilir. Burada tıklayın Bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Islak karıştırma aşamalarının optimizasyonu hangi etkileri elektrot tekdüzelik ve yapışma bulamaç viskozite ve kaplama yeteneği açısından büyük önem taşıyor. Burada, yüksek kesmeli karıştırma, çözücüye, katkı maddesi, bağlayıcı ve aktif materyal viyaller içinde mevcut cam topları kinetik hareketleri kullanılarak karıştırılır burada uygulanmıştır. Bir manyetik karıştırıcı yönteme göre bu karıştırma tekniği çok daha hızlı bir karıştırma kez yararı daha vardır. Daha viskoz çözeltiler etkili bir şekilde karıştırılır olması için ötesinde, bu, yüksek kesmeli bir karıştırma sağlar ve bu su içinde ksantan zamkı gibi daha zor bağlayıcılar karıştırmak için gerekli enerjiyi sağlar. Karıştırma aşındırıcı doğası cam yabancı maddeler elektrod bulamacın içine karıştırmak için neden gibi bu etkiyi en aza indirecek şekilde, kullanılan cam topları atılmalıdır. Gereken cam topları minimum miktarda bir şişe içindeki bileşenlerin karıştırılması yeteneğine bağlıdır. Ancak, bir üst sınır nedeniyle mevcutbulamacın kaybı karıştırıldıktan sonra bir cam topları kaplanması. Çok az bir bulamaç ya da çok topları ile, bir elektrot dökme elektrot bulamacın kadar elde etmek mümkün olmaz. Gerekli NMP miktarı, kuru karışıma 21 bulunan taneciklerin toplam yüzey alanı dayanmaktadır. Bileşenlerin arzu edilen kuru ağırlık oranı (% 80 NMC ve% 10 PVDF),% 20 karşıt olarak,% 10 karbon karası bulunmaktadır ayarlanmıştır, örneğin, NMP, bir önemli ölçüde daha düşük bir miktar gerekli olacaktır: 2,0 ml (a sahip Kuru toz 1 g kütlesi). Bundan başka,% 94 aktif madde,% 3 iletken katkı maddesi ve% 3 bağlayıcı bir bileşimi ile, NMP 1,5 ml (1 g kuru toz kütlesi ile tekrar) gereklidir. Bu öncelikle, karbon siyahı Brunauer-Emmet-Teller (BET) yüzey alanı üzerine geri kalan bileşenlerin çok daha yüksek olduğu gerçeğine borçludur. Yeni arzu edilen tabaka co çalışırken şekilde ilk karıştırma aşamasında uygun çözücü muhtevasının belirlenmesi dikkatle belirlenmelidirmpositions. Burada belirtilen kompozisyon için ideal görülen viskozite 0.11 Pa · sn. Bu kullanılan elektrot tabakanın bileşimi, spesifik ihtiyaçlarına ve kullanılan malzemelerin performansını uyacak şekilde ayarlanabilir gerektiği not edilmelidir. Tipik haliyle, daha yüksek bir aktif madde içeriği, elektrotlar aktif olmayan materyal mevcut miktarını azaltmak için kullanılmaktadır. Ancak karşılaştırılması artan oranlarda hücre performansı açısından bulunmaktadır.
Hatta mükemmel bir bulamaç ile nedeniyle akım toplayıcı yapışma için kötü bir elektrot tabaka elde etmek mümkündür. İmalat işlemi sırasında, alüminyum folyo malzeme haddeleme sırasında kendi kendine yapışmasını önlemek için ince bir yağ tabakası ile kaplanır. Düzgün temizlenmiş değil, bu kalan tortu elektrot yapışmasını azaltacaktır. Temizlik sırasında, ekstra vurgu elektrot substrat temizliğini sağlamaya yönelik önlemler alınmalıdır. Tabaka temizlenir sırası (yan döküm, ardından düğmesine tarafı,) Döküm ve ardından döküm yüzeyi mümkün olduğu kadar temiz olduğundan emin olmak için. Bakım akım toplayıcının yüzey deforme ve yüzey çukurlaşma serbest kalır olmadığı kadar yumuşak (ve tüysüz yeterince serbest) gibi olan kağıt havlu kullanmaya dikkat edilmelidir. Şekil 3A'da görüntülenen elektrot ince tabakalar halinde dökülme uygun olmayan şekilde temizlenmiş alt tabaka kullanılarak elde edilen yapışma temsilcisidir. Bu yeterli ovma (ve dolayısıyla zayıf ıslatılabilirlik sonuçlanır) ya da (alt-tabaka yüzeyinin görsel olarak gözlemlenebilir çukurlaşma neden olabilir) çok sert fırçalama den oluşabilir. Burada kullanılan aşındırma yöntemi kullanılmıştır sulu olmayan solvent ve bağlayıcı ile iyi bir şekilde yapışması için yeterlidir. Farklı bağlayıcı maddeler ve çözücü, korona deşarjı veya akım toplayıcının ön ısıtma tedavi olarak yapışmasını sağlamak için alternatif yöntemler, gerektirebilir. Örneğin, her ne kadar az çekilmesi ve ıslak düşük elektrod yüzeyi üzerine DI su akışıting açısı yeterli bir döküm yüzeyine gösterir Resim ıslanabilirlik sulu bir işleme için yeterli değildir.
Genellikle az dikkat edilen bir adım elektrot kurutma olduğunu. Burada hücrenin son mikro-solvent buharlaşırken olarak ayarlanır. Mobil elektrot bileşenlerinin (bağlayıcı ve katkı maddesi) dikey geçiş 22 geliştirmek için bu malzemelerin dikey dağılımı neden olabilir. Uygulamada, elektrot yüzeyinde konsantre edildi (çözücünün sıvı solüsyon içinde mevcut), bağlayıcı ve karbon birikimi elektrot yüzeyi sonuçları (iletken katkı maddesi) ile çözücünün hızlı bir şekilde buharlaşmasını. Bu etkinin her kuruma hızında meydana rağmen, daha yüksek oranlarda difüzyon yoluyla bu bileşenlerin dağıtılması için yeterli zaman yoktur. Iki aşamalı kurutma işlemi sırasında fırın mikro içinde sıkışıp çözücünün buharlaştırılması, ardından eritken muntazam buharlaşması mümkün olmaktakurutma aşaması.
Sikke hücreyi oluştururken, bakım anot ve katot dikkatle hücre içinde aynı hizada olmasını sağlamak için dikkat edilmelidir. Burada, biraz daha büyük bir çapı, anot yerleşiminde bir hata marj sağlamak için kullanılır. Hücre içindeki boşluk ve dalga yay komple devre oluşturacak şekilde, iç parçaların kalınlığını arttırmak karşılık vermektedir. Ayrıca, bu devre, kritik lityum iyonları ile hareket ettikleri ile elektrolit vardır. Verilen form faktörü ile boş alan büyük miktarda hücre içinde var. Bu nedenle, hücre içinde mevcut olan bir elektrolit, bir düzensiz miktarda olması mümkündür. Tam hücre argon hiç veya çok az cepleri sağlamak sırılsıklam o sandviç elektrolit dağılımını bozabilir var.
Elektrokimyasal özellikler sırasında, (buradan yararlanılmaktadır) galvanostatik veya potansiyometrik bisiklet de kullanılabilir. Galvanostatik ücret sırasında / curre deşarjnt sabit tutulur ve ücret veya üst ya da alt sınırı potansiyel ulaştıktan sonra taburcu gibi hücre sayılır. Bu potansiyel sınırı kullanılan aktif madde bağlıdır. Bu sınırların ötesine aktif madde şarj ya da boşaltma düşmesine neden olabilir. Geçerli değişmektedir potansiyostatik şarj / deşarj sırasında gerilim, sabit tutulur. Potansiyostatik bisiklet bir dezavantajı alt sınırına düşüyorlar akım için gerekli ek süredir. Bu ve istenen bisiklet oranları kullanılmıştır istenilen bilgi ve materyallere dayalı olarak yapılandırılması gerekir. Burada listelenen protokol genel amaçlı bir protokoldür, ancak tüm ihtiyaçlarına uygun olmayabilir.
Bu teknik, akademik ve endüstriyel araştırma ortamında çoğaltılması için uygun olan bir hassas kontrollü bir şekilde bir elektrot tabakalar ve jeton hücreler oluşturulması için bir yöntem sunmaktadır. Bu tekniğin temel olarak fo olarak kullanılabilirBelirli aşama optimize edilmesi gerekebilir, ancak r, daha büyük bir batarya form faktörleri, sulu işleme ve çeşitli hücre kimyaları ve kompozisyonlar için elektrot sayfaları oluşturma. Bu teknik (pozitif veya negatif) özelleştirilmiş elektrotların oluşturulması ile sınırlıdır nerede malzemelerin nihai dağıtım (etki alanı içinde belki tekdüze olmasına rağmen) Stokastik olduğunu. Ayrıca, büyük form faktörleri ile hücrelerin oluşturulması üretilen elektrot boyutuna değişiklikler (büyük döküm levha) ve kullanılan hücre bileşenleri gerektirir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Bu çalışma mali Texas A & M Üniversitesi öğretim araştırma başlatma hibe (Mukherjee) ve Texas State University start-up finansman (Rodos) tarafından desteklenmektedir.
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).
