Протокол для построения и тестирования монеты клетки литий-ионных батарей описан. Конкретные процедуры принятия рабочего электрода, подготовке контр электрод, монтаж ячейки внутри перчаточного ящика и тестирования ячейки представлены.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Строительство и испытания монет клетки литий-ионных батарей
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы широко применяются в электронике, где потребители постоянно требуют большей емкости и более длительного срока службы. Литий-ионные аккумуляторы также рассматриваются для использования в электрических и гибридных автомобилях1 или даже в системах стабилизации электрических сетей2. Все эти области применения стимулируют резкий рост исследований и разработок в области материалов для аккумуляторов3-7, включая новые материалы3,8, легирование9, наноструктурирование10-13, создание покрытий или модификацию поверхности14-17, а также новые связующие вещества18. Вследствие этого в последнее время в данную область вступило все большее число физиков, химиков и материаловедов. В исследовательских лабораториях для тестирования новых материалов для аккумуляторов широко используются кнопочные элементы; даже при проведении исследований и разработок, ориентированных на крупномасштабное и мощное применение, на начальном этапе часто используются небольшие кнопочные элементы для проверки емкости и скоростных характеристик новых материалов.
В 2010 году мы начали исследовательский проект, спонсируемый Национальным научным фондом (NSF), по изучению поверхностной адсорбции и разупорядоченности в материалах для аккумуляторов (грант № DMR-1006515). На начальном этапе этого проекта мы столкнулись с трудностями при освоении методов сборки и тестирования кнопочных элементов, что стало возможным только благодаря многочисленной помощи других исследователей из других университетов (посредством частых телефонных звонков, переписки по электронной почте и двух визитов). Таким образом, мы считаем полезным задокументировать с помощью текста и видео протокол сборки и тестирования кнопочного элемента, что поможет другим начинающим исследователям в данной области. Эта работа представляет собой деятельность по «расширению воздействия» (Broader Impact) нашего проекта NSF и также будет способствовать обучению и вдохновению студентов.
В данной видеостатье мы описываем протокол сборки кнопочного элемента CR2032 с рабочим электродом из LiCoO2, литиевым (Li) противоэлектродом и (наиболее часто используемым) поливинилиденфторидным (PVDF) связующим. Чтобы начинающие исследователи могли легко повторить данный протокол, мы постарались сделать его максимально конкретным и детальным. Однако важно отметить, что в ходе конкретных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ многие принятые здесь параметры могут быть изменены. Во-первых, можно собирать кнопочные элементы разных размеров и тестировать рабочий электрод относительно противоэлектрода, отличного от Li. Во-вторых, количество добавляемого в рабочие электроды технического углерода (C black) и связующего часто варьируют в зависимости от конкретных целей исследования; например, в рабочий электрод добавляли большое количество технического углерода или даже инертного порошка для тестирования «собственной» эффективности катодных материалов14. В-третьих, были разработаны и внедрены более эффективные связующие (помимо PVDF)18. Наконец, можно использовать и другие типы электролитов (вместо LiPF6); фактически, некоторые высоковольтные электродные материалы требуют использования специальных электролитов7.
Протокол
1. Подготовка рабочего электрода
- Приготовить смесь из ~ 6 мас. % Поливинилиденфторида (PVDF) связующего в N-метил-2-пирролидон (NMP).
- Взвесить 80 мас. % Активного вещества (LiCoO 2 в данном случае) и 10 мас. % С черный (ацетилен, 99,9 +%), а затем смешать их в вихрь в течение 1 мин.
- Добавить NMP-связующего смесь, что связующее составляет 10 мас. % От общей массы смеси.
- Передача вышеуказанной смеси в небольшой флакон из стекла и смеси в вихревой смеситель на максимальных оборотах в течение примерно 30 мин. Два циркония шары диаметром 5 мм может использоваться в качестве средства массовой информации для лучшего перемешивания. Если необходимо, добавьте больше NMP для получения раствора необходимой консистенции.
- Распространение металлической фольги из коллектора тока (как правило, алюминий и медь катод для анода) на стеклянную пластинку. Использование ацетона и убедитесь, что нет воздушных пузырей между пленкой и стеклом. Используйте два слоя клейкой ленты, чтобы сформировать трек и четкостиНИС региона, которые будут покрыты.
- Применение суспензии на металлическую фольгу помощью шпателя из нержавеющей стали и распространение суспензии равномерно на дорожку при помощи лезвия бритвы.
- Высушите покрытие на воздухе или в вакууме при ~ 90-120 ° C в течение 2-8 часов (которые должны быть скорректированы в зависимости от материала и связующего используется).
- Поместите покрытый металлической фольги между двумя стальными пластинами (и два взвешивания документы для защиты покрытия) и нажмите кнопку под нагрузкой ~ 3000 фунтов с помощью гидравлического пресса.
- Пробейте сухой покрытый металлической фольгой на диски диаметром 8 мм (желательно внутри перчаточного ящика). Взвесьте катодов и обернуть их до передачи в перчаточном ящике.
- Пробейте без покрытия металлической фольги из того же материала на диски диаметром 8 мм и весят эти диски.
2. Подготовка электролита
- Как электролита светочувствительная, хранения электролита (1M LiPF 6 в ЕС: DMC: DEC в данном случае) в Nalgene bottlэлектронной обернуты алюминиевой фольги.
3. Подготовка счетчиков электрода (литий фольги в этом случае)
- Очистить поверхность от литий фольги помощью нейлоновой щетки / нержавеющая сталь скальпеля до блестящей серебристой поверхности появляется (в аргоне перчаточный ящик).
- Пробейте литий фольги в диски диаметром ½ дюйма (внутри перчаточного ящика аргон).
4. Ассамблея монет сотовых
- На рисунке 2 показана схема сборки ячейки монеты.
- Удар Celgard C480 мембран на диски от 19 мм в диаметре и использовать их в качестве разделителей.
- Передача монеты клетки случаях (CR2032), пружины и прокладки (приобретенные у корпорации MTI), сепараторы и рабочих электродов в перчаточном ящике (после промывки теплообменника в пять раз с аргоном).
- Соберите монеты клеток в перчаточном ящике.
- Добавить две капли электролита на клетку чашку и поместить рабочего электрода на нем. Добавить еще трикапли электролита и за два сепараторов две капли электролита между ними. Добавьте еще две капли электролита до размещения электродов литий счетчиком. Разместить две прокладки из нержавеющей стали и весной на литий диск.
- Закройте ячейку с помощью крышки клетки и обжимной 3-4 раз, используя компактный обжимной машины (приобретенные у MTI Corp.)
- После сборки клеток, готовых справиться с клетками с использованием пластиковых пинцетом (чтобы избежать короткого замыкания).
- Очистите избыток электролита утечки из сторон ячейки с помощью бумажной салфетки.
- Клетка готова к тестированию и могут быть вывезены из перчаточного ящика.
5. Тестирование монет сотовых
- Держите монеты ячейка соединена с батареей тестер в разрыв цепи питания (ПХВ), режим в течение одного часа, как только он будет готов.
- Определение напряжений для проверки ячейки на основе активного вещества, используемые в рабочем электроде.
- Рассчитатьтеоретический потенциал для ячейки с помощью расчетов показано ниже.
Масса электрода диск с коллектором тока = W EO
Масса без покрытия текущего диска коллектора того же диаметра = W CC
Вес материала электрода, W Е.М., дается 
Масса активного материала в электроде, W AM, дается 
Теоретический потенциал для электродов диска C ED, дается 
где С-теоретического сpecific способности активного вещества.
- Проверьте монеты клетки циклов заряд-разряд в нужном C-ставки.
6. Представитель Результаты
Например, монеты клетки был построен с использованием LiCoO 2 в качестве активного вещества для рабочего электрода. После завершения строительных работ, клетка была опробована на C / 5 ставки. Полученный профиль показан на рисунке 3. Напряжений было установлено, что между 3 и 4,3 В для этой монеты клетки. Емкость составляет 155 мАч / г для первого цикла заряда и 140 мАч / г для первого цикла разряда.
Рисунок 1. Блок-схема процедуры построения ячейки монеты. Во-первых, рабочий электрод изготавливается из порошка активного материала. Затем счетчик электродов получают из чистой пленкой лития и сепараторы штампуют. Наконец, клеткасобранный в атмосфере аргона бардачок.
Рисунок 2. Схема сборки монеты клетки процесса с указанием всех компонентов в порядке, что они находятся внутри корпуса ячейки монеты.
Рисунок 3. Представитель результаты, полученные монеты клетки построены с использованием рабочего электрода из LiCoO 2 и литий фольги противоположному электроду. Из графика видно, первое обвинение и первые кривые разряда для монет клетки, который был заряжен и разряжен на C / 5 ставки.
Рисунок 4. Сравнение хорошее и плохое покрытие после того как они были высушены. Трещин покрытия обычно возникает в результате суспензия, которая имеет избыточный NMP и пористым покрытием обычно является результатом свагонетка, что не имеет достаточных NMP.
Рисунок 5. Сравнение и гофрированные клетки монеты и сильно гофрированные монеты клетки, наряду с не-гофрированные клеток. Как правило, сильно гофрированные монеты клетка расщепляется через несколько часов в окружающем из-за опухоли лития фольги после реакции с влагой.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
По нашему опыту, наиболее важным шагом в подготовке рабочего электрода делает хорошие суспензии с консистенцией. Как показано на рисунке 4, превышение NMP в суспензии может привести к трещины покрытия, в то время как недостаточная NMP может привести к пористым покрытием. В работе, представленной здесь, CR2032 монеты клетки дел, которые диаметром 20 мм используются. Следует отметить, что монета клетки случаев различных размеров могут быть использованы, в котором электрод размеры должны быть изменены соот...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Нет конфликта интересов объявлены.
Благодарности
Мы выражаем глубокую признательность поддержке программы керамики в отдел Материалы исследований Национального научного фонда США, в рамках гранта нет. DMR-1006515 (руководитель программы доктор Lynnette D. Madsen).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Название реагента | Компания | Номер по каталогу | |
| Поли (винилиденфторида) | Sigma-Aldrich | 182702 | |
| 1-метил-2-пирролидон, 99,5% | Alfa Aesar | 31903 | |
| LiCoO 2 | Alfa Aesar | 42090 | |
| Углерод, ацетилен, 99,9 +% | Alfa Aesar | 39724 | |
| LiPF 6 в ЕС: DMC: DEC | MTI корпорации | EQ-Бе-LiPF6 | |
| Celgard сепаратор | Celgard | C480 | |
| Аналоговый микшер Vortex | VWR | 58816-121 | |
| Вакуумная печь | |||
| Вакуумкачать | |||
| Гидропресс | |||
| Случае монет клетки | MTI корпорации | EQ-CR2032-CASE-304 | |
| Весна и прокладку | MTI корпорации | EQ-CR20SprSpa-304 | |
| Glovebox | mBraun | Unilab | |
| Тестер аккумулятора | Arbin инструменты | BT2143 |
Ссылки
- Cairns, E. J., Albertus, P. Batteries for Electric and Hybrid-Electric Vehicles. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 1, 299-320 (2010).
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. -M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334, 928-935 (2011).
- Goodenough, J. B. Cathode materials: A personal perspective. J. Power Sources. 174, 996-1000 (2007).
- Yamada, A., Chung, S. C., Hinokuma, K. Optimized LiFePO4 for lithium battery cathodes. Journal of the Electrochemical Society. 148, A224-A229 (2001).
- Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104, 4271-4301 (2004).
- Tarascon, J. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
- Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chemical Materials. 22, 587-603 (2010).
- Ceder, G. Identification of cathode materials for lithium batteries guided by first-principles calculations. Nature. 392, 694-696 (1998).
- Chung, S. Y., Bloking, J. T., Chiang, Y. M. Electronically conductive phospho-olivines as lithium storage electrodes. Nature Materials. 1, 123-128 (2002).
- Bruce, P. G., Scrosati, B., Tarascon, J. M. Nanomaterials for rechargeable lithium batteries. Angewandte Chemie-International Edition. 47, 2930-2946 (2008).
- Arico, A. S., Bruce, P., Scrosati, B., Tarascon, J. M., Van Schalkwijk, W. Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices. Nature Materials. 4, 366-377 (2005).
- Hochbaum, A. I., Yang, P. D. Semiconductor Nanowires for Energy Conversion. Chemical Reviews. 110, 527-546 (2010).
- Wang, Y., Cao, G. Z. Developments in nanostructured cathode materials for high-performance lithium-ion batteries. Advanced Materials. 20, 2251-2269 (2008).
- Kang, B., Ceder, G. Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature. 458, 190-193 (2009).
- Liu, J., Manthiram, A. Improved Electrochemical Performance of the 5 V Spinel Cathode LiMn1.5Ni0.42Zn0.08O4 by Surface Modification. Journal of the Electrochemical Society. 156, A66-A72 (2009).
- Kayyar, A., Qian, H. J., Luo, J. Surface adsorption and disordering in LiFePO4 based battery cathodes. Applied Physics Letters. 95, (2009).
- Sun, K., Dillon, S. J. A mechanism for the improved rate capability of cathodes by lithium phosphate surficial films. Electrochemistry Communications. 13, 200-202 (2011).
- Kovalenko, I. A Major Constituent of Brown Algae for Use in High-Capacity Li-Ion Batteries. Science. 333, 75-79 (2011).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
