Introduction
Lithium-ion batterijen een veelbelovende bron aan de steeds toenemende eisen van energiereservoirs 1-4 vervullen. Verbetering van de capaciteit van LIBs zou niet alleen het effectieve bereik van elektrische voertuigen 5,6, maar ook hun levensduur verbeteren door de ontlading, die op zijn beurt de levensvatbaarheid van LIBs voor gebruik in energieopslagtechniek toepassingen 7.
Oorspronkelijk voor gehoorapparaten in 1970 8 worden knoopcellen tegenwoordig algemeen gebruikt in de ontwikkeling en evaluatie van nieuwe en bestaande elektrodematerialen. Als een van de kleinste vormfactoren voor batterijen, deze cellen vormen een eenvoudige en effectieve manier om de batterijen te maken in een wetenschappelijk onderzoek instelling. Een typische Lithium-Ion batterij bestaat uit een kathode, anode, stroomcollectoren, en een poreuze separator, dat kortsluiting van de anode en kathode voorkomt. Tijdens de operatie van een Lithium-Ion batterij, ions en elektronen zijn mobiel. Tijdens het lossen, ionen reizen van de negatieve elektrode (anode) door de poreuze separator en in de positieve elektrode, of kathode. Ondertussen elektronen door de stroomafnemer, over het externe circuit tenslotte recombineren met de ionen aan de kathode zijde. Om eventuele weerstanden verbonden aan ionen en elektronen overdracht beperken, moeten de componenten juiste oriëntatie - de afstand ionen reizen moet worden geminimaliseerd. Typisch deze componenten worden gecombineerd een "sandwich" configuratie. Batterijen gebruikt in elektrische voertuigen, mobiele telefoons en consumentenelektronica bestaan uit grote sandwiches die spiraalvormig zijn gewikkeld of gevouwen, afhankelijk van de vorm factor van de batterij. Deze types van cellen kunnen zeer moeilijk te vervaardigen op kleine schaal zonder hoge kosten. In een munt cel is er slechts één sandwich in de cel. Hoewel gespecialiseerde apparatuur is nog steeds nodig om de elektroden te creëren i n munt cellen, de cellen zelf kunnen snel worden met de hand geassembleerd en verzegeld in een gecontroleerde omgeving.
De prestaties van de batterijen, ongeacht het type, afhankelijk van de materialen die de positieve en negatieve elektrode, de keuze van de elektrolyt en de celarchitectuur 4,9-13 vormen. Een typische LIB elektrode bestaat uit een combinatie van Li-bevattend actief materiaal, geleidend additief polymeer bindmiddel en holle ruimte die is gevuld met een elektrolyt. Elektrode verwerking kan worden georganiseerd in vijf stappen: droge poeder mengen, nat mengen, voorbereiding van de ondergrond, film applicatie en drogen - een stap die vaak wordt gegeven weinig aandacht. Bij het produceren van een elektrode met deze verwerkingsstappen, het einddoel is om een uniforme elektrodefilm bestaande uit het actieve materiaal, geleidend additief, bindmiddel bereiken. Deze gelijkmatige verdeling is van cruciaal belang om optimale prestaties van LIBs 14-18.
nt "> Deze gids geeft de stappen gebruikt bij Texas A & M in de Energie en Transport Sciences Laboratory (ETSL) en Texas State University om coin cellen produceren voor de evaluatie van nieuwe en bestaande elektrode materialen. Naast de basisstappen gevonden gedocumenteerd in vele bronnen , hebben we onze eigen expertise op kritieke stappen opgenomen, en merkt belangrijke details die vaak weggelaten uit gelijkaardige methodes documenten en vele publicaties. Daarnaast is de primaire fysieke en elektrochemische methoden gebruikt in ons lab (galvanostatic fietsen en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS)) worden opgehelderd binnen.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Voorzichtigheid is geboden bij het gebruik van een van de oplosmiddelen, reagentia, of droge poeders gebruikt in dit protocol. Lees alle MSDS bladen en passende veiligheidsmaatregelen te treffen. Standaard veiligheidsuitrusting omvat handschoenen, een veiligheidsbril en een laboratoriumjas.
1. Cathode Voorbereiding
Opmerking: Het schematisch overzicht van de kathode fabricageproces is weergegeven in figuur 1.
Figuur 1. Schematische weergave van de stappen die gebruikt in de ETSL naar kathoden te maken. Het belangrijkste proces omvat de bereiding en het gieten van de elektrode slurry op een gereinigde aluminium substraat, gevolgd door drogen van de elektrode plaat en opname in knoopcellen. Klik hier om bekijk een grotere version van dit cijfer.
- Aluminium Voorbereiding van de ondergrond
- Snijd een 4,5 "met 12" vel van 15 micrometer dik aluminium (Al) folie met een papieren mes of schaar.
- Spray aceton op het oppervlak van een schone plastic bord om de folie aan de raad houden en plaats de folie vel op het bord.
- Spuit een ruime hoeveelheid aceton op het oppervlak van de folie en beginnen het gehele oppervlak met een scotch pad met kleine halve cirkel bewegingen schrobben. Spray extra aceton op het oppervlak en veeg resten met een papieren handdoek.
- Herhaal de stappen 1.1.2-1.1.3 voor de andere kant en herhaal nog een keer voor het gieten kant.
- Was geëtst Al blad met gedeïoniseerd (DI) water op gieten zijde eerst, dan flip en herhaal met de andere kant. Re-schrobben het oppervlak van de Al folie als DI water displays slechte bevochtigbaarheid en stroomt niet uit het oppervlak van de plaat, zonder de vorming van druppels. Herhaal spoelen met isopropylalcohol.
- Breng de gereinigde Al plaat tussen twee papieren handdoeken en laten drogen voor ongeveer 20 minuten onder druk tussen de twee platte vlakken en papieren handdoekjes.
- Drijfmest Voorbereiding
- Kies de gewichten van werkzame materiaal geleidend additief en bindmiddel op basis van de gewenste samenstelling van de elektrodeplaat. Kies een totale droge poeder gewicht van 1,25 g, met 70 gew% lithium-mangaan-kobalt-oxide, Lini 1/3 1/3 Mn Co 03/01 O 2 (NMC, actief materiaal), 20 gew% roetzwart (geleidende additief) en 10% polyvinylideendifluoride (PVDF, bindmiddel).
- Meet 0,875 g NMC en 0,25 g roet en plaats in een agaat mortier en stamper. Lichtjes van de materialen bij elkaar te mengen zonder slijpen. Nadat een mengsel begint te vormen, molen met de hand in een mortier en stamper gedurende 3-5 min, totdat een gelijkmatige poeder visueel waargenomen.
- Breng het gemengde poeder in een wegwerp mengbuismet een stuk papier te wegen. Voeg 16 glazen kogels (6 mm diameter) om het poeder, samen met 5,5 ml 1-methyl-2-pyrrolidinon (NMP), het niet-waterige oplosmiddel.
- Plaats de wegwerp buis op de buis schijf station en vastklikken. Schakel de drive in en langzaam te verhogen tot de maximale snelheid. Laat inhoud te mengen gedurende 15 min.
- Voeg 1,25 g van een 10% PVDF in NMP oplossing rechtstreeks aan de buis. Plaats de buis terug naar het station en laten mengen gedurende 8 min, volgens dezelfde procedure 1.2.4. Indien de buis Men laat langer dan 5 minuten voor het gieten (onder), meng de inhoud gedurende nog 15 min.
- Gieten en drogen
- Reinig het metalen oppervlak van de automatische film applicator met isopropyl alcohol en een papieren handdoek. Zorg ervoor dat de rakel is schoon, en is ingesteld om de gewenste casting hoogte (200 pm).
- Breng een laag isopropylalcohol om het oppervlak van de film applicator en plaats de dried aluminiumsubstraat glimmende kant naar beneden op het oppervlak. Druk het overtollige isopropylalcohol met een gevouwen papieren handdoek totdat alle rimpels en isopropyl worden verwijderd. Zorg om te voorkomen dat scheuren het substraat door stevig vast te houden een van de ondergrond in de plaats.
- Verwijder de mengbuis van de metro station en de container te openen. Giet de suspensie op het oppervlak van het substraat in een 3/2 inch lijn ongeveer 1 duim van de bovenste (eerste casting zijde) van het substraat. Verwijder eventuele glazen bollen van het vel met schone metalen pincet.
- Stel de casting snelheid tot 20 mm / sec, en activeer de casting arm van de film applicator.
- Neem de cast elektrode uit het oppervlak van de film applicator met een dun stuk karton te zorgen geen rimpels gevormd op het vel.
- Laat de elektrodenplaat drogen 16 uur bij kamertemperatuur (~ 24 ° C), gevolgd door drogen bij 70 ° C ~ 3 uur of totdat de plaat droog is. Zorg ervoor dat de elektrode is milieuvriendelijk geïsoleerd in een fume kap of afgesloten kamer voor niet-uniforme uitdroging te voorkomen.
- Kathode-elektrode Ponsen
- Plaats de gedroogde elektrode plaat op een schoon blad van aluminium. Neem een ½ "perforator en plaats het voorzichtig op een gebied van het vel met een uniform oppervlak (randen kunnen niet-uniforme verschijnen). Langzaam druk uitoefenen op de stempel (met de hand) en" roll "de druk rond de randen van de punch te zorgen voor een schone snede.
- (Alternatief) Knip een elektrode-schijf met behulp van een precieze schijf mes in plaats van handmatige perforeren.
- Verwijder de elektrode uit het vel met schoongemaakt plastic pincet en plaats deze in een gemerkte flacon en het elektrode-oppervlak naar boven. Herhaal tweemaal.
- (Optioneel) Plaats een geperforeerd elektrode op het oppervlak van het lab pers. Oefen druk van ongeveer 4 MPa (de optimale druk zal variëren op basis van de pers gebruikt). Herhaal voor de resterende elektrodes.
- Plaats de flesjes in een vacuum oven en laat de elektroden verder drogen bij 120 ° C in -0,1 MPa gedurende 12 uur om eventueel achtergebleven vocht te verwijderen. Na, verwijder de elektroden en wegen binnen 0,0001 g.
- Open de voorkamer van het dashboardkastje en plaats de flesjes op de lade. Sluit de kamer de deur en zorgen voor een goede afdichting door met twee vingers te antichambre luik scherpen.
- Breng het vacuüm tot -0,1 MPa, en vervolgens vullen met Argon. Herhaal dit proces 1-2 keer, afhankelijk van de in de glovebox vervoerde monsters.
2. Anode Blad voor Full Cell
- Herhaal hoofdstuk 1, behalve met behulp van 9 pm dikke koperfolie als substraat in plaats van aluminiumfolie. De samenstelling van de laag kan worden aangepast aan specifieke behoeften.
3. Coin Cell Pre-assemblage
Let op: De bouw van de munt cellen wordt uitgevoerd in een inert (Argon) omgeving binnen een dashboardkastje. Extreme voorzichtigheid moeten worden genomen om blootstelling van het interne milieu uitwendige atmosfeer te minimaliseren. Werk met scherpe materialen in het dashboardkastje moet worden geminimaliseerd indien mogelijk. Als algemene regel geldt dat een taak binnen de glovebox 3 maal langer is dan de snelheid waarmee de taak buiten worden uitgevoerd nemen. Handschoenen moet ook worden gedragen over het dashboardkastje handschoenen om blootstelling te minimaliseren bij het werken met verschillende stoffen.
Opmerking: De componenten die nodig zijn voor de constructie van de knoopcel, waaronder de kap geval golfveren, pakkingen, spacers, lithium lint, elektrolyt en overige hulpmiddelen zoals plastic pincetten (voor component placement) zijn opgenomen in een argon gevulde handschoenenkast met O 2 en H 2 O niveaus onder 0,5 delen per miljoen gehandhaafd. Alle componenten ingebracht in de glovebox (inclusief pluisvrije reinigingsdoekjes task) te verwarmen O / N in een vacuümoven bij 120 ° C bij een druk van -0,1 MPa om eventuele verwijderenvocht.
- Tegenelektrode Bereiding
- In het dashboardkastje, verwijderen lithium lint (0,75 mm dik) van verzegelde container en de uitrol van een deel op het oppervlak van een kunststof blok. Met behulp van een scheermesje, voorzichtig schrapen weg te zwart-gekleurde oxidatie van de folie oppervlak. Neem uiterst voorzichtig om te voorkomen dat het snijden van de handschoenen.
- Neem een 9/16 "gat punch en punch van een schijf van de lithium lint. Gebruik een vinger (gescheiden van het lithium door rubberhandschoenen binnen dashboardkastje) of andere bot instrument om de lithium schijf duwen van de punch.
- Neem een 0,5 mm dikke spacer en voorzichtig toepassing van de lithium-schijf naar het oppervlak tussen de vingers. Controleer of de lithium disc vast aan het midden van de afstandhouder en vlak - een oneffen oppervlak ongelijkmatig stroomverdelingen veroorzaken.
- Elektrolyt Voorbereiding
- Bewaar de elektrolyt naar keuze (in dit geval 1 M LiPF6 in EC / december 1: 1 in volume) metin de glovebox allen tijde in een aluminium houder, als elektrolyt is lichtgevoelig.
- Verwijderen van een kleine hoeveelheid elektrolyt uit de broncontainer in een werkhouder.
- Celgard Separator Voorbereiding
- Plaats een vel van het separatormembraan tussen een gevouwen vel printerpapier. Plaats de gevouwen papier membraan op een vel aluminium.
- Plaats een dempende laag bovenop de perforator en het gebruik van een hamer te slaan uit een ¾ "diameter separatormembraan.
- Breng de geponste afscheider discs in het dashboardkastje gebruik te maken van de in 1.4.6-1.4.7 procedures.
Opmerking: Het wordt aanbevolen om deze stap in bulk uit te voeren om te vermijden dat punch uit individuele afscheiders voor ieder knoopcel wordt gebouwd.
4. Coin Cell Assembly
Opmerking: De configuratie van de munt celin figuur 2.
Figuur 2. Coin cel componenten weergegeven in de volgorde van plaatsing in de cel. Plaatsing van de kathode wordt gevolgd door de afscheider, pakking, tegenelektrode en golf lente, gevolgd door het afdichten van de cel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken .
- Open het interieur antichambre deur. Trek alle onderdelen binnen de antichambre in het dashboardkastje en sluit het interieur antichambre deur.
- Plaats een knoopcel geval in een kleine wegen boot. Plaats de kathode naar het centrum van de munt celgeval. Breng 1-2 ~ 30 ul druppels elektrolyt naar het midden van de elektrode en 1 druppel aan weerszijden van de rand van de behuizing passen.
- Plaats een ¾ "separator ophet oppervlak van de elektrode. Force eventuele luchtbellen die vast komen te zitten met de platte kant van een pincet, en opnieuw het centrum van de kathode door grijpen de zaak door de lip en licht de elektrode te tikken op zijn plaats. Breng een extra 1-2 druppels elektrolyt om een betere beweging van de elektrode vastzittend zijn oorspronkelijke positie.
- Plaats de pakking in de behuizing, met de platte kant naar beneden en de lippen naar boven. Bevestigen de oriëntatie van de pakking door te oordelen tegen het licht voorafgaand aan de cel inbrengen.
- Breng 2-3 ~ 30 ul druppels elektrolyt naar het midden van de cel, en plaats de voorbereide tegenelektrode op het midden van de lithium naar beneden. Plaats de golfveer bovenop de gecentreerde tegenelektrode.
- Vul de cel rand (~ 0,7 ml) met elektrolyt totdat het een gekromd convex meniscus dat de meeste golfveer oppervlak bedekt vormt.
- Plaats de knoopcel dop voorzichtig bovenop de cel gebruikmaking tHij pincet om de dop verticaal gecentreerd in de cel te houden. Verzorgen de dop te centreren om overmatig verlies van elektrolyt te voorkomen.
- Druk de dop omlaag (met de hand) tot het zet in de lip van de pakking. Breng de cel om de tang en ervoor zorgen dat de cel is gecentreerd in de groef van het krimpen sterven. Krimp de cel tot een druk van ~ 6,2 MPa (900 psi) en afgifte.
- Verwijder de cel van de tang (met de hand), en reinig overtollige elektrolyt. Herhaal stappen 4.2- 4,9 tot alle gewenste cellen geconstrueerd. Reinig eventueel gemorste elektrolyt, plaatsen afval in een geschikte container. Breng de cellen uit het dashboardkastje en te labelen.
5. elektrochemische Evaluatie
- Sluit de schoongemaakte cellen aan de batterij cycler. Zorg ervoor dat de aansluitingen correct zijn aangesloten door het meten van de open circuit potentieel. Indien niet positief, keren de aansluitingen.
- Bereken de gewenste stroom op basis van het gewicht van de gedroogde electrode op het oppervlak van het aluminiumsubstraat, de bekende massa van het aluminium, het actieve materiaal gewichtspercentage, en de nominale capaciteit van het specifieke actieve gebruikte materiaal.
- Met een gemeten elektrode massa van 0,0090 g, aluminium schijf massa van 0,0054 g, en de nominale capaciteit van 155 mAh / g, bepalen de gewenste stroom als (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh / g = 0,3906 mAh. Voor de afvoer als nodig is om volledig te ontladen van de cel in 1 uur (1C) stroom, de toegepaste stroom 0,3906 mA.
- Stel het schema op de cycler te laden / ontladen van de cel tussen de bovenste en onderste spanningsniveau van 4,2 V en 2,8 V. Cycle de cellen 4 maal bij een snelheid van C / 10 (galvanostatische constante stroom). Aanrekenen dan de cel eenmaal op C / 10.
- Na de 5 e C / 10 lading, verwijdert de cel van cycler (indien nodig) en het uitvoeren van elektrochemische impedantiespectroscopie 19 (EIS) op de cel, nadat men het mengsel 1 uur. Plaats de cel terugop de cycler en afvoer bij C / 10. Voer EIS nogmaals Nadat men het mengsel 1 uur.
- Plaats de cel weer op de fietser en de cyclus van de cel 5 keer op de tarieven van de C / 5, C, 2C, 5C en 10C, gevolgd door 100 1C cycli.
- Bepaal de specifieke capaciteit van de cellen bij elke C-rate van de capaciteit in mAh delen door de massa van het werkzame materiaal in de kathode. De retentiecapaciteit Bereken het gemiddelde specifieke vermogen van de laatste 5 1C cycli te delen door het gemiddelde specifieke vermogen van de eerste 5 cycli 1C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een goed gegoten elektrode plaat moet uniform verschijnen in uiterlijk van het oppervlak en goed houden aan de huidige inzamelaar. Typisch schilferen van de elektrodeplaat wordt veroorzaakt door slechte etsen van het substraat of met weinig NMP in de eerste mengtrap. Alternatief kan teveel NMP het vel veroorzaken een hogere poreusheid, wat niet wenselijk is weergegeven. Tenslotte kan een derde patroon worden waargenomen op het elektrodeoppervlak, waarbij pooling blijkt plaats te vinden. Interacties met de omgevingscondities van de kamer (vochtigheid, temperatuur en eventuele luchtverplaatsing) zijn de meest waarschijnlijke oorzaken van dit probleem. Isolatie in een zuurkast kan dit gedrag te voorkomen. Deze scenario's is te zien in figuur 3.
De knoopcel moet worden weergegeven zoals getoond in figuur 4, zonder gebroken randen. Wanneer de cel niet goed afgesloten, blootstelling aan de atmosphere zal leiden tot zwelling van de lithium, die zal leiden tot de cel tot pop geopend. Het is ook mogelijk om de cel te verpletteren bij het krimpen. Wordt de persdruk voorkomen moet worden geoptimaliseerd voor de gekozen tang en celcomponenten.
Scanning elektronenmicroscoop (SEM) beeldvorming van het elektrodeoppervlak (Figuur 5) toont de complexiteit van een kathode gebruikt in de constructie van een knoopcel. De grote deeltjes voorbeeld het actieve materiaal. Het resterende materiaal is een combinatie van PVDF en roet.
De structuur zelf is stochastisch karakter, maar juiste bewerking beïnvloedt de verdeling van deeltjes in het vel. Het drogen kan een slechte verdeling van bindmiddel en geleidende additieven die een negatieve cel prestaties kunnen beïnvloeden veroorzaken. Getoond in figuur 6 zijn representatief fietsen resultaten voor een plaat die ook werd gedroogdsnel en een plaat die goed werd gedroogd met gebruikmaking van de twee fasen voorgesteld.
Deze fietsen gegevens stelt ons in staat om de prestaties (in termen van bepaalde capaciteit) van de cellen bij verschillende bekijken, en stelt ons in staat om te kijken naar het vasthouden van capaciteit na uitgebreide fietsen. Discharge krommen zoals die getoond in Figuur 7 kan worden gebruikt om de specifieke energie van de cellen, die wordt bepaald als het gebied onder de ontlaadcurve bekijken.
De EIS gegevens van de cellen in kwestie kan worden gebruikt voor het verder karakteriseren van de cellen. Een representatieve EIS spectrum is te zien in figuur 8.
Bij het vergelijken EIS spectra, twee primaire componenten (een lege cel) zijn (i) hoge frequentie halve cirkel, en (ii) de lage frequentie staart. De helling van de staart geeft weerstand wegensdiffusie, en de halve cirkel vertegenwoordigt een aantal weerstanden vanwege weerstand voor laden en diverse andere bijdragen, afhankelijk van het frequentiebereik. Bij de verschillend gedroogde elektroden, de snel gedroogde vel een grotere straal aangeeft hoger ladingsoverdracht weerstand.
Representatieve resultaten voor de invloed van de porositeit en de dikte elektrode bovendien hierna in Figuur 9 getoond.
Een dunnere plaat zorgt voor kortere diffusie-afstanden en de porositeit kan worden geoptimaliseerd om daarnaast een efficiëntere overdracht. Het is echter belangrijk te erkennen dat deze parameters niet absoluut, aangezien tradeoffs zal bestaan 19,20. De casting dikte, brij viscositeit en samenstelling, en de mate van kalanders hebben een directe impact op de porositeit en de dikte van een vel. Dus door zorgvuldig MANIPregelklep de stappen in dit document, kunnen microstructurele kenmerken worden gecontroleerd.
Figuur 3. Elektrode vellen: (A) te weinig NMP, (B) te veel NMP, en (C) met niet gelijkmatige droging. Elk resultaat staat in slechte mechanische stabiliteit en verminderde elektrochemische prestaties als gevolg. Typisch schilferen van de elektrodeplaat wordt veroorzaakt door slechte etsen van het substraat of met weinig NMP in de eerste mengtrap (a). Alternatief kan teveel NMP het vel veroorzaken een hogere poreusheid, wat niet wenselijk is (b) weergegeven. Ten slotte kan een niet-uniform oppervlak kan verschijnen die lijken op materiële pooling tijdens het drogen (c). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. Coin cel die correct is gekrompen (links) en incorrect gekrompen (rechts). Een verkeerd gekrompen cel zal merkbaar worden geopend onmiddellijk na krimpen of kan pop over enkele uren later. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken .
Figuur 5. SEM beeld van het oppervlak van uncalendered NMC kathode. Het actieve materiaal (NMC) kan worden gezien als het grote bolvormige deeltjes (~ 10 urn diameter) met het bindmiddel / additief (PVDF / carbon black) samengesteld rondom de actieve materiaaldeeltjes . De schaal van de linker afbeelding is 50 pm en is de juiste is10 micrometer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. Fiets gegevens getoond van een elektrode te snel (oneigenlijk) gedroogd en een lager tarief gebruikmaking van een tweetraps droog. De specifieke capaciteit van de cellen bij snelheden van C / 10, C / 5, C, 2C, 5C en 10C gevolgd door lange termijn fietsen op 1C. De cellen werden gefietst bij kamertemperatuur (~ 22 ° C) met cellen bestaande uit NMC - Li cellen met het materiaal beladingen weergegeven in het protocol. C-tarief wordt bepaald ten opzichte van de nominale capaciteit van de NMC, ongeveer 150 mAh / g. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
thin-page = "1"> 
Figuur 7. Discharge curve getoond van een elektrode te snel (oneigenlijk) gedroogd en een lager tarief gebruikmaking van een tweetraps droog. De afvoer curves voor prijzen van 1C en 5C getoond. De specifieke energie van de cel kan worden bepaald als het gebied onder de ontlading curve. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8. Voorbeeld EIS spectrum voor een scanning frequentiebereik van 1 MHz tot 100 MHz. Gegevens worden getoond na het 5e C / 10 afvoer voor dezelfde gevallen die in de figuren 7 en 8.e.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9. Effect van dikte elektrode (A) en porositeit (B) op lossingsprestaties. Elk van deze parameters kan worden gewijzigd door regeling van de stappen die in deze techniek (kalanderen, gieten dikte suspensie viscositeit, etc.). Klik hier voor een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het optimaliseren van de natte mengtrappen zijn cruciaal voor de suspensie viscositeit en coating vermogen, die van invloed op de uniformiteit en adhesie van de elektrode. Hier een high-shear mixing methode wordt gebruikt, waarbij het oplosmiddel, additieven, bindmiddel en actieve materiaal worden gemengd met gebruikmaking van de kinetische bewegingen van de glazen bollen in de flesjes. Dit mengtechniek biedt het voordeel van veel snellere mengtijden in vergelijking met een magnetische roerder methode. Afgezien van deze, deze hoge afschuiving mengen zorgt voor meer viskeuze oplossingen effectief worden gemengd en levert de energie die nodig is moeilijker bindmiddelen mengen zoals xanthaangom in water. Zoals de schurende aard van het mengen kan het glas onzuiverheden te mengen in de elektrode slurry, moet gebruikte glazen bollen worden weggegooid om dit effect te minimaliseren. De minimumhoeveelheid glazen kogels nodig is afhankelijk van het vermogen mengen van de componenten binnen het flesje. Echter, een bovengrens bestaat als gevolg van deverlies van slurry coating het glas kogels na het mengen. Met te weinig of te veel slurry ballen, zal het niet mogelijk zijn voldoende van de electrode slurry met een elektrode uitgebrachte extraheren. De hoeveelheid NMP nodig is gebaseerd op het totale oppervlak van de in het droge mengsel 21 deeltjes. Bijvoorbeeld, als de gewenste droge gewichtsverhouding van componenten werd bijgesteld tot 10% roet bevatten in tegenstelling tot 20% (met 80% NMC en 10% PVDF), een significant lagere hoeveelheid NMP vereist zou zijn: 2,0 ml (met een droog poeder massa van 1 g). Verder, met een samenstelling van 94% actief materiaal, 3% geleidende toevoegsel en 3% bindmiddel, 1,5 ml NMP nodig (opnieuw met 1 g droge poedermassa). Dit dankt hoofdzakelijk dat de Brunauer-Emmet-Teller (BET) oppervlak van carbon black is veel hoger dan die van de overige componenten. Dus de bepaling van de juiste oplosmiddelgehalte in de eerste mengtrap moeten nauwkeurig worden bepaald bij het werken met nieuwe gewenste blad compositions. De ideale waargenomen viscositeit van de compositie hierin opgemerkt 0,11 Pa-sec. Opgemerkt wordt dat de samenstelling van de gebruikte elektrodenplaat moet worden aangepast aan de specifieke behoeften en de prestaties van de gebruikte materialen passen. Typisch wordt een hoger gehalte aan actief materiaal gebruikt om de hoeveelheid inactief materiaal aanwezig verminderen elektroden. Echter afwegingen bestaan op het gebied van mobiele prestaties tegen hogere tarieven.
Zelfs met een perfecte suspensie is het mogelijk om een slechte elektrodeplaat te verkrijgen als gevolg van de hechting aan de stroomafnemer. Tijdens het fabricageproces wordt de aluminiumfolie bekleed met een dun laagje olie zelfkleving tijdens het rollen van het materiaal te voorkomen. Zo niet goed schoongemaakt, dit achterblijvende residu elektrode hechting verminderen. Tijdens het reinigen, moet extra nadruk worden genomen tot het waarborgen van de netheid van de elektrode substraat. De volgorde waarin de plaat is schoongemaakt (casting kant, dan zijknoopGevolgd door casting) is dat het aandrukoppervlak zo schoon mogelijk. Zorg moet worden genomen om papieren handdoeken die zacht genoeg is (en voldoende vrij van pluizen) zodanig dat het oppervlak van de stroomafnemer niet vervormd is en blijft van putcorrosie zijn gebruikt. De elektrode schilferen weergegeven in figuur 3A representeert verkregen hechting van een onjuist gebruik gereinigd substraat. Dit kan ontstaan door onvoldoende wassen (en dus resulteert in een slechte bevochtigbaarheid) of schrobben te hard (wat kan leiden tot visueel waarneembare putjes in het substraatoppervlak). De etsmethode hier gebruikt is voldoende voor een goede hechting met het niet-waterige oplosmiddel en bindmiddel gebruikt. Verschillende bindmiddelen en oplosmiddelen kunnen alternatieve methoden hechting, zoals corona ontlading of pre-warmtebehandeling van de stroomafnemer vereist. Hoewel bijvoorbeeld de stroming van DI water over het oppervlak van de elektrode met minimale recessie en lage natteting hoek geeft voldoende aandrukoppervlak, mits de bevochtigbaarheid niet voldoende voor waterige verwerking.
Een stap die vaak weinig aandacht is elektrode drogen. Hier de uiteindelijke microstructuur van de cel wordt ingesteld als het oplosmiddel verdampt. De verticale migratie van mobiele elektrode bestanddelen (bindmiddel en additief) een verticale verdeling van deze materialen te ontwikkelen 22 veroorzaken. In de praktijk snelle verdamping van het oplosmiddel uit het elektrodeoppervlak resulteert in de afzetting van geconcentreerde bindmiddel (in de vloeibare oplossing van oplosmiddel) en koolstof (het geleidende toevoegsel) aan het oppervlak van de elektrode. Hoewel dit effect na elke droogsnelheid bij hogere er niet voldoende tijd voor de herverdeling van deze componenten via diffusie. De twee fasen droogproces maakt gelijkmatige verdamping van het vrije oplosmiddel, gevolgd door verdamping van oplosmiddel opgesloten in de microstructuur in de ovendroogstap.
Bij de bouw van de knoopcel, moet ervoor worden gezorgd dat de anode en kathode zorgvuldig binnen de cel zijn uitgelijnd. Hier wordt een iets grotere diameter anode gebruikt om te zorgen voor een foutenmarge in plaatsing. De afstandhouder en golfveer in de cel dienen om de dikte van de interne componenten te verhogen, zodat een volledige circuit wordt gevormd. Ook kritisch voor dit circuit is de elektrolyt, waardoor de lithium-ionen reizen. Met de gegeven vormfactor een grote hoeveelheid lege ruimte bestaat binnen de cel. Aldus is het mogelijk om een ongelijke hoeveelheid elektrolyt aanwezig zijn in de cel. Volledig weken van de cel zodat er geen of minimale zakken argon bestaat die de verdeling van elektrolyt verstoord in de sandwich.
Tijdens elektrochemische karakterisering, kan ofwel galvanostatic (die hier wordt gebruikt) of potentiostatische fietsen worden gebruikt. Tijdens galvanostatic laad / ontlaad de current wordt constant gehouden en de cel wordt beschouwd als opgeladen of na het bereiken van een hogere of lagere potentiële limiet afgevoerd. Dit potentieel limiet is afhankelijk van het actieve materiaal benut. Opladen of ontladen het actieve materiaal buiten deze grenzen kan leiden tot degradatie. Tijdens potentiostatische laden / ontladen van de spanning constant gehouden, terwijl de huidige varieert. Een nadeel van potentiostatische fietsen is de extra tijd die de stroom af te dalen naar de ondergrens. Dit en de gewenste cyclussnelheden moeten worden geconfigureerd op basis van de gewenste informatie en materialen toegepast. Het protocol hierin opgenomen is een algemeen doel protocol, maar kan niet geschikt voor alle behoeften.
Deze techniek biedt een methode voor het creëren van de elektrode platen en munten cellen in een nauwkeurig gecontroleerde manier die geschikt is voor de voortplanting in academische of industrieel onderzoek instelling. De basis van deze techniek kan worden gebruikt als basis for creëren elektrode platen voor de grotere batterij vormfactoren, waterige verwerking, en diverse cel chemie en composities, hoewel specifiek stadium zou moeten worden geoptimaliseerd. Deze techniek is beperkt tot de creatie van aangepaste elektroden (positief of negatief), waar de uiteindelijke distributie van materialen (hoewel misschien uniform binnen het domein) is stochastisch. Bovendien zou het creëren van cellen met grotere vormfactoren modificaties van de elektrodengrootte geproduceerde (groter gietblad) en celbestanddelen gebruikt vereisen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dit werk wordt financieel ondersteund door de Texas A & M University faculteit onderzoek initiatie subsidie (Mukherjee) en Texas State University start-up financiering (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).
