Introduction
Litium-jon-batterier utgör en lovande källa för att uppfylla de ständigt ökande kraven på energilagringsenheter 1-4. Förbättringar i egenskap av LIBS skulle inte bara förbättra den effektiva räckvidden av elfordon 5,6, men också förbättra sin livslängd genom att minska urladdning, vilket i sin tur ökar lönsamheten för LIBS för användning i nätet energilagringstillämpningar 7.
Ursprungligen användes för hörapparater på 1970-talet 8 är knappceller i dag vanligen används i utveckling och utvärdering av nya och befintliga elektrodmaterial. Som en av de minsta formfaktorer för batterier, dessa celler representerar ett enkelt och effektivt sätt att skapa batterier i en akademisk forskningsmiljö. En typisk litiumjonbatteri består av en katod, anod, strömkollektorer, och en porös separator, som förhindrar kortslutning av anoden och katoden. Under driften av ett litiumjonbatteri, ions och elektroner är mobila. Under urladdning, joner färdas från den negativa elektroden (anod) genom den porösa separatorn och in i den positiva elektroden, eller katoden. Samtidigt elektroner färdas genom strömkollektorn, över den yttre kretsen, slutligen rekombinera med jonerna på katodsidan. För att minska eventuella motstånd i samband med jon och elektronöverföring, komponenter måste vara korrekt orienterad - avståndet joner resor bör minimeras. Typiskt för dessa komponenter kombineras en "sandwich" konfiguration. Batterier som används i elfordon, mobiltelefoner och hemelektronik består av stora smörgåsar som spiral är lindade eller vikta, beroende på formfaktor batteriet. Dessa typer av celler kan vara mycket svåra att tillverka på små skalor utan att drabbas av höga kostnader. Men i en myntcell det endast ett enda smörgås inom cellen. Även specialutrustning är fortfarande nödvändigt att skapa elektroderna i n myntceller, cellerna själva kan snabbt monterade för hand och förseglade i en kontrollerad miljö.
Utförandet av batterier, oavsett typ, är beroende av de material som bildar den positiva och negativa elektroden, valet av elektrolyt och cellarkitekturen 4,9-13. En typisk LIB elektrod består av en kombination av Li-innehållande aktivt material, ledande tillsats, polymert bindemedel och hålrum som är fyllt med en elektrolyt. Elektrod behandling kan organiseras i fem huvudsteg: torrt pulver blandning, våtblandning, substrat förberedelse, film ansökan, och torkning - ett steg som ofta ges lite uppmärksamhet. Vid framställning av en elektrod med användning av dessa bearbetningssteg, är det slutliga målet att uppnå en enhetlig elektrodfilmen består av det aktiva materialet, ledande tillsats, bindemedel. Denna jämn fördelning är avgörande för optimal prestanda i LIBS 14-18.
nt "> Den här guiden visar de steg som används vid Texas A & M i energi- och transportområdet Sciences Laboratory (ETSL) och Texas State University att tillverka knappceller för utvärdering av nya och befintliga elektrodmaterial. Utöver de grundläggande stegen som finns dokumenterad i många källor , har vi inkluderat vår egen kompetens vid kritiska steg, notera viktiga detaljer som ofta är kvar av liknande metoder dokument och många publikationer. Dessutom har de primära fysikaliska och elektrokemiska metoder som används i vårt labb (galvanostatisk cykling och Elektro impedans spektroskopi (EIS)) belyses inom.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Försiktighet bör iakttas vid användning av någon av de lösningsmedel, reagens, eller torra pulver som används i detta protokoll. Läs alla SDB blad och vidta lämpliga säkerhetsåtgärder. Standard säkerhetsutrustning ingår handskar, skyddsglasögon och en labbrock.
1. Katod Framställning
Anmärkning: schematisk översikt av katoden tillverkningsprocessen presenteras i figur 1.
Figur 1. Schematisk översikt av stegen som utnyttjas i ETSL att skapa katoder. Huvudprocessen innefattar framställning och gjutning av elektroden uppslamningen på en rengjord aluminiumsubstrat, följt av torkning av det elektrodplattan och inkorporering i knappceller. Klicka här för att en större version av denna siffra.
- Aluminiumsubstrat Förberedelse
- Skär en 4,5 "med 12" ark med 15 um tjockt aluminium (Al) folie med hjälp av en pappers eller sax.
- Spraya aceton på ytan av en ren plastskiva för att fästa folien till styrelsen och sedan placera foliearket på styrelsen.
- Spraya en generös mängd aceton på ytan av folien och börja att skrubba hela ytan med användning av en scotch dyna med små halvcirkel rörelser. Spraya ytterligare aceton på ytan och torka återstoden med en pappershandduk.
- Upprepa steg 1.1.2-1.1.3 för den motsatta sidan och upprepa sedan en gång till för gjutning sidan.
- Tvätta etsat Al ark med avjoniserat (DI) vatten på gjutning sidan först, sedan vända och upprepa med motsatt sida. Åter skrubba ytan av Al-folie som DI vatten visar dålig vätbarhet och inte rinna av ytan av arket utan att bilda droppar. Upprepa sköljningen med isopropyl-alkohol.
- Överför rengjorda Al ark mellan två pappershanddukar och låt torka i ca 20 minuter under kompression mellan två platta plan och pappershanddukar.
- Slurry Framställning
- Välj vikterna av aktivt material, ledande tillsats och bindemedel baserat på den önskade sammansättningen av elektrodplattan. Välj en total torrpulvervikt av 1,25 g, med 70 vikt% litium-mangan-koboltoxid, Lini 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC, aktivt material), 20 vikt% kolsvart (ledande additiv) och 10% polyvinylidendifluorid (PVDF, bindemedel).
- Mäta upp 0,875 g NMC och 0,25 g kolsvart och plats i en agat mortel och mortelstöt. Lätt blanda material tillsammans utan slipning. Sedan en blandning börjar bildas, kvarn för hand i mortel för 3-5 minuter, tills en likformig pulver observeras visuellt.
- Överför det blandade pulvret i en engångs blandningsrörmed en bit väger papper. Lägg 16 glaskulor (6 mm diameter) till pulvret, tillsammans med 5,5 ml av 1-metyl-2-pyrrolidinon (NMP), det icke-vattenhaltiga lösningsmedlet.
- Placera engångs röret på röret drivstationen och låses på plats. Slå på enheten på och långsamt öka till den maximala hastigheten. Tillåt innehållet blandas under 15 minuter.
- Lägg 1,25 g av en 10% PVDF i NMP-lösning direkt till röret. Placera röret tillbaka till enheten och låt blandning under 8 minuter, enligt samma förfarande i 1.2.4. Om röret får stå under mer än fem minuter före gjutning (nedan), blanda innehållet under ytterligare 15 minuter.
- Gjutning och torkning
- Rengör metallytan av den automatiska filmapplikator med isopropylalkohol och en pappershandduk. Kontrollera att schaberklingan är ren, och är inställd till den önskade gjutningshöjden (200 ^ m).
- Applicera ett skikt av isopropylalkohol på ytan av filmen applikatorn och placera dried aluminiumsubstrat blanka sidan nedåt på ytan. Tryck ut överflödigt isopropylalkohol med en vikt pappershandduk tills alla rynkor och isopropyl avlägsnas. Var noga med att undvika att riva substratet genom stadigt hålla en av substratet på plats.
- Ta blandningsröret från röret enheten och öppna behållaren. Häll uppslamningen på ytan av substratet i en 2-3 tums linje ungefär en tum från toppen (inledande gjutning sidan) av substratet. Ta bort eventuella glaskulor från arket med rena metallpincett.
- Ställ gjutningshastigheten till 20 mm / sek, och aktivera gjutnings armen av filmapplikator.
- Lyft den gjutna elektroden från filmens yta applikatorn med användning av en tunn bit kartong för att garantera att inga rynkor bildas på arket.
- Låt elektrodplattan för att torka i 16 timmar vid rumstemperatur (~ 24 ° C), följt av torkning vid 70 ° C i ~ 3 h eller tills arket är torrt. Se till att elektroden är miljömässigt isolerad i en fumig huva eller förseglas kammaren för att förhindra att icke-jämn torkning.
- Katodelektroden Stans
- Placera det torkade elektrodplattan på en rengjord ark av aluminiummetall. Ta en ½ "hål och placera den försiktigt på ett område av arket med en enhetlig yta (kanter kan visas oenhetlig). Långsamt pressa på stansen (hand) och" rulla "trycket runt kanterna på stansen för att säkerställa ett rent snitt.
- (Alternativ) Klipp ut en elektrodskiva med användning av en exakt skivfräs i stället för manuell stansning.
- Avlägsna elektroden från arket med rengjorda, plast pincett och placera den i en märkt ampull, med elektrodytan vänd uppåt. Upprepa två gånger.
- (Tillval) Placera en stansad elektrod på ytan av labbet press. Utöva påtryckningar på ca 4 MPa (det optimala trycket kommer att variera beroende på pressen som används). Upprepa för de återstående elektroderna.
- Placera rören i en vacuum ugnen och låt elektroderna till ytterligare torka vid 120 ° C vid -0,1 MPa i 12 timmar för att avlägsna eventuell kvarvarande fukt. Efter bort elektroderna och väga dem inom 0,0001 g.
- Öppna förmak handskfacket och placera flaskorna på brickan. Stäng kammaren dörren och säkerställa en tät förslutning genom att använda två fingrar för att dra åt förrum lucka.
- Ta vakuum ned till -0,1 MPa, och sedan fylla med argon. Upprepa denna procedur 1-2 gånger, beroende på de transporterade i handskfacket prover.
2. anodplatta för Full Cell
- Upprepa avsnitt 1 med undantag av användning 9 | im tjock kopparfolie som substrat i stället för aluminiumfolie. Kompositionen för arket kan ändras för att passa specifika behov.
3. Coin cell Förmontering
Varning: Byggandet av knappceller utförs inom en inert (Argon) miljö inom en handskfacket. Extreme försiktighet måste vidtas för att minimera exponeringen av den inre miljön till yttre atmosfären. Arbeta med vassa material inom handskfacket bör minimeras om möjligt. Som en allmän regel bör en uppgift inom handskfacket ta 3 gånger längre än den hastighet med vilken uppgift skulle utföras utanför. Handskar bör också bäras över handskfacket handskar för att minimera exponeringen när man arbetar med olika ämnen.
Anm: De komponenter som behövs för byggandet av myntcell, inklusive locket, fallet vågfjädrar, packningar, distansorgan, litium band, elektrolyt och återstående verktyg såsom plastpincett (för placering komponent) är inneslutna i en argon-fylld handskbox med O 2 och H 2 O nivåer hålls under 0,5 delar per miljon. Alla komponenter införda i handskfackets (inklusive luddfria uppgift våtservetter) bör värmas O / N i en vakuumugn vid 120 ° C vid ett tryck av -0,1 MPa för avlägsnande av eventuelltfukt.
- Motelektrod Förberedelse
- Inom handskfacket, ta bort litiumband (0,75 mm tjock) från förseglade behållare och rulla ut en del på ytan av ett plastblock. Med hjälp av ett rakblad, försiktigt skrapa bort någon svartfärgad oxidationen från folieytan. Var mycket försiktig för att undvika att skära handskarna.
- Ta en "hål 9/16 och stansa ut en skiva av litium bandet. Använd ett finger (skild från litium med gummihandskar inom handskfacket) eller annat trubbigt verktyg för att driva litiumskivan ur stansen.
- Ta en 0,5 mm tjock distansbrickan och försiktigt på litiumskivan till ytan mellan fingrar. Se till att litiumskiv pinnar till mitten av distansen och är platt - en ojämn yta kan orsaka ojämn strömfördelningar.
- Elektrolyt Framställning
- Förvara elektrolyten val (i detta fall 1 M LiPFe 6 i EG / 1 december: 1 vol) medi handskfacket vid alla tidpunkter i en aluminiumbehållare, som elektrolyt är ljuskänsliga.
- Avlägsnande av en liten mängd elektrolyt från källbehållaren till en fungerande behållare.
- Celgard Separator Framställning
- Placera ett ark av separatormembranet mellan ett vikt ark av skrivarpapper. Placera det vikta papperet och membranet på ett ark av aluminiummetall.
- Placera en dämpande skikt ovanpå hålslaget och använda en hammare för att slå ut en ¾ "separator diameter membran.
- Överför stansade skilje skivor i handskfacket användning av förfarandena som beskrivs i 1.4.6-1.4.7.
Obs: Det rekommenderas att utföra detta steg i bulk att slippa stansa ut enskilda separatorer för varje knappcells byggs.
4. Coin cell Assembly
Obs: Konfigurationen av knappcells ärpresenteras i figur 2.
Figur komponenter 2. Coin cell visas i ordning placering inom cell. Placering av katoden följs av separatorn, packning, motelektroden och vågfjädern, följt av försegling av cellen. Klicka här för att se en större version av denna siffra .
- Öppna inre förkammaren dörren. Dra några komponenter inuti förkammaren i handskfacket och återförsluta inre förrummet dörren.
- Placera en knappcells fall i en liten väg båt. Placera katoden i mitten av knappcells fallet. Applicera 1-2 ~ 30 l droppar av elektrolyt till mitten av elektroden och tillämpa en droppe på motsatta sidor av kanten av ärendet.
- Placera en ¾ "separator påtill ytan av elektroden. Force ut eventuella bubblor som blir fångade genom att använda den platta kanten av en pincett, och åter mitten katoden genom att ta tag saken genom läppen och knacka lätt på elektroden på plats. Applicera ytterligare 1-2 droppar av elektrolyt för att möjliggöra en bättre rörlighet av elektroden, om den klibbar till sitt ursprungliga läge.
- Placera packningen i fallet med den platta sidan nedåt och läppsidan uppåt. Bekräfta orienteringen av packningen genom att hålla upp den mot ljuset före cellinför.
- Applicera 2-3 ~ 30 l droppar av elektrolyt till mitten av cellen, och placera den preparerade motelektroden på mitten med litium nedåt. Placera vågfjädern ovanpå den centrerade motelektroden.
- Fyll cellen till brädden (~ 0,7 ml) med elektrolyt tills den bildar en krökt, konvex menisk som täcker det mesta av vågfjädern ytan.
- Placera försiktigt knappcells locket ovanpå cellen utnyttjar than pincett för att hålla locket centreras vertikalt över cellen. Var noga med att centrera locket för att undvika överdriven förlust av elektrolyt.
- Tryck nedåt på locket (för hand) tills den går ner i läppen av packningen. Överför cellen till VECKARE och se till att cellen är centrerad i spåret av ihopfalsningsverktyg. Crimp cellen till ett tryck av ~ 6,2 MPa (900 psi) och släpp.
- Ta cellen från VECKARE (hand) och rensa bort eventuellt överskott elektrolyt. Upprepa steg 4.2- 4,9 tills alla önskade celler är uppbyggda. Rengör utspillt elektrolyt, placera skräp i en lämplig behållare. Överför celler ur handskfacket och märka dem.
5. Elektrokemisk Utvärdering
- Anslut de rengjorda cellerna till batteriet cykelapparat. Se till att terminalerna är rätt ansluten genom att mäta den öppna kretspotentialen. Om inte positiv, vända anslutningarna.
- Beräkna den önskade strömmen baserat på vikten av de torkade electrampade på ytan av aluminiumsubstratet, den kända massan av aluminium, det aktiva materialet viktprocenten, och den märk specifika kapaciteten av det aktiva materialet utnyttjas.
- Med en uppmätt elektrodmassa 0,0090 g, aluminiumskiva massa av 0,0054 g och nominell kapacitet på 155 mAh / g, bestämma den önskade aktuell som (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh / g = 0,3906 mAh. För urladdning vid den ström som krävs för att helt ladda ur cellen i en timme (1C), är den pålagda strömmen 0,3906 mA.
- Ställ schemat på cyklem att ladda / urladda cellen mellan de övre och undre spänningsnivåer på 4,2 V och 2,8 V. Cycle cellen 4 gånger med en hastighet av C / 10 (galvanostatisk, konstant ström). Ladda sedan cellen en gång på C / 10.
- Efter 5: e C / 10 laddning, avlägsna cellen från cyklem (om nödvändigt) och utför Electrochemical Impedance spektroskopi 19 (EIS) på cellen, efter vila under en timme. Placera cellen tillbakapå cyklem och urladdning på C / 10. Utför EIS gång efter vila i 1 timme.
- Placera cellen tillbaka till cykeln och cykeln cell 5 gånger med en hastighet av C / 5, C, 2C, 5C, och 10C, följt av 100 1C cykler.
- Bestämma den specifika kapaciteten hos cellerna vid varje C-hastighet genom att dividera den egenskap i mAh genom massan av aktivt material är närvarande i katoden. Beräkna retentionen kapaciteten genom att dividera den genomsnittliga specifika kapaciteten av de senaste 5 1C cykler med den genomsnittliga specifika kapaciteten av de första 5 1C cykler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En korrekt gjuten elektrodplattan ska visas enhetlig yta utseende och korrekt följa strömavtagaren. Typiskt flagning av elektrodplattan orsakas av antingen dålig etsning av substratet, eller att behöva lite NMP i det inledande blandningssteget. Alternativt kan för mycket NMP bringa arket att visa en högre grad av porositet, vilket inte är önskvärt. Slutligen kan observeras tredjedel mönster på elektrodytan, där sammanslagning tycks uppträda. Interaktioner med omgivningsförhållanden i rummet (luftfuktighet, temperatur och eventuell luftrörelse) är de mest sannolika orsakerna till detta beteende. Isolering inom ett dragskåp kan förhindra detta beteende. Dessa scenarier kan ses i figur 3.
Knappcells ska se ut som visas i figur 4, med några trasiga kanter. När cellen inte är ordentligt tätad, exponering för atmosphere orsakar svullnad av litium, vilket kommer att orsaka att cellen pop öppna. Det är även möjligt att krossa cellen när krimpning. För att förhindra detta presstrycket måste optimeras för de valda crimperelement och cellkomponenter.
Svepelektronmikroskop (SEM) avbildning av elektrodytan (figur 5) visar komplexiteten i en katod som utnyttjas i konstruktionen av en myntcell. De stora partiklarna som visas är det aktiva materialet. Det återstående materialet är en kombination av PVDF och kolsvart.
Strukturen själv är stokastisk i naturen, men korrekt behandling påverkar fördelningen av partiklar i arket. Torkning kan orsaka en dålig fördelning av bindemedel och ledande tillsats som negativt kan påverka cellprestanda. Visas i figur 6 är representativa cykelresultat för ett ark som torkades alltförsnabb och ett ark som är korrekt torkades med användning av två-stegsprocessen presenteras.
Denna cykel uppgifter gör att vi kan visa prestanda (i fråga om viss kapacitet) av cellerna vid olika hastigheter, och gör det möjligt för oss att titta på retentionskapacitet efter förlängd cykling. Urladdningskurvor såsom de som visas i figur 7 kan användas för att visa den specifika energin för de celler, som bestäms som området under urladdningskurvan.
EIS data för cellerna i fråga kan användas för att ytterligare karaktärisera cellerna. Ett representativt EIS spektrum kan ses i figur 8.
När man jämför EIS spektra, två primära komponenter (för en urladdat cell) är den (i) hög frekvens halvcirkel, och (ii) den lågfrekventa svans. Lutningen av svansen indikerar motstånd på grund avdiffusion och halvcirkel representerar ett antal resistanser på grund av laddningsöverföringsmotstånd, och flera andra bidrag beroende på frekvensområdet. I fallet med de olika torkade elektroderna, har de snabbt torkade arket en större radie som indikerar högre laddningsöverföringsmotstånd.
Representativa resultat för inverkan av porositet och elektrodtjocklek är dessutom visas nedan i figur 9.
En tunnare ark möjliggör kortare diffusionsavstånden, och porositeten kan optimeras för att dessutom möjliggöra mer effektiv överföring. Det är dock viktigt att inse att dessa parametrar är inte absolut, eftersom kompromisser kommer att existera 19,20. Gjutnings tjocklek, viskositet och sammansättning slam, och graden av kalandrering alla har en direkt inverkan på porositet och tjockleken hos ett ark. Sålunda genom att noggrant manipulating stegen i det här dokumentet, kan mikro egenskaper styras.
Figur 3. Elektrod ark (A) med för lite NMP, (B) med för mycket NMP, och (C) med icke-jämn torkning. Varje tillstånd resulterar i dålig mekanisk stabilitet och minskad elektrokemiska prestanda som följd. Typiskt flagning av elektrodplattan orsakas av antingen dålig etsning av substratet, eller att behöva lite NMP i det inledande blandningssteget (a). Alternativt kan för mycket NMP bringa arket att visa en högre grad av porositet, vilket inte är önskvärt (b). Slutligen, är en icke-enhetlig yta kan visas att liknande utseende material sammanslagning under torkning (c). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Coin cell som har blivit ordentligt krusade (vänster) och felaktigt krusade (höger). En felaktigt veckad cell kommer att vara märkbart öppet omedelbart efter pressning eller kan dyka under flera timmar senare. Klicka här för att se en större version av denna siffra .
Figur 5. SEM-bild av ytan av uncalendered NMC katoden. Det aktiva materialet (NMC) kan ses som de stora sfäriska partiklar (~ 10 | im diameter) med bindemedlet / tillsats (PVDF / kolsvart) komposit som omger de aktiva materialpartiklarna . Skalan för den vänstra bilden är 50 um och är rätt är10 um. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Cykling data visas för en elektrod torkades för snabbt (felaktigt) och en lägre hastighet med användning av en två-stegs torr. Den specifika kapaciteten hos cellerna vid hastigheter av C / 10, C / 5, C, 2C, 5C, och 10C följt av långsiktiga cykling på 1C. Cellerna cyklade vid RT (~ 22 ° C) med celler som består av NMC - Li celler med materialbelastningar avbildade i protokollet. C-hastighet bestäms med hänsyn till den nominella kapaciteten av NMC, cirka 150 mAh / g. Klicka Vänligen här för att se en större version av denna siffra.
tunn-page = "1"> 
Figur 7. Urladdningskurvan visad för en elektrod torkades för snabbt (felaktigt) och en lägre hastighet med användning av en två-stegstorka. Kurvorna urladdnings för hastigheter av 1C och 5C visas. Den specifika energin i cellen kan bestämmas som området under kurvan ansvarsfrihet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Exempel EIS spektrum för en avsökningsfrekvensområde av 1 MHz till 100 MHz. Data visas efter C / 10 urladdning 5: e för samma fall som presenteras i figurerna 7 och 8.e.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9. Inverkan av elektrod tjocklek (A) och porositet (B) om ansvarsfrihet prestanda. Var och en av dessa parametrar kan ändras genom att styra stegen diskuteras i denna teknik (kalandrering, gjutning tjocklek, viskositet slam, etc.). Klicka här att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Optimeringen av de våta blandningsstegen är avgörande för viskositeten och beläggningsslammet förmåga, som påverkar likformighet och vidhäftning av elektroden. Här en högskjuvningsblandning Metoden används, där lösningsmedlet, tillsats, bindemedel och aktivt material blandas samman med användning av de kinetiska rörelser hos glaskulor närvarande i ampullerna. Denna blandningstekniken erbjuder fördelen av mycket snabbare blandningstider jämfört med en magnetomrörare metod. Utöver detta, ger detta hög skjuvningsblandning för mer viskösa lösningar att vara effektivt blandad, och tillhandahåller den energi som krävs för att blanda svårare bindemedel, såsom xantangummi i vatten. Som slip karaktär blandning kan förorsaka glas föroreningar för att blanda in i elektrod uppslamningen bör används glaskulor kasseras för att minimera denna effekt. Minsta mängd glaskulor som behövs är beroende av blandningsförmåga av komponenterna inne i flaskan. Emellertid föreligger en övre gräns på grund av denförlust av uppslamning belägga glaskulor efter blandning. Med för lite uppslamning eller för många bollar, kommer det inte vara möjligt att ta ut tillräckligt av elektrod uppslamningen att gjuta en elektrod. Mängden NMP krävs är baserad på den totala ytan av partiklarna som finns i den torra blandningen 21. Till exempel, om den önskade torrviktförhållandet av komponenter inställdes på inkludera 10% kolsvart i motsats till 20% (med 80% NMC och 10% PVDF), en signifikant lägre mängd av NMP skulle krävas: 2,0 ml (med en torrpulvermassa av ett g). Vidare, med en sammansättning av 94% aktivt material, 3% ledande tillsats och 3% bindemedel, är 1,5 ml NMP krävs (igen med en g torrpulvermassan). Detta beror främst på det faktum att den Brunauer-Emmet-Teller (BET) ytarean för kolsvart är mycket högre än den för de återstående komponenterna. Således fastställandet av ett lämpligt lösningsmedelshalten i det inledande blandningssteg måste noggrant bestämmas när man arbetar med ny önskad co bladmpositions. Den idealiska observerade viskositeten för kompositionen noteras häri är 0,11 Pa · s. Det bör noteras att sammansättningen av elektrodplattan används bör justeras för att passa de särskilda behov och resultat av de material som används. Typiskt används en högre aktivt materialinnehåll utnyttjas för att minska mängden inaktivt material som är närvarande i elektroderna. Men kompromisser finns i form av cellprestanda på ökade priser.
Även med en perfekt uppslamning är det möjligt att erhålla en dålig elektrodplattan på grund av vidhäftningen till strömkollektorn. Under tillverkningsprocessen, är aluminiumfolien belagd med ett tunt skikt av olja för att förhindra självvidhäftning när valsning av materialet. Om inte ordentligt rengjorda, kommer detta kvarvarande återstoden minska elektrod vidhäftning. Under rengöring, bör extra vikt tas till att säkerställa hygienen elektrodsubstratet. Den ordning i vilken arket rengöras (gjutning sidan, sedan på knappen sida, Följt av gjutning) är att säkerställa att gjutytan är så ren som möjligt. Försiktighet bör vidtas för att använda pappershanddukar som är mjuka nog (och tillräckligt fritt från ludd) så att ytan av strömkollektorn inte deformeras och förblir fri från ytan gropfrätning. Elektroden flagning visas i Figur 3A är representativ för den erhållna vidhäftningen från att använda en felaktigt rengjorda substratet. Detta skulle kunna inträffa från inte skura nog (och således resulterar i dålig vätbarhet) eller skrubba för hårt (vilket kan resultera i visuellt observerbar gropfrätning av substratytan). Etsnings metod som användes här är tillräckligt för god vidhäftning med det icke-vattenhaltiga lösningsmedlet och bindemedlet utnyttjas. Olika bindemedel och lösningsmedel kan kräva alternativa metoder för att uppnå vidhäftning, såsom koronaurladdning eller pre-värmebehandling av strömkollektorn. Till exempel, även om flödet av DI-vatten över ytan av elektroden med minimal recession och låg våtting vinkel indikerar en tillräcklig gjutytan, är den medföljande vätbarhet inte tillräckligt för vattenbehandling.
Ett steg som ofta betalas lite uppmärksamhet är elektrod torkning. Här den slutliga mikrostrukturen hos cellen sätts som lösningsmedlet avdunstar. Den vertikala migration av mobila elektrod beståndsdelar (bindemedel och tillsats) kan orsaka en vertikal fördelning av dessa material för att utveckla 22. I praktiken snabb avdunstning av lösningsmedlet från elektrodytan resulterar i avsättning av koncentrerad bindemedel (närvarande i den flytande lösningen av lösningsmedel) och kol (den ledande tillsats) vid ytan av elektroden. Även om denna effekt uppstår vid varje torkningshastighet, vid högre hastigheter finns det inte tillräckligt med tid för omfördelning av dessa komponenter via diffusion. De två-stegstorkning process möjliggör likformig förångning av fritt lösningsmedel, följt av indunstning av lösningsmedlet fångade inuti mikrostrukturen under ugnentorkningssteg.
Vid konstruktionen av myntcellen, måste försiktighet iakttas för att säkerställa att anoden och katoden är noggrant inriktade inom cellen. Här är en anod något större diameter används för att möjliggöra en felmarginal i placeringen. Distansorganet och vågfjädern inom cellen tjäna till att öka tjockleken av de inre komponenterna, så att en komplett krets bildas. Också viktigt att denna krets är elektrolyten, genom vilken Litium-joner reser. Med det givna formfaktorn en stor mängd tomt utrymme existerar inom cellen. Sålunda är det möjligt att ha en ojämn mängd elektrolyt närvarande i cellen. Fullt blötläggning cellen garantera att inga eller minimala fickor av argon finns som kan störa fördelningen av elektrolyt i smörgås.
Under elektrokemisk karakterisering, kan antingen galvanostatiska (som används här) eller potentiostatisk cykling utnyttjas. Under galvanostatiska laddning / urladdning av Current hålls konstant och cellen bedöms som laddas eller urladdas efter att ha nått en övre eller lägre potentiell gräns. Denna potentiella gräns är beroende av det aktiva materialet som används. Laddning eller urladdning det aktiva materialet bortom dessa begränsningar kan leda till försämring. Under potentiostatisk laddning / urladdning spänningen hålls konstant, medan den nuvarande varierar. En nackdel med potentiostatisk cykling är den extra tid som krävs för den aktuella att släppa till den nedre gränsen. Detta och de önskade cykelhastigheter måste konfigureras baserat på den önskade information och material utnyttjas. Protokollet listas häri är ett generellt protokoll, men kanske inte passar alla behov.
Denna teknik erbjuder en metod för att skapa elektrod lakan och knappceller i ett exakt kontrollerat sätt som är lämpligt för reproduktion i akademisk eller industriell forskning inställningen. Grunderna i denna teknik kan användas som grund for att skapa elektrodblad för större batteriformfaktorer, vatten bearbetning och olika cell kemiska och kompositioner, även om specifika skede kan behöva optimeras. Denna teknik är begränsad till att skapa kundanpassade elektroder (positiva eller negativa) där den slutliga fördelningen av material (även om det kanske enhetlig inom domänen) är stokastisk. Dessutom skulle skapandet av celler med större formfaktorer kräver ändringar av elektrodstorleken produceras (större gjutning ark) och cellkomponenter som används.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Detta arbete stöds ekonomiskt av Texas A & M University fakultet forskningsinitiering bidrag (Mukherjee) och Texas State University startfinansiering (Rhodes).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LiNiMNCoO2 (NMC, 1:1:1) | Targray | PLB-H1 | |
| CNERGY Super C-65 | Timcal | ||
| Polyvinylidene Difluoride (PVDF) | Kynar | Flex 2801 | |
| 1-Methyl-2-pyrrolidinone anhydrous, 99.5% NMP | Sigma-Aldrich | 328634 | |
| 1.0 M LiPF6 in EC/DEC (1:1 by vol) | BASF | 50316366 | |
| Celgard 2500 Separator | MTI | EQ-bsf-0025-60C | 25 μm thick; Polypropylene |
| Aluminum Foil | MTI | EQ-bcaf-15u-280 | |
| Lithium Ribbon | Sigma Aldrich | 320080 | 0.75 mm thickness |
| 2-Propanol, ACS reagent, ≥99.5% | Sigma Aldrich | 190764 | |
| Acetone, ACS reagent, ≥99.5% | Sigma Aldrich | 179124 | |
| Stainless Steel CR2032 Coin Cell Kit | Pred Materials | case, cap, and PP gasket | |
| Stainless Steel Spacer | Pred Materials | 15.5 mm diameter x 0.5 mm thickness | |
| Stainless Steel Wave Spring | Pred Materials | 15 mm diameter x 1.4 mm height | |
| Analytical Scale | Ohaus | Adventurer AX | |
| Agate Mortar and Pestle | VWR | 89037-492 | 5 inch diameter |
| Tube Drive | IKA | 3645000 | |
| 20 ml Stirring Tube | IKA | 3703000 | |
| Glass balls | McMaster-Carr | 8996K25 | 6 mm diameter |
| Automatic Film Applicator | Elcometer | K4340M10- | |
| Doctor Blade | Elcometer | K0003580M005 | |
| Die Set | Mayhew | 66000 | |
| Vacuum Oven | MTI | ||
| Vacuum Pump | MTI | ||
| Laboratory Press | MTI | YLJ-12 | |
| Hydraulic Crimper | MTI | MSK-110 | |
| Glovebox | MBraun | LABstar | |
| Battery Cycler | Arbin Instruments | BT2000 | |
| Potentiostat/Galvanostat/EIS | Biologic | VMP3 |
References
- Wagner, R., Preschitschek, N., Passerini, S., Leker, J., Winter, M. Current research trends and prospects among the various materials and designs used in lithium-based batteries. J Appl Electrochem. 43, 481-496 (2013).
- Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chem Rev. 104, 4271-4301 (2004).
- Ellis, B. L., Lee, K. T., Nazar, L. F. Positive Electrode Materials for Li-Ion and Li-Batteries. Chem Mater. 22, 691-714 (2010).
- Tarascon, J. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
- Smith, K., Wang, C. Y. Power and thermal characterization of a lithium-ion battery pack for hybrid-electric vehicles. J Power Sources. 160, 662-673 (2006).
- Lu, L. G., Han, X. B., Li, J. Q., Hua, J. F., Ouyang, M. G. A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles. J Power Sources. 226, 272-288 (2013).
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334, 928-935 (2011).
- Esb Inc. Button Cell battery. US patent. Cich, E. R. , US3655452 A (1972).
- Elul, S., Cohen, Y., Aurbach, D. The influence of geometry in 2D simulation on the charge/discharge processes in Li-ion batteries. J Electroanal Chem. 682, 53-65 (2012).
- Buqa, H., Goers, D., Holzapfel, M., Spahr, M. E., Novak, P. High rate capability of graphite negative electrodes for lithium-ion batteries. J Electrochem Soc. 152, A474-A481 (2005).
- Chen, Y. H., Wang, C. W., Zhang, X., Sastry, A. M. Porous cathode optimization for lithium cells: Ionic and electronic conductivity, capacity, and selection of materials. J Power Sources. 195, 2851-2862 (2010).
- Arora, P., Doyle, M., Gozdz, A. S., White, R. E., Newman, J. Comparison between computer simulations and experimental data for high-rate discharges of plastic lithium-ion batteries. J Power Sources. 88, 219-231 (2000).
- Dillon, S. J., Sun, K. Microstructural design considerations for Li-ion battery systems. Curr Opin Solid St M. 16, 153-162 (2012).
- Harris, S. J., Lu, P. Effects of Inhomogeneities-Nanoscale to Mesoscale-on the Durability of Li-Ion Batteries. J Phys Chem C. 117, 6481-6492 (2013).
- Liu, G., Zheng, H., Song, X., Battaglia, V. S. Particles and Polymer Binder Interaction: A Controlling Factor in Lithium-Ion Electrode Performance. J Electrochem Soc. 159, A214-A221 (2012).
- Zheng, H. H., Yang, R. Z., Liu, G., Song, X. Y., Battaglia, V. S. Cooperation between Active Material, Polymeric Binder and Conductive Carbon Additive in Lithium Ion Battery Cathode. J Phys Chem C. 116, 4875-4882 (2012).
- Liu, Z. X., Battaglia, V., Mukherjee, P. P. Mesoscale Elucidation of the Influence of Mixing Sequence in Electrode Processing. Langmuir. 30, 15102-15113 (2014).
- Liu, Z. X., Mukherjee, P. P. Microstructure Evolution in Lithium-Ion Battery Electrode Processing. J Electrochem Soc. 161, E3248-E3258 (2014).
- Zheng, H. H., Tan, L., Liu, G., Song, X. Y., Battaglia, V. S. Calendering effects on the physical and electrochemical properties of Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O-2 cathode. J Power Sources. 208, 52-57 (2012).
- Zheng, H. H., Li, J., Song, X. Y., Liu, G., Battaglia, V. S. A comprehensive understanding of electrode thickness effects on the electrochemical performances of Li-ion battery cathodes. Electrochim Acta. 71, 258-265 (2012).
- Marks, T., Trussler, S., Smith, A. J., Xiong, D. J., Dahn, J. R. A Guide to Li-Ion Coin-Cell Electrode Making for Academic Researchers. J Electrochem Soc. 158, A51-A58 (2011).
- Li, C. C., Wang, Y. W. Binder Distributions in Water-Based and Organic-Based LiCoO2 Electrode Sheets and Their Effects on Cell Performance. J Electrochem Soc. 158, A1361-A1370 (2011).
