Summary
En protokol til at konstruere og teste mønt celler af lithium-ion-batterier er beskrevet. De specifikke fremgangsmåder til fremstilling af en arbejdselektrode, fremstilling af en modelektrode, samling af en celle i en handskekasse og afprøvning cellen er præsenteret.
Abstract
Genopladelige lithium ion batterier har bred anvendelse inden for elektronik, hvor kunderne altid kræve større kapacitet og længere levetid. Lithium-ion batterier er også blevet anset for at være brugt i elektriske og hybride køretøjer 1 eller endda elektriske grid systemer til stabilisering af 2. Alle disse applikationer simulere en dramatisk stigning i forskning og udvikling af batteri materialer 3-7, herunder nye materialer 3,8, doping 9, nanostrukturering 10-13, belægninger eller overflademodifikationer 14-17 og nye bindemidler 18. Derfor har et stigende antal fysikere, kemikere og materialer forskere for nylig vovede sig ind i dette område. Coin celler er meget udbredt i forskningslaboratorier til at afprøve nye batteri materialer, selv for forskning og udvikling som er rettet mod store og high-power applikationer, der er lille mønt celler ofte bruges til at teste kapaciteten og sats evnernye materialer i den indledende fase.
I 2010 startede vi en National Science Foundation (NSF) sponsoreret forskningsprojekt at undersøge overfladeadsorption og disordering i batteri materialer (ikke give. DMR-1.006.515). I den indledende fase af dette projekt, har vi kæmpet for at lære de teknikker til montage og test mønt celler, som ikke kan opnås uden talrige hjælp fra andre forskere i andre universiteter (gennem hyppige opkald, e-mail udvekslinger og to besøg på stedet). Derfor føler vi, at det er fordelagtigt at dokumentere, både tekst og video, en protokol at samle og teste en mønt celle, som vil hjælpe andre nye forskere på dette område. Denne indsats repræsenterer de "bredere effekt" aktiviteter i vores NSF projekt, og det vil også bidrage til at uddanne og inspirere de studerende.
I denne video artiklen, dokumentere vi en protokol til at samle et CR2032 mønt celle med en LiCoO2 arbejder elektrode, en Li modelektrode,og (det mest almindeligt anvendte) polyvinylidenfluorid (PVDF) bindemiddel. For at sikre nye studerende til let at gentage protokollen, holder vi den protokol som specifikke og eksplicitte som vi kan. Men det er vigtigt at bemærke, at i bestemte forsknings-og udviklingsarbejde, mange parametre, der blev vedtaget her, kan varieres. For det første kan man foretage mønt celler af forskellige størrelser og teste arbejdselektroden mod en modelektrode end Li. Sekund, mængderne af C sort og bindemiddel tilsat til de arbejdende elektroder ofte varieres for at passe til særlige formål forskning, for eksempel, blev store mængder af C sort eller endog inert pulver tilsat til arbejdselektroden at teste "intrinsic" præstation til billedrør materialer 14. For det tredje bedre bindemidler, bortset PVDF) har også udviklet og brugt 18. Endelig kan andre typer elektrolytter (i stedet for LiPF 6) kan også anvendes, faktisk vil visse højspænding elektrodematerialer kræver anvendelse af specielle electrolytes 7.
Protocol
1. Fremstillinq af en arbejdselektrode
- Forbered en blanding af ~ 6 vægt. % Polyvinylidenfluorid (PVDF) bindemiddel i N-methyl-2-pyrrolidon (NMP).
- Vejer 80 vægt. % Aktivt materiale (LiCoO2 i dette tilfælde) og 10 vægt. % C sort (acetylen, 99,9 +%) og derefter blande dem i en vortex i 1 min.
- Tilsættes NMP-bindemiddelblanding, således at bindemidlet udgør 10 vægt. % Af den totale vægt af blandingen.
- Overfør den ovennævnte blanding i et lille hætteglas og blandes på vortex-blander ved maksimal rpm i ca 30 minutter. To zirconia kugler 5 mm diameter kan anvendes som medier til bedre blanding. Hvis det er nødvendigt, tilsættes mere NMP til opnåelse af opslæmning af ønskede konsistens.
- Sprede en metalfolie af strømkollektoren (typisk aluminium til katoden og kobber anoden) på en glasplade. Anvende acetone og sikre, at der ikke er nogen luftbobler mellem folien og glaspladen. Brug to lag af afdækningstape til at danne et spor og define området, der skal coates.
- Anvendes opslæmningen på metalfolien med en spatel af rustfrit stål og sprede opslæmningen ensartet på sporet ved hjælp af et barberblad.
- Tør coating i luft eller vakuum ved ~ 90-120 ° C i ca 2-8 timer (som skal justeres afhængigt af det anvendte materiale og bindemiddel).
- Anbring det belagte metal folie mellem to stålplader (og to vægt papirer til beskyttelse af overtrækket), og tryk under en belastning på ~ £ 3000 under anvendelse af en hydraulisk presse.
- Udstanse de tørrede coatede metalfolien i skiver på 8 mm i diameter (fortrinsvis i en handskekasse). Afvej katoderne og pak dem, inden de overføres i handskerummet.
- Udstanse den ubelagte metalfolie af det samme materiale i skiver 8 mm i diameter og vejes disse skiver.
2. Fremstillinq af elektrolyt
- Da elektrolytten er lysfølsom, gemme elektrolytten (1M LiPF 6 i EF: DMC: December i dette tilfælde) i en Nalgene bottle omviklet med en aluminiumfolie.
3. Fremstillinq af en modelektrode (lithium folie i dette tilfælde)
- Rengøre overfladen af lithium folien ved hjælp af en børste / rustfrit stål skalpel, indtil en blank sølvagtig overflade forekommer (i en argon handskekassen).
- Udstansning af lithiumfolie i skiver af ½ inch diameter (i en argon handskekassen).
4. Coin Cell Assembly
- Figur 2 viser en skematisk afbildning af mønten cellekonstruktion.
- Punch Celgard C480 membraner i skiver på 19 mm i diameter og bruge dem som separatorer.
- Overfør knapcellebatteri sager (CR2032), fjedre og afstandsstykker (købt fra MTI Corp), separatorer og arbejdsvilkår elektroder ind i handskerummet (efter at skylle veksleren fem gange med argon).
- Samle mønt celler i handskekassen.
- Tilsættes to dråber af elektrolytten til cellen kop og placere den arbejdende elektrode på den. Tilføj yderligere tredråber af elektrolyt og sted to separatorer med to dråber af elektrolyt mellem dem. Tilsæt to dråber af elektrolytten, før placere lithium modelektrode på det. Placer to rustfrit stål afstandsstykker og en fjeder på lithium disken.
- Lukke cellen ved hjælp af cellen hætten og påkrympede 3-4 gange under anvendelse af kompakte presning maskinen (indkøbt fra MTI Inc.).
- Efter montering cellerne, håndtere de færdige celler ved hjælp af plast pincet (for at undgå kortslutning).
- Rengøre overskydende elektrolyt siver fra siderne af cellen med en papirserviet.
- Cellen er klar til afprøvning og kan tages ud af handskeboks.
5. Coin Cell Test
- Holde knapcellebatteri forbundet til batteritester i den åbne kredsløbsspænding (OCV) modus i en time, så snart den er klar.
- Definer spænding vindue til at teste celle baseret på det aktive materiale, der anvendes i arbejdende elektrode.
- Beregn denoretical kapacitet til cellen ved hjælp af beregningerne er vist nedenfor.
Vægt af elektroden disken med strømkollektoren = W EO
Vægten af de uovertrukne strømkollektorens skive med samme diameter = W CC
Vægt af elektrodemateriale, W EM, er givet ved 
Vægt af aktivt materiale i elektroden, W AM, er givet ved 
Teoretiske kapacitet for elektroden disken, C ED, er givet ved 
hvor C er den teoretiske sPECIFIKKE kapacitet af det aktive materiale.
- Test knapcellebatteri til charge-afladninger på den ønskede C-sats.
6. Repræsentative resultater
Som et eksempel blev en knapcellebatteri konstrueret under anvendelse LiCoO2 som det aktive materiale for den arbejdende elektrode. Efter konstruktion blev cellen testet ved C / 5 hastighed. Den opnåede profil er vist i figur 3. Spændingen Vinduet blev sat til at være mellem 3 og 4,3 V til denne mønt celle. Kapaciteten var 155 mAh / g for den første opladning og 140 mAh / g for den første afladningscyklus.
Figur 1. Rutediagram af mønten cellekonstruktion procedure. For det første er en arbejdselektrode fremstillet ud fra pulver af det aktive materiale. Derefter bliver en modelektrode fremstillet ud fra et rent lithium folie og separatorerne udstanses. Endelig er en cellesamles inde i en argon handskekassen.
Figur 2. Skematisk af en mønt celle samleprocessen viser alle de komponenter, i den rækkefølge, de er placeret inde i knapcellebatteri sagen.
Figur 3. Repræsentative resultater opnået fra en mønt konstrueret celle under anvendelse af en arbejdende elektrode fremstillet af LiCoO2 og en lithiumfolie modelektrode. Plottet viser den første ladning og første afladning kurver for mønten celle, der blev opladet og afladet ved C / 5 hastighed.
Figur 4. Sammenligning af gode og dårlige belægninger, efter de er blevet tørret. En krakket coating resulterer typisk fra opslæmningen, som har overskydende NMP og et porøst overtræk resulterer typisk fra SLURRY der har tilstrækkelig NMP.
Figur 5. Sammenligning af en brønd krympet knapcellebatteri og dårligt krympet knapcellebatteri, sammen med en ikke-krympet celle. Typisk en dårlig krympet knapcellebatteri spalter åben efter nogle få timer i omgivelsernes følge af kvældningen af lithium folie efter reaktion med fugt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I vores erfaring er det mest kritiske trin i forberedelsen af arbejdet elektroden gøre gode slam med konsistens. Som vist i figur 4, kan overskydende NMP i opslæmningen resultere i en revnet coating, medens utilstrækkelig NMP kan resultere i en porøs coating. I det foreliggende arbejde her, CR2032 knapcellebatteri tilfælde, der er 20 mm i diameter anvendes. Det skal bemærkes, at knapcellebatteri tilfælde af forskellige størrelser kan anvendes, hvor elektroden størrelser skal varieres i overensstemmelse hermed. Under cellekonstruktion afhænger passende antal afstandsstykker, der skal anvendes af tykkelsen af lithium folie-elektrode og højden af cellen. Dette antal kan varieres for at opnå en tilstrækkelig tæt pakket celle. Efter at cellerne er samlet, er de krympes for at opnå en tæt forsegling. Det er vigtigt, at cellen er krympet og eftersom både lithium elektroden og elektrolytten er følsomme over for fugt. Figur 5 viser en sammenligning af en Badly krympet celle og en brønd krympet celle sammen med en ikke-krympet celle.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklæret.
Acknowledgments
Vi takker for støtte fra Ceramics program i afdelingen for Materialeforskning af det amerikanske National Science Foundation, under ikke give. DMR-1006515 (program manager, Dr. Lynnette D. Madsen).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(vinylidene fluoride) | Sigma-Aldrich | 182702 | |
| 1-Methyl-2-pyrrolidinone, 99.5% | Alfa Aesar | 31903 | |
| LiCoO2 | Alfa Aesar | 42090 | |
| Carbon black, acetylene, 99.9+% | Alfa Aesar | 39724 | |
| LiPF6 in EC:DMC:DEC | MTI Corporation | EQ-Be-LiPF6 | |
| Celgard separator | Celgard | C480 | |
| Analog Vortex Mixer | VWR | 58816-121 | |
| Vacuum oven | |||
| Vacuum pump | |||
| Hydraulic press | |||
| Coin cell case | MTI Corporation | EQ-CR2032-CASE-304 | |
| Spring and spacer | MTI Corporation | EQ-CR20SprSpa-304 | |
| Glovebox | mBraun | UNILAB | |
| Battery tester | Arbin Instruments | BT2143 |
References
- 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).
