Introduction
Lithium-ion batterier udgør en lovende kilde til at opfylde de stadigt stigende krav til energi lagringsenheder 1-4. Forbedringer i kapacitet LIBS vil ikke blot forbedre den effektive vifte af elbiler 5,6, men også forbedre deres cyklus levetid ved at reducere dybden af udledning, hvilket igen øger levedygtigheden af libs til brug i nettet energi storage applikationer 7.
Oprindeligt brugt til høreapparater i 1970'erne 8, er mønt celler i dag almindeligt anvendt i udviklingen og evalueringen af nye og eksisterende elektrode materialer. Som en af de mindste formfaktorer for batterier, udgør disse celler en enkel og effektiv måde at skabe batterier i en akademisk forskning indstilling. En typisk lithium-ion batteri består af en katode, anode, strømaftagere og en porøs separator, der forhindrer kortslutning af anoden og katoden. Under driften af et lithium-ion batteri, ions og elektroner er mobile. Under tømning, ioner rejse fra den negative elektrode (anode) gennem den porøse separator og ind den positive elektrode eller katode. I mellemtiden elektroner rejse gennem strømaftageren, på tværs af ydre kredsløb endelig rekombinere med ionerne på katodesiden. For at mindske eventuelle modstande forbundet med ion og elektronoverførsel, skal de komponenter, der skal orienteres korrekt - afstand ioner rejser den bør minimeres. Typisk disse komponenter kombineres en "sandwich" -konfiguration. Batterier, der anvendes i elektriske køretøjer, mobiltelefoner og forbrugerelektronik består af store sandwich, som er spiralviklede eller foldede, afhængigt af formfaktor af batteriet. Disse typer af celler kan være meget vanskelig at fremstille i lille skala uden høje omkostninger. Men i en mønt celle er der kun en enkelt sandwich i cellen. Selvom specialudstyr er stadig nødvendigt at skabe elektroderne jeg n knapceller, selve cellerne hurtigt kan samles i hånden og forseglet i et kontrolleret miljø.
Udførelsen af batterier, uanset type, er afhængig af de materialer, som udgør den positive og negative elektrode, valget af elektrolyt, og cellen arkitektur 4,9-13. En typisk LIB elektrode består af en kombination af Li-holdige aktivt materiale, ledende additiv, polymert bindemiddel og hulrum, der er fyldt med en elektrolyt. Elektrode behandling kan organiseres i fem hovedtrin: tørt pulver blanding, våd blanding, forberedelse af underlaget, film ansøgning, og tørring - et skridt, der er ofte givet lidt opmærksomhed. Ved fremstilling af en elektrode ved hjælp af disse procestrin, det endelige mål er at opnå en ensartet elektrode folie bestående af det aktive materiale, ledende additiv, bindemiddel. Denne ensartet fordeling er afgørende for optimal ydeevne Libs 14-18.
nt "> Denne vejledning er den udnyttede ved Texas A & M i Energi og Transport Sciences Laboratory (ETSL) og Texas State University til at fremstille mønt celler til evaluering af nye og eksisterende elektrode materialer trin. Ud over de grundlæggende trin findes dokumenteret i mange kilder Vi har medtaget vores egen ekspertise på kritiske trin, at bemærke, vigtige detaljer, som ofte udeladt af lignende metoder dokumenter og mange publikationer. Derudover de primære fysiske og elektrokemiske metoder, der anvendes i vores laboratorium (galvanostatisk cykling og Elektrokemisk Impedans Spektroskopi (EIS)) belyses indefra.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Der bør udvises forsigtighed ved brug af nogen af de opløsningsmidler, reagenser eller tørre pulvere udnyttes i denne protokol. Læs alle MSDS ark og træffe passende sikkerhedsforanstaltninger. Standard sikkerhedsudstyr omfatter handsker, sikkerhedsbriller og en kittel.
1. Katode Forberedelse
Bemærk: Den skematiske oversigt over katoden fremstillingsprocessen er præsenteret i figur 1.
Figur 1. Skematisk oversigt over de anvendte i ETSL at skabe katoder trin. Den vigtigste proces omfatter forberedelse og støbning af elektroden gylle på et renset aluminium substrat, efterfulgt af tørring af elektroden plader og inkorporering i knapcelle. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Aluminum Forbehandling
- Skær en 4,5 "med 12" ark 15 um tyk aluminium (Al) folie ved anvendelse af et papir cutter eller saks.
- Spray acetone på overfladen af en ren plastik bord for at klæbe folien til bestyrelsen og derefter placere folien ark på bordet.
- Spray en generøs mængde acetone på overfladen af folien og begynder at skrubbe hele overfladen med en skotsk pad med små halvcirkel bevægelser. Spray yderligere acetone på overfladen og tørre ned resten med en køkkenrulle.
- Gentag trin 1.1.2-1.1.3 for den modsatte side, og derefter gentage endnu engang til støbning side.
- Vask ætset Al ark med deioniseret (DI) vand på støbning side først, derefter vende og gentag med modsatte side. Re-skrubbe overfladen af Al folie som DI vand viser dårlig befugtelighed og ikke flyder væk fra overfladen af pladen uden at danne dråber. Gentag skylning med isopropylalkohol.
- Overfør den rensede Al ark mellem to papirservietter og lad det tørre i ca. 20 minutter under kompression mellem to flade fly og papirhåndklæder.
- Tilberedning af opslæmning
- Vælg vægten af aktivt materiale, ledende tilsætningsstoffet og bindemiddel baseret på den ønskede sammensætning af elektroden ark. Vælg en total pulver vægt på 1,25 g tørt, med 70 vægt% lithium-mangan-kobolt-oxid, Lini 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC, aktivt materiale), 20 vægt% kønrøg (ledende additiv) og 10% polyvinylidendifluorid (PVDF, bindemiddel).
- Udmåle 0,875 g NMC og 0,25 g carbon black og anbringes i en agatmorter og støder. Let blandes materialerne sammen uden formaling. Efter at en blanding begynder at danne, mølle med hånden i morter og støder i 3-5 min, indtil en ensartet pulver observeret visuelt.
- Overfør det blandede pulver i en engangs blanderøretmed et stykke vejer papir. Tilføj 16 glaskugler (6 mm diameter) til pulveret, sammen med 5,5 ml 1-methyl-2-pyrrolidinon (NMP), ikke-vandigt opløsningsmiddel.
- Placer engangs rør på røret drev station og låses på plads. Tænd for drevet på og langsomt stige til den maksimale hastighed. Tillad indholdet at blande i 15 min.
- Tilføj 1,25 g af en 10% PVDF i NMP-opløsning direkte til røret. Placer røret tilbage på drevet og lad blandingen i 8 min, efter samme procedure i 1.2.4. Hvis røret tillades at sidde i mere end 5 minutter før støbning (nedenfor), blande indholdet i yderligere 15 min.
- Støbning og Tørring
- Rengør metaloverflade på automatiske film applikator med isopropylalkohol og en papirserviet. Sørg for, at rakelstålet er ren, og er indstillet til den ønskede støbning højde (200 um).
- Påfør et lag af isopropylalkohol til overfladen af filmen applikator og placer dried aluminiumsubstratet skinnende nedad på overfladen. Tryk den overskydende isopropylalkohol med et foldet køkkenrulle, indtil alle rynker og isopropyl er fjernet. Sørg for at undgå at rive underlaget ved fast holde en af underlaget på plads.
- Fjern blanderør fra røret drev og åbne beholderen. Hæld opslæmningen på overfladen af substratet i en 2-3 tommer linje ca. 1 inch fra toppen (indledende støbning side) af substratet. Fjern eventuelle glaskugler fra arket med rene metalliske pincet.
- Indstil støbehastigheden til 20 mm / sek, og aktivere støbning arm af filmen applikator.
- Løft støbt elektroden fra overfladen af filmen applikator med en tynd stykke pap, så der ikke dannes rynker på arket.
- Tillad elektroden ark tørre i 16 timer ved stuetemperatur (~ 24 ° C) efterfulgt af tørring ved 70 ° C i ~ 3 timer eller indtil arket er tørt. Sørg for, at elektroden er miljømæssigt isoleret i en fumig hætte eller forseglede kammer for at forhindre uensartet tørring.
- Katodeelektrode Stansning
- Placer tørrede elektrode ark på et renset plade af aluminium metal. Tegne en ½ "hulning og placere den forsigtigt på et område af arket med en ensartet overflade (kanter kan forekomme uensartet). Langsomt lægge pres på punch (med hånden) og" roll "trykket omkring kanterne af punch at sikre et rent snit.
- (Alternativ) Skær en elektrode disk udnytte en præcis skive fræser i stedet for manuel stansning.
- Fjern elektroden fra arket med renset, plast pincet og placere det i en mærket hætteglas, med elektroden opad. Gentag to gange.
- (Valgfrit) Placer en udstanset elektrode på overfladen af laboratoriet pressen. Lægge pres på ca. 4 MPa (det optimale pres vil variere baseret på udnyttede pressen). Gentag for de resterende elektroder.
- Placer hætteglassene i en Vacuum ovnen og lad elektroderne til yderligere tør ved 120 ° C -0,1 MPa i 12 timer for at fjerne eventuelle resterende fugt. Efter Fjern elektroderne og vejes inden 0,0001 g.
- Åbn forgemak af handskerummet og placere hætteglassene på bakken. Kammeret lukkes døren og sikre en tæt forsegling ved hjælp af to fingre til at stramme forkammeret luge.
- Bring vakuum ned til -0,1 MPa, og derefter udfylde med argon. Gentag denne proces 1-2 gange mere, afhængigt af de transporteres ind i handskerummet prøver.
2. Anode Sheet for fuld Cell
- Gentag afsnit 1, bortset fra anvendelse af 9 um tyk kobberfolie som substrat i stedet for aluminiumsfolie. Sammensætningen af arket kan ændres til at passe særlige behov.
3. Coin Cell Formontage
Forsigtig: Opførelse af mønt celler udføres inden en inaktiv (Argon) miljø i en handskerummet. Extreme forsigtighed skal træffes for at minimere eksponering af det indre miljø til ekstern atmosfære. Arbejde med skarpe materialer i handskerummet bør minimeres, hvis muligt. Som hovedregel bør en opgave i handskerummet tage 3 gange længere end den hastighed, hvormed den opgave, ville blive udført udenfor. Handsker skal også bæres over handskerummet handsker for at minimere eksponeringen ved arbejde med forskellige stoffer.
Bemærk: De komponenter, der kræves til opførelse af mønten celle, herunder den fælles landbrugspolitik, fald bølge fjedre, pakninger, afstandsstykker, lithium bånd, elektrolyt og de resterende værktøjer såsom plast pincet (for komponent placering), er indeholdt i et argon-fyldt handskerummet med O 2 og H 2 O niveauer holdes under 0,5 dele per million. Alle komponenter er indsat i handskerummet (herunder fnugfrie task klude) skal opvarmes O / N i en vakuumovn ved 120 ° C ved et tryk på -0,1 MPa til fjernelse af eventueltfugtighed.
- Counter-elektrode Forberedelse
- Inden handskerummet, fjern lithium bånd (0,75 mm tyk) fra forseglede beholder og udrulle en del på overfladen af en plastik blok. Anvendelse af et barberblad, forsigtigt skrabe væk enhver sortfarvet oxidation fra folieoverflade. Tag ekstrem forsigtighed for at undgå at skære handskerne.
- Tag en 9/16 "hulning og punch ud af en disk af lithium bånd. Brug en finger (adskilt fra lithium ved gummihandsker inden handskerummet) eller andet stumpt værktøj til at skubbe lithium disk ud af stemplet.
- Tag en 0,5 mm tyk spacer og forsigtigt anvende lithium disk til overfladen mellem fingrene. Sørg for lithium disc klæber til centrum af afstandsstykket og er flad - en ujævn overflade kan forårsage ujævne strømfordelinger.
- Elektrolyt Forberedelse
- Opbevar elektrolytten valg (i dette tilfælde 1 M LiPF6 i EF / DEC 1: 1 efter volumen) medi handskerummet på alle tidspunkter i en aluminium beholder, som elektrolyt er lysfølsomme.
- Fjerne en lille mængde af elektrolyt fra kilden beholder til en fungerende container.
- Celgard Separator Forberedelse
- Placer et ark af separatormembranen mellem en foldet ark printerpapir. Placer foldet papir og membranen på et ark af aluminium metal.
- Placer en dæmpende lag oven på huller og bruge en hammer til at slå ud af en ¾ "diameter separator membran.
- Overfør de udstansede separator diske i handskerummet udnytte procedurerne i 1.4.6-1.4.7.
Bemærk: Det anbefales at udføre dette trin i løs vægt for at undgå at skulle slå individuelle separatorer for hver mønt celle bliver konstrueret.
4. Coin Cell Assembly
Bemærk: Konfigurationen af mønten celle ervist i figur 2.
Figur 2. mønt cellebestanddele vises i rækkefølge efter placering i cellen. Placering af katoden efterfølges af separatoren, pakning, modelektrode og bølgefjeder, efterfulgt af forsegling af cellen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal .
- Åbn det indvendige forgemak døren. Træk nogen komponenter i forgemak ind i handskerummet og forsegle det indvendige forgemak døren.
- Placer en mønt celle tilfælde i en lille vejer båd. Placer katoden i midten af det knapcellebatteri tilfældet. Påfør 1-2 ~ 30 pi dråber elektrolyt til midten af elektroden og anvende 1 dråbe på modsatte sider af randen af sagen.
- Placer et enkelt ¾ "separator påtil overfladen af elektroden. Kraft eventuelle bobler, der bliver fanget ved hjælp af den flade kant af en pincet, og re-center katoden ved at snuppe sagen ved læben og let at trykke på elektroden på plads. Påfør yderligere 1-2 dråber elektrolyt for at muliggøre en bedre bevægelighed af elektroden, hvis det klæber til sin oprindelige position.
- Placer pakningen ind i sagen, med den flade side nedad og sammenbidt opad. Bekræft orienteringen af pakningen ved at holde op mod lyset før cellen indsættelse.
- Påfør 2-3 ~ 30 pi dråber elektrolyt til midten af cellen, og placer den forberedte modelektroden på midten med lithium nedad. Placer bølgefjederen oven på den centrerede modelektroden.
- Fyld cellen til randen (~ 0,7 ml) med elektrolyt indtil det danner en krum, konveks menisk, der dækker det meste af bølgefjederen overflade.
- Placer forsigtigt knapcellebatteri hætte på toppen af cellen udnytte than pincet til at holde hætten centreret lodret over cellen. Sørge for at centrere hætten for at undgå overdreven tab af elektrolyt.
- Tryk ned på hætten (med hånden), indtil den synker ned i kanten af pakningen. Overfør cellen til crimper og sikre, at cellen er centreret i rillen i krympning dø. Krympe cellen til et tryk på 6,2 MPa ~ (900 psi), og slip.
- Fjern cellen fra krusningsindretningen (med hånden), og rengør overskydende elektrolyt. Gentag trin 4.2- 4.9 indtil alle ønskede celler er konstrueret. Rens eventuelt spildt elektrolyt, placere trash i en passende beholder. Overfør cellerne ud af handskerummet og mærke dem.
5. Elektrokemisk Evaluering
- Forbind de rensede celler til batteriet cycler. Sørg terminalerne er tilsluttet korrekt ved at måle den åbne potentiale kredsløb. Hvis ikke positiv, reverse forbindelserne.
- Beregn ønskede strøm baseret på vægten af de tørrede elektroden på overfladen af aluminiumsubstratet, den kendte masse af aluminium, det aktive materiale vægtprocenten og bedømt specifikke kapacitet af det aktive materiale udnyttes.
- Med en målt elektrode masse på 0,0090 g, aluminium skive masse på 0,0054 g, og nominel kapacitet på 155 mAh / g, fastlægge den ønskede strøm som (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh / g = 0,3906 mAh. Til udledning på det nuværende kræves for at aflade cellen i 1 time (1C), den anvendte strøm er 0,3906 mA.
- Indstil tidsplan på cycleren at oplade / aflade cellen mellem den øvre og lavere spændingsniveauer af 4,2 V og 2,8 V. Cycle cellen 4 gange med en hastighed på C / 10 (galvanostatiske, konstant strøm). Derefter oplade cellen gang på C / 10.
- Efter 5 th C / 10 ladning, fjerne celle fra cyklusmekanismen (om nødvendigt) og udfører Elektrokemisk impedansspektroskopi 19 (EIS) på cellen, efter hvile i 1 time. Placer cellen tilbagepå cyklusmekanismen og udledning på C / 10. Udfør EIS atter efter hvile i 1 time.
- Placer cellen tilbage på cyklusmekanismen og cyklus celle 5 gange ved hastigheder på C / 5, C, 2C, 5C og 10C, efterfulgt af 100 1C cyklusser.
- Bestemme den specifikke kapacitet af cellerne ved hver C-rate ved at dividere kapacitet i mAh ved massen af aktivt materiale til stede i katoden. Beregne kapaciteten retention ved at dividere den gennemsnitlige specifikke kapacitet af de sidste 5 1C cyklusser med det gennemsnitlige specifikke kapacitet af de første 5 1C cyklusser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En korrekt støbt elektrode ark skal vises ensartet overfladeudseende og ordentligt overholde strømaftageren. Typisk afskalning af elektroden ark skyldes enten dårlig ætsning af substratet, eller at skulle ringe NMP i den indledende blandetrin. Alternativt kan for meget NMP forårsage arket for at vise en højere grad af porøsitet, hvilket ikke er ønskeligt. Endelig kan et tredje mønster observeres på elektrodeoverfladen, hvor pooling synes at forekomme. Interaktioner med de omgivende forhold i rummet (fugtighed, temperatur, og enhver luftbevægelse) er de mest sandsynlige årsager til denne adfærd. Isolering inden et stinkskab kan forhindre denne adfærd. Disse scenarier kan ses i figur 3.
Mønten cellen skal vises som vist i figur 4, med ingen brudte kanter. Når cellen er ikke korrekt tætnet, eksponering for atmosphere vil forårsage hævelse af lithium, hvilket vil forårsage cellen til pop åben. Det er også muligt at knuse cellen, når krympning. For at forhindre dette krympning tryk skal optimeres for de valgte crimper og cellekomponenter.
Scanningselektronmikroskop (SEM) billeddannelse af elektrodeoverfladen (figur 5) viser kompleksiteten af en katode anvendes i konstruktionen af en mønt celle. De store partikler er vist, er det aktive materiale. Det resterende materiale er en kombination af PVDF og carbon black.
Selve strukturen er stokastisk i naturen, men korrekt behandling påvirker fordelingen af partikler i folien. Tørring kan forårsage en dårlig fordeling af bindemiddel og ledende additiv, der kan have en negativ indflydelse celle ydeevne. Vist i figur 6 er repræsentative cykling resultater for et ark, der blev tørret forhurtig og et ark, der blev tørret korrekt anvendelse af to-trins proces fremlagt.
Denne cykel data giver os mulighed for at se forestillingen (i form af specifik kapacitet) af celler på forskellige satser, og giver os mulighed for at se på fastholdelse kapacitet efter forlænget cykling. Discharge kurver såsom de vist i figur 7 kan anvendes til at se specifikke energiforbrug af cellerne, der bestemmes som arealet under kurven udledning.
EIS data for cellerne under overvejelse kan anvendes til yderligere at karakterisere cellerne. Et repræsentativt EIS spektrum kan ses i figur 8.
Når man sammenligner EIS spektre, to primære komponenter (for en afladet celle) er (i) højfrekvent halvcirkel, og (ii) den lavfrekvente hale. Hældningen af halen betegner modstandsdygtighed på grund afdiffusion, og halvcirkel repræsenterer et antal modstande grundet opkræve resistens overførsel, og flere andre bidrag, afhængigt af frekvensområdet. I tilfælde af de forskelligt tørrede elektroder, det hurtigt tørrede ark har en større radius angiver højere ladningsoverførsel modstand.
Repræsentative resultater for effekten af porøsitet og elektrode tykkelse desuden vist nedenfor i figur 9.
En tyndere ark giver mulighed for kortere diffusions- afstande og porøsiteten kan optimeres til yderligere give mulighed for mere effektiv overførsel. Det er imidlertid vigtigt, at erkende, at disse parametre ikke er absolutte, da kompromiser vil eksistere 19,20. Støbningen tykkelse, gylle viskositet og sammensætning, og graden af kalandrering alle har en direkte indvirkning på porøsitet og tykkelsen af et ark. Således ved forsigtigt Manipulating trinene i dette dokument, kan mikrostrukturelle egenskaber styres.
Figur 3. Elektrode ark: (A) med for lidt NMP, (B) med alt for meget NMP, og (C) med uensartet tørring. Hver betingelse resulterer i dårlig mekanisk stabilitet og reduceret elektrokemiske ydeevne som følge. Typisk afskalning af elektroden ark skyldes enten dårlig ætsning af substratet, eller at skulle ringe NMP i den indledende blandingstrin (a). Alternativt kan for meget NMP forårsage arket for at vise en højere grad af porøsitet, hvilket ikke er ønskeligt (b). Endelig er en ikke-ensartet overflade kan vises, der ligner i udseende til materiale, sammenlægning under tørring (c). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. mønt celle, der er blevet korrekt krympet (til venstre) og forkert krympet (til højre). En forkert krympede celle vil være mærkbart åbne umiddelbart efter presning eller kan pop over flere timer senere. Klik her for at se en større version af dette tal .
Figur 5. SEM billede af overfladen af uncalendered NMC katode. Det aktive materiale (NMC) kan ses som de store sfæriske partikler (~ 10 um diameter) med bindemidlet / additiv (PVDF / carbon black) komposit omkring de aktive materialepartikler . Skalaen for venstre billede er 50 um, og er den rigtige, er10 um. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Cycling data vist for en elektrode tørret for hurtigt (uretmæssigt) og en lavere hastighed under anvendelse af en to-trins. Den specifikke kapacitet af cellerne med hastigheder på C / 10, C / 5, C, 2C, 5C og 10C efterfulgt af langvarig cykling på 1C. Cellerne blev cyklet ved RT (~ 22 ° C) med celler, der består af NMC - Li celler med de materielle belastninger afbildet i protokollen. C-sats bestemmes med hensyn til den nominelle kapacitet NMC, ca. 150 mAh / g. Klik her for at se en større version af dette tal.
tynd-side = "1"> 
Figur 7. afladningskurve vist for en elektrode tørret for hurtigt (uretmæssigt) og en lavere hastighed under anvendelse af en to-trins. Dechargeprocedurerne kurver for graden af 1C og 5C er vist. Den specifikke energi i cellen kan bestemmes som området under udledningen kurven. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. Eksempel EIS frekvenser til en scanning frekvensområde fra 1 MHz til 100 MHz. Data vises efter C / 10 afladning 5 th for de samme tilfælde vist i figur 7 og 8.e.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9. Virkningen af elektroden tykkelse (A) og porøsitet (B) på udledning ydeevne. Hver af disse parametre kan ændres ved at styre de trin, der omtales i denne teknik (kalandrering, støbning tykkelse, gylle viskositet, etc.). Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Optimeringen af vådblanding trin er afgørende for opslæmningsviskositeten og coating evne, som påvirker den ensartede og adhæsion af elektroden. Her er en højforskydningsblanding fremgangsmåde anvendes, når opløsningsmidlet additiv, bindemiddel og aktivt materiale blandes sammen udnytte de kinetiske bevægelser af glaskugler til stede i hætteglassene. Denne blanding teknik tilbyder fordelen ved meget mere hurtig blanding gange sammenlignet med en magnetomrører fremgangsmåde. Ud over dette, denne blanding med høj forskydning giver mulighed for mere viskose opløsninger at være effektivt opblandet og giver den nødvendige energi til at blande mere vanskelige bindemidler såsom xanthangummi i vand. Som slibemiddel karakter af blanding kan forårsage glas urenheder at blande ind i elektroden opslæmningen, bør anvendes glaskugler kasseres således at minimere denne virkning. Den mindste mængde glaskugler nødvendige er afhængig af blanding evne komponenterne i hætteglasset. Der findes imidlertid en øvre grænse på grund af dentab af gylle coating af glaskugler efter blanding. Med for lidt opslæmning eller for mange kugler, vil det ikke være muligt at udvinde nok af elektroden opslæmningen til at kaste en elektrode. Mængden af NMP kræves, er baseret på det totale overfladeareal af partiklerne til stede i den tørre blanding 21. For eksempel, hvis den ønskede tørre vægtforholdet mellem komponenterne blev indstillet med 10% carbon black i stedet for 20% (med 80% NMC og 10% PVDF), en signifikant lavere mængde NMP ville være påkrævet: 2,0 ml (med en tørt pulver masse på 1 g). Endvidere med en sammensætning på 94% aktivt materiale, 3% ledende additiv og 3% bindemiddel, 1,5 ml NMP er påkrævet (igen med 1 g tørt pulver masse). Dette skyldes primært, at Brunauer-Emmet-Teller (BET) overfladeareal kønrøg er meget højere end for de øvrige komponenter. Således bestemmelse af det relevante indhold af opløsningsmidler i den indledende blandetrin skal nøje bestemt, når der arbejdes med nye ønskede ark compositions. Den ideelle viskositet observeres for kompositionen her bemærkes, er 0,11 Pa · sek. Det skal bemærkes, at sammensætningen af det udnyttede elektrode ark bør justeres til at passe de specifikke behov og resultater af de anvendte materialer. Typisk er en højere aktivt materiale indholdet anvendes til at reducere mængden af inaktive materiale til stede i elektroderne. Men kompromiser eksisterer i form af celle ydeevne ved øgede priser.
Selv med en perfekt opslæmning er det muligt at opnå en dårlig elektrode ark på grund af vedhæftning til strømaftageren. Under fremstillingsprocessen, er aluminiumsfolien belagt med et tyndt lag af olie for at forhindre selv-adhæsion, når rullende materialet. Hvis ikke ordentligt rengjort, vil dette tilbageværende rest reducere elektroden vedhæftning. Under rengøring, skal der tages ekstra vægt til at sikre renholdelse af elektroden substrat. Den rækkefølge, som arket rengøres (støbning side, så knappen sideEfterfulgt af støbning) er at sikre, at overfladen af støbningen er så rene som muligt. Der bør udvises omhu for at papirservietter, der er blødt nok (og tilstrækkeligt fri for fnug), således at overfladen af strømaftageren ikke deformeres og forbliver fri for overflade grubetæring. Elektroden afskalning vist i figur 3A repræsenterer den resulterende vedhæftning fra at udnytte en ukorrekt renset substrat. Dette kan ske fra ikke skrubbe nok (og således resulterer i dårlig befugtelighed) eller skrubbe for hårdt (hvilket kan resultere i visuelt observerbare fordybninger i underlagets overflade). Den her anvendte metode ætsning er tilstrækkelig til god vedhæftning med det ikke-vandige opløsningsmiddel og bindemiddel anvendes. Forskellige bindemidler og opløsningsmidler kan kræve alternative metoder til at opnå vedhæftning, såsom koronaudladning eller præ-varmebehandling af strømaftageren. For eksempel, selv om strømmen af DI vand over overfladen af elektroden med minimal recession og lav vådeTing vinkel indikerer et tilstrækkeligt støbning overfladen, forudsat befugtningsevne ikke er tilstrækkelig til vandig behandling.
Et skridt, der ofte betales lidt opmærksomhed er elektrode tørring. Her den endelige mikrostruktur af cellen er angivet som opløsningsmidlet fordamper. Den lodrette vandring af mobile elektrode bestanddele (bindemiddel og additiver) kan forårsage en vertikal fordeling af disse materialer til at udvikle 22. I praksis hurtig fordampning af opløsningsmidlet fra resultaterne elektrodeoverfladen i aflejring af koncentreret bindemiddel (stede i den flydende opløsning af opløsningsmiddel) og carbon (den ledende additiv) ved overfladen af elektroden. Selv om denne effekt forekommer ved enhver tørring hastighed, ved højere satser er der ikke tilstrækkelig tid til omfordeling af disse komponenter via diffusion. De to-trins tørringsproces muliggør jævn afdampning af frie opløsningsmiddel efterfulgt af afdampning af opløsningsmidlet fanget inde i mikrostrukturen under ovnentørretrin.
Ved konstruktion af knapcellebatteri, skal der drages omsorg for at sikre, at anoden og katoden nøje er afstemt i cellen. Her er en lidt større diameter anode udnyttes for at muliggøre en fejlmargin på placering. Afstandsstykket og bølgefjederen i cellen tjene til at forøge tykkelsen af de interne komponenter, således at en komplet kredsløb dannes. Også afgørende for dette kredsløb er elektrolytten, hvorigennem Lithium-ioner rejse. Med den givne formfaktor findes en stor mængde af tomme rum i cellen. Det er således muligt at have en ujævn mængde elektrolyt til stede i cellen. Fuldt iblødsætning cellen sikre, at ingen eller minimal lommer af argon eksisterer, der kan forstyrre fordelingen af elektrolyt i sandwich.
Under elektrokemisk karakterisering, kan enten galvanostatisk (som anvendes her) eller potentiostatisk cykling udnyttes. Under galvanostatisk ladning / aflade current holdes konstant, og cellen anses som opladet eller afladet efter at have nået en øvre eller nedre potentiel grænse. Denne potentielle begrænsning er afhængig af det aktive materiale udnyttes. Opladning eller afladning det aktive materiale ud over disse begrænsninger kan resultere i nedbrydning. Under potentiostatisk ladning / afladning spændingen holdes konstant, mens den aktuelle varierer. En ulempe ved potentiostatisk cykling er yderligere tid, der kræves for den aktuelle at slippe væk til den nedre grænse. Dette og de ønskede cykling satser skal konfigureres baseret på den ønskede information og materiale udnyttes. Protokollen er anført heri, er en generel protokol formål, men måske ikke passer til alle behov.
Denne teknik giver en metode til oprettelse af elektrode plader og mønt celler i en præcist styret måde, der er egnet til reproduktion i akademisk eller industriel forskning indstilling. De grundlæggende elementer i denne teknik kan udnyttes som grundlag for skabe elektrode plader til større batteri formfaktorer, vandig behandling og forskellige celle kemier og kompositioner, selv om specifikke fase skal muligvis optimeres. Denne teknik er begrænset til skabelsen af tilpassede elektroder (positive eller negative), hvor den endelige fordeling af materialer (selvom måske ensartet inden for domæne) er stokastisk. Derudover vil oprettelsen af celler med større formfaktorer kræver ændringer af elektroden størrelse producerede (større støbning ark) og cellekomponenterne udnyttet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dette arbejde er støttet af Texas A & M University fakultet forskning indledning tilskud (Mukherjee) og Texas State University opstart finansiering (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).
