Introduction
סוללות ליתיום-יון מהוות מקור מבטיח למלא את הדרישות ההולכות וגובר של התקני אחסון אנרגיית 1-4. שיפורים ביכולת של Libs לא רק לשפר את הטווח האפקטיבי של כלי רכב חשמליים 5,6, אלא גם לשפר את מחזור החיים שלהם על ידי הפחתת עומק פריקה, אשר בתורו מגדיל את הכדאיות של Libs לשימוש ביישומי אחסון אנרגיית רשת 7.
שימש במקור למכשירי שמיעה בשנתי ה -1970 8, תאי מטבע היום משמשים בדרך כלל בפיתוח וההערכה של חומרי אלקטרודה חדשים וקיימים. כאחד מגורמי הצורה הקטנים ביותר לסוללות, תאים אלה מייצגים דרך פשוטה ויעילה ליצירת סוללות במסגרת מחקר אקדמית. סוללת ליתיום יון טיפוסית מורכבת קתודה, אנודה, אספנים הנוכחיים, ומפריד נקבובי המונע shorting של האנודה והקתודה. במהלך המבצע של סוללת ליתיום-יון, ioNS ואלקטרונים ניידים. במהלך פריקה, יונים לנסוע מהאלקטרודה השלילית (האנודה) באמצעות המפריד הנקבובי ולאלקטרודה החיובית, או קתודה. בינתיים, אלקטרונים לנסוע דרך האספן הנוכחי, מעבר למעגל החיצוני, לבסוף recombining עם היונים בצד הקתודה. על מנת להקטין את כל התנגדויות הקשורים יון והעברת אלקטרונים, הרכיבים צריכים להיות בכיוון נכון - נסיעות יוני המרחק צריכה להיות ממוזערות. בדרך כלל רכיבים אלה משולבים בתצורה "כריך". סוללות משומשות בכלי רכב חשמליים, טלפונים סלולריים, ומוצרי אלקטרוניקה מורכבות מסנדוויצ'ים גדולים שצורה ספיראלית פצע או מקופל, בהתאם לגורם הצורה של הסוללה. של תאי סוגים אלה יכולים להיות קשים מאוד לייצור בקנה מידה קטנה ללא עלויות גבוהות. עם זאת, בתא בגודל מטבע יש כריך אחד בלבד בתוך התא. למרות שציוד מיוחד עדיין יש צורך ליצור את האלקטרודות אני תאי n מטבע, התאים עצמם ניתן להרכיב במהירות ביד וחתום בתוך סביבה מבוקרת.
הביצועים של סוללות, ללא קשר לסוג, תלויים בחומרים היוצרים את האלקטרודה החיובית ושלילית, הבחירה של אלקטרוליט, וארכיטקטורת תא 4,9-13. אלקטרודה LIB טיפוסית מורכבת משילוב של לי-המכיל חומר פעיל, תוסף מוליך, קלסר פולימרים, וחלל הריק שמלא באלקטרוליט. עיבוד אלקטרודה יכול להיות מאורגן לחמישה שלבים עיקריים: ערבוב יבש אבקה, ערבוב רטוב, הכנת מצע, יישום סרט, וייבוש - צעד שניתן לעתים קרובות מעט תשומת לב. כאשר ייצור אלקטרודה באמצעות מדרגות עיבוד אלה, המטרה הסופית היא להשיג סרט אלקטרודה אחיד הכולל את החומר הפעיל, תוסף מוליך, קלסר. התפלגות אחידה זה היא קריטית לביצועים אופטימליים של Libs 14-18.
NT "> מדריך זה מייצג את הצעדים מנוצלים בטקסס A & M באנרגית המעבדה ומדעי התחבורה (ETSL) ובאוניברסיטת מדינת טקסס לייצור תאי מטבע להערכת אלקטרודה חומרים חדשים וקיימים. מעבר לבסיסיים צעדים מצאו מתועד במקורות רבים , יש לנו כלל המומחיות שלנו בשלבים קריטיים, וציין פרטים חשובים שלעתים קרובות נותרים מחוץ מסמכי שיטות דומים ופרסומים רבים. בנוסף, השיטות פיזיות ואלקטרוכימיים העיקריות המשמשות במעבדה שלנו (רכיבה על אופניים וgalvanostatic אלקטרוכימי עכבת ספקטרוסקופיה (EIS)) הם הובהרו ב.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
יש להיזהר בעת שימוש בכל אחד מהממסים, חומרים כימיים, או האבקות יבשות מנוצלות בפרוטוקול זה. קראו את כל גיליונות MSDS ולקחת אמצעי בטיחות מתאים. ציוד בטיחות סטנדרטי כולל כפפות, משקפי מגן, וחלוק מעבדה.
1. הכנת קטודה
הערה: הסקירה סכמטי של תהליך ייצור הקתודה מוצגת באיור 1.
איור 1. סקירה סכמטי של הצעדים מנוצלים בETSL ליצור קתודית. התהליך העיקרי כוללת הכנה ויציקה של תרחיף האלקטרודה על מצע אלומיניום ניקה, ואחרי ייבוש של גיליון אלקטרודה והתאגדות לתאי מטבע. אנא לחץ כאן ל להציג גדול יותר version של נתון זה.
- אלומיניום הכנת תשתית
- חותך 4.5 "על ידי 12" גיליון של 15 מיקרומטר אלומיניום עבה (אל) נייר כסף באמצעות חותך נייר או מספריים.
- ריסוס אצטון על פני השטח של לוח פלסטיק נקי לדבוק נייר ללוח ולאחר מכן למקם את גיליון נייר על הלוח.
- לרסס כמות נדיבה של אצטון על פני השטח של נייר הכסף ומתחיל לקרצף את כל פני השטח באמצעות כרית ויסקי בתנועות חצי העיגול קטנים. ריסוס אצטון נוסף על פני השטח ולנגב את השאריות עם מגבת נייר.
- חזור על שלבי 1.1.2-1.1.3 לצד השני ולאחר מכן לחזור פעם נוספת לצד הליהוק.
- לשטוף חרוט גיליון אל עם מים ללא יונים (DI) על ליהוק הצד הראשון, ולאחר מכן להפוך ולחזור עם צד שני. לשפשף-מחדש את פני השטח של נייר אל כיכולת הרטיבות עניה מציג מים DI ולא זורם מעל פני השטח של גיליון להרכיב בלי טיפות. חזור על שטיפה עם איזופרופילכּוֹהֶל.
- העבר את גיליון אל ניקה בין שתי מגבות נייר ולאפשר לו להתייבש במשך כ 20 דקות מתחת לדחיסה בין שני מטוסים שטוחים ומגבות נייר.
- Slurry הכנה
- בחר את המשקולות של חומר פעיל, תוסף המוליך וקלסר בהתבסס על הרכב הרצוי של גיליון אלקטרודה. בחר במשקל אבקה יבש כולל של 1.25 גר ', עם 70% WT ליתיום מנגן-קובלט-תחמוצת, ציפוי והחי 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC, חומר פעיל), 20% WT פחמן שחורים (מוליך תוסף) ו -10% polyvinylidene difluoride (PVDF, קלסר).
- מדוד את 0.875 גרם של NMC ו0.25 גרם של פחמן שחור ומקום למרגמת אגת ועלי. קל לערבב את החומרים יחד ללא שחיקה. לאחר תערובת מתחילה להיווצר, טחנה ביד במכתש ועלי במשך 3-5 דקות, עד שאבקה אחידה נצפתה חזותית.
- העבר את האבקה המעורבת לתוך צינור ערבוב חד פעמיעם חתיכת נייר לשקול. להוסיף 16 כדורי זכוכית (קוטר 6 מ"מ) לאבקה, יחד עם 5.5 מיליליטר של 1-מתיל-2-pyrrolidinone (תמ"א), הממס בלתי מימי.
- מניחים את הצינור חד פעמי על תחנת כונן צינור ולנעול למקומו. הפעל את הכונן ובלהגדיל לאט למהירות המרבית. לאפשר תוכן לערבב במשך 15 דקות.
- להוסיף 1.25 גרם של PVDF 10% בפתרון תמ"א ישירות לצינור. מניחים את הצינור בחזרה אל הכונן ומאפשר ערבוב במשך 8 דקות, בעקבות אותו ההליך ב1.2.4. אם הצינור מותר לשבת במשך יותר מ 5 דקות לפני היציקה (להלן), לערבב את התוכן עבור 15 דקות נוספות.
- ליהוק וייבוש
- נקה את משטח המתכת של מוליך סרט האוטומטי עם אלכוהול איזופרופיל ומגבת נייר. ודא שלהב הרופא הוא נקי, ומוגדר לגובה הרצוי הליהוק (200 מיקרומטר).
- למרוח שכבה של אלכוהול איזופרופיל אל פני השטח של מוליך הסרט ומקום DRIמצע אלומיניום אד צד מבריק כלפי מטה על גבי המשטח. לחץ החוצה אלכוהול איזופרופיל העודף עם מגבת נייר מקופלת עד שכל הקמטים ואיזופרופיל יוסרו. דואג כדי למנוע את קריעת המצע על ידי החזקת תקיפות אחד של המצע במקום.
- הסר את צינור הערבוב מהכונן הצינור ולפתוח את המכל. יוצקים את slurry על פני השטח של המצע בקו 2-3 אינץ 'כ 1 אינץ' מהחלק העליון (בצד ליהוק ראשוני) של המצע. הסר את כל כדורי זכוכית מגיליון עם פינצטה מתכתית נקייה.
- קבע את מהירות הליהוק עד 20 מ"מ / sec, ולהפעיל את זרוע הליהוק של סרט המוליך.
- הרם את האלקטרודה יצוקה מפני שטח של מוליך הסרט באמצעות פיסת הקרטון דקה כדי להבטיח שאין קמטים להיווצר על גיליון.
- לאפשר גיליון אלקטרודה להתייבש במשך 16 שעות בRT (~ 24 מעלות צלזיוס) ואחרי הייבוש ב 70 מעלות צלזיוס במשך ~ 3 שעות או עד שהגיליון הוא יבש. ודא כי האלקטרודה היא מבודדת לסביבה בפושלי מכסה המנוע או תא אטום כדי למנוע התייבשות לא אחידה.
- קתודת אלקטרודה ביול
- הנח את גיליון אלקטרודה המיובש על גיליון ניקה של מתכת ואלומיניום. קח את ½ "ניקוב חורים ומניח אותו בעדינות על אזור של גיליון עם משטח אחיד (קצוות עשויים להופיע לא אחידים). לאט לאט להפעיל לחצו על האגרוף (ביד) ו" גליל" לחץ סביב הקצוות האגרוף כדי להבטיח חתך נקי.
- (אלטרנטיבי) חותך את דיסק אלקטרודה ניצול חותך דיסק מדויק במקום ניקוב ידני.
- הסר את האלקטרודה מגיליון עם פינצטה ניקתה, פלסטיק ולמקם אותו לתוך בקבוקון שכותרתו, עם משטח אלקטרודה פונה כלפי מעלה. חזור פעמיים.
- (אופציונאלי) מניחים אלקטרודה אגרוף על פני השטח של עיתונות המעבדה. החל לחץ של בערך 4 MPa (הלחץ האופטימלי משתנה בהתאם לעיתונות המנוצלת). חזור לאלקטרודות שנותרו.
- מניחים את הבקבוקונים בVacuאממ ותנור לאפשר את האלקטרודות ליבשה נוספת ב 120 מעלות צלזיוס ב-0.1 מגפ"ס לשעה 12 כדי להסיר כל לחות שנותרה. לאחר, להסיר את האלקטרודות ולשקול אותם בתוך 0.0001 גרם.
- פתח את חדר הקבלה של תא הכפפות ומניח את צלוחיות על המגש. סגור את תא הדלת ולהבטיח חותם חזק על ידי שימוש בשתי אצבעות כדי להדק הפתח חדר קבלה.
- להביא את הוואקום אל -0.1 MPa, ולאחר מכן למלא עם ארגון. חזור על תהליך זה 1-2 פעמים יותר, תלוי בדגימות הועברו לתא הכפפות.
2. גיליון האנודה לסלולרי מלא
- סעיף 1 חזור למעט באמצעות רדיד נחושת עבה 9 מיקרומטר כמצע במקום רדיד אלומיניום. ההרכב של גיליון עשוי להשתנות כדי להתאים לצרכימים ספציפיים.
3. תא מטבע טרום הרכבה
זהירות: הבנייה של תאי מטבע מתבצעת בתוך סביבה (ארגון) אינרטי בתוך תא כפפות. Eיש לנקוט זהירות Xtreme כדי למזער את החשיפה של הסביבה הפנימית לאווירה חיצונית. עבודה עם חומרים חדים בתוך התא הכפפות צריכה להיות ממוזערת במידת האפשר. ככלל, צריכה משימה בתוך התא הכפפות לקחת 3 פעמים יותר מאשר המהירות שבה המשימה הייתה להתבצע מחוץ. כפפות גם צריכה להיות משוחק על כפפות תא הכפפות כדי למזער את החשיפה בעבודה עם חומרים שונים.
הערה: הרכיבים דרושים לבניית תא המטבע, כולל כובע, מקרה, מעיין גל, אטמים, מפרידי, סרט ליתיום, אלקטרוליט ונותר בכלים כגון פינצטה פלסטיק (עבור מיקום רכיב) נמצאת בתוך תא כפפות מילאו-ארגון עם O 2 ו- H 2 O רמות נשמרות מתחת 0.5 חלקים למיליון. כל הרכיבים מוכנסים לתוך תא הכפפות (כולל מגבוני משימה נטול מוך) צריכים להיות מחוממים O / N בתנור ואקום ב 120 מעלות צלזיוס בלחץ של -0.1 מגפ"ס כדי להסיר כללַחוּת.
- הכנת האלקטרודה נגדית
- בתוך תא הכפפות, להסיר סרט ליתיום (0.75 מ"מ עובי) מיכל אטום ולרדד חלק על פני השטח של בלוק פלסטיק. באמצעות סכין גילוח, לגרד בזהירות כל חמצון שחור בצבע ממשטח נייר. קח בזהירות רבה כדי להימנע מחיתוך הכפפות.
- קח "אגרוף חור 9/16 ואגרוף החוצה דיסק של סרט ליתיום. השתמש באצבע (הופרדה מליתיום ידי כפפות גומי בתוך תא כפפות) או כלי קהה אחר לדחוף את דיסק ליתיום מהאגרוף.
- קח spacer עבה 0.5 מ"מ ובעדינות להחיל את דיסק ליתיום אל פני השטח בין אצבעות. ודא מקלות דיסק ליתיום למרכז spacer ושטוח - משטח אחיד עלול לגרום להפצות הנוכחיות לא אחידות.
- אלקטרוליט הכנה
- אחסן את האלקטרוליט של בחירה (במקרה זה 1 M LiPF 6 בEC / דצמבר 1: 1 על ידי כרך) עםבתא הכפפות בכל העת במכל אלומיניום, כאלקטרוליט הוא רגיש.
- הסר כמות קטנה של אלקטרוליט מיכל המקור לתוך מיכל עבודה.
- Celgard מפריד הכנה
- הנח גיליון של הקרום המפריד בין גיליון מקופל של נייר מדפסת. הנח את הנייר והקרום המקופלים על גיליון של מתכת ואלומיניום.
- הנח שכבת ריפוד על גבי ניקוב החורים ולהשתמש פטיש לאגרוף החוצה "קרום מפריד קוטר ¾.
- העבר את דיסקי מפריד אגרוף לתוך תא כפפות ניצול ההליכים המפורטים ב1.4.6-1.4.7.
הערה: מומלץ לבצע שלב זה בכמויות גדולות כדי להימנע מצורך האגרוף החוצה מפרידים בודדים עבור כל תא בגודל מטבע נבנים.
4. תא מטבע עצרת
הערה: התצורה של תא המטבע היאמוצג באיור 2.
רכיבי 2. תא מטבע איור מוצגים לפי סדר המיקום בתוך תא. מיקום של הקתודה ואחריו אביב מפריד, אטם, האלקטרודה נגדית וגל, ואחרי האיטום של התא. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו .
- פתח את דלת חדר קבלת פנים. משוך כל רכיבים בתוך חדר המבוא לתא הכפפות ולאטום את דלת חדר קבלת פנים.
- הנח מקרה תא מטבע לתוך סירה לשקול קטנה. מניחים את הקתודה למרכז מקרה תא מטבע. החל 1-2 ~ 30 טיפות μl של אלקטרוליט למרכז של האלקטרודה ולהחיל 1 טיפה בצדדים מנוגדים של שולי המקרה.
- מניחים "מפריד אחד ¾ בעל פני השטח של האלקטרודה. כוח את כל בועות שלהיות לכוד באמצעות הקצה השטוח של פינצטה, ומחדש מרכז הקתודה ידי גרירה את העניין בשפה וטפיחות קלים את האלקטרודה למקומו. החל 1-2 טיפות נוספות של אלקטרוליט, כדי לאפשר תנועה טובה יותר של האלקטרודה אם היא נדבקת למקומו המקורי.
- מניחים את האטם למקרה, עם הצד השטוח כלפי מטה וצד השפתיים כלפי מעלה. לאשר את הכיוון של האטם ידי מחזיק עד האור לפני החדרת תא.
- החל 2-3 ~ 30 טיפות μl של אלקטרוליט למרכז התא, ומניח את האלקטרודה הנגדית מוכנה אל המרכז עם ליתיום פונה כלפי מטה. מניחים את אביב הגל על גבי האלקטרודה הנגדית במרכז.
- מלא את התא עד אפס המקום (~ 0.7 מיליליטר) עם אלקטרוליט עד שנוצר המניסקוס מעוגל, קמור המכסה את רוב שטח אביב גל.
- בזהירות להניח את כובע תא מטבע על גבי t ניצול התאהוא פינצטה כדי להחזיק את הכובע במרכז אנכי מעל לתא. דואג למרכז הכובע כדי למנוע אובדן מוגזם של אלקטרוליט.
- לחץ כלפי מטה על הכובע (ביד) עד שהיא מציבה לשפה של האטם. העבר את התא לcrimper ולהבטיח שהתא מרוכז בחריץ של קוביית crimping. לחיצה על תא לחץ של ~ 6.2 מגפ"ס (900 psi) ושחרור.
- הסר את התא מcrimper (ביד), ולנקות את כל האלקטרוליטים עודפים. חזור על שלבים 4.2- 4.9 עד שכל התאים הרצויים בנויים. נקה כל נשפך אלקטרוליט, להציב פח אשפה למכל מתאים. להעביר את התאים מתא הכפפות ולתייג אותם.
5. הערכת אלקטרוכימי
- חבר את התאים ניקו לCycler הסוללה. ודא המסופים מחוברים כראוי על ידי מדידת הפוטנציאל במעגל הפתוח. אם לא חיובי, להפוך את החיבורים.
- חישוב הנוכחי הרצוי על בסיס המשקל היבש ELECtrode על פני השטח של מצע האלומיניום, המסה הידועה של האלומיניום, אחוז החומר הפעיל לפי משקל, והיכולת הספציפית המדורגת של החומר הפעיל מנוצל.
- עם מסה נמדדת אלקטרודה של .0090 גרם, מסת דיסק אלומיניום של .0054 G, וקיבולת מדורגת של 155 mAh / g, לקבוע רצוי הנוכחי כז (.0090 - .0054 ז) × 0.70 × 155 mAh / g = .3906 mAh. להזרמה בזרם הנדרש לפרוק את התא באופן מלא בשעה 1 (1C), להחיל הנוכחי הוא .3906 mA.
- הגדר את לוח הזמנים על Cycler לטעינה / פריקת התא בין רמות המתח העליונות והתחתונות של 4.2 V ו -2.8 V. מחזור התא 4 פעמים בשיעור של C / 10 (galvanostatic, קבוע הנוכחי). לאחר מכן לחייב את התא פעם אחת בC / 10.
- לאחר C / 10 תשלום -5, להסיר את התא מCycler (במידת צורך) ולבצע אלקטרוכימי עכבת ספקטרוסקופיה 19 (EIS) בתא, אחרי המנוחה לשעה 1. הנח את התא אחוריעל Cycler והפריקה בC / 10. בצע EIS פעם נוספת לאחר המנוחה לשעה 1.
- הנח את התא בחזרה אל Cycler ומחזור 5 הפעמים התא בשיעורים של C / 5, C, 2C, 5C, ו10C, ואחריו 100 1C מחזורים.
- לקבוע את היכולת הספציפית של תאים בכל C-שיעור על ידי חלוקת הקיבולת בmAh על ידי המסה של הווה חומר פעיל בקתודה. לחשב את שימור היכולת על ידי חלוקת הקיבולת הספציפית הממוצעת של 5 1C המחזורים האחרונים על ידי היכולת הספציפית הממוצעת של 5 1C המחזורים הראשונים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
גיליון אלקטרודה להטיל כראוי אמור להופיע אחיד במראה פני השטח ולדבוק כראוי לאספן הנוכחי. בדרך כלל מתקלף של גיליון אלקטרודה נגרמת על ידי שני תחריט עני של המצע, או שיש קצת תמ"א בשלב הערבוב הראשוני. לחלופין, יותר מדי יכול לגרום לתמ"א גיליון להציג רמה גבוהה יותר של נקבוביות, שאינה רצוי. לבסוף, דפוס שלישי ניתן לראות על פני האלקטרודה, שבו מופיע איגום להתרחש. אינטראקציות עם תנאי הסביבה של החדר (לחות, טמפרטורה, וכל תנועת אוויר) הם הגורמים הסביר ביותר להתנהגות זו. בידוד בתוך מנדף יכול למנוע התנהגות זו. ניתן לראות תרחישים אלה באיור 3.
תא המטבע אמור להופיע כפי שמוצג באיור 4, ללא קצוות שבורים. כאשר התא אינו אטום, חשיפה לכספומט כראויosphere יגרום לנפיחות של ליתיום, דבר שיגרום לתא פופ פתוח. אפשר גם לרסק את התא כאשר crimping. כדי למנוע לחץ crimping זה צריכה להיות מותאם לרכיבי crimper ותא נבחרו.
מיקרוסקופ אלקטרונים סורק הדמיה (SEM) של פני השטח אלקטרודה (איור 5) חושף את המורכבות של קתודה מנוצלת בבניית תא מטבע. החלקיקים הגדולים המוצגים הם החומר הפעיל. החומר הנותר הוא שילוב של PVDF ופחמן שחור.
המבנה עצמו הוא סטוכסטיים בטבע, אבל עיבוד נכון משפיע על ההפצה של חלקיקים בתוך גיליון. ייבוש יכול לגרום להפצה ירודה של קלסר ותוסף מוליך שיכול להשפיע לרעה על ביצועי תא. שמוצגים באיור 6 הם תוצאות רכיבה על אופניים נציג לגיליון שהיה מיובשת מדימהיר וגיליון שהיה מיובש כראוי ניצול התהליך דו-שלבים שהוצג.
נתוני רכיבה על אופניים זה מאפשר לנו להציג את הביצועים (במונחים של יכולת הספציפית) של התאים בשיעורים שונים, ומאפשר לנו להסתכל על שימור היכולת אחרי רכיבה על אופניים מורחבים. יכולות להיות מנוצלת עקומות פריקה כמו אלה שמוצגים באיור 7 כדי להציג את האנרגיה הספציפית של התאים, אשר נקבע כאזור מתחת לעקומת הפריקה.
נתוני EIS לתאים תחת שיקול ניתן להשתמש כדי להמשיך ולאפיין את התאים. ספקטרום EIS נציג שניתן לראות באיור 8.
כאשר משווים EIS ספקטרום, שני מרכיבים עיקריים (לתא ריקה) הם חצי המעגל בתדר גבוה (i), וכן (ii) את הזנב בתדר הנמוך. השיפוע של הזנב מצביע התנגדות בשלדיפוזיה, וחץ עיגול מייצג מספר ההתנגדויות בשל התנגדות לחייב העברה, וכמה תרומות אחרות, תלוי בטווח התדרים. במקרה של אלקטרודות יבשות שונה, יש גיליון המיובש במהירות רדיוס גדול יותר המצביע על התנגדות העברת תשלום גבוהה יותר.
תוצאות נציג להשפעה של נקבוביות ועובי האלקטרודה הם גם מוצגים להלן באיור 9.
גיליון דק יותר מאפשר למרחקים קצרים יותר דיפוזיה, והנקבובי יכול להיות מותאם כדי לאפשר גם להעברה יעילה יותר. חשוב, עם זאת, להכיר בכך שהפרמטרים אלה אינם מוחלטים, כפי שפשרות יהיו קיימות 19,20. עובי יציקה, צמיגות slurry והרכב, ואת מידת לוח שנה לכולם יש השפעה ישירה על נקבוביות והעובי של גיליון. כך על ידי זהירות manip ulating הצעדים המפורטים במסמך זה, ניתן לשלוט במאפיינים microstructural.
איור 3. גיליונות אלקטרודה: (א) עם תמ"א מעט מדי, (ב) עם יותר מדי תמ"א, ו- (ג) עם ייבוש לא אחיד. כל תוצאות מצב ביציבות עניה מכאנית וביצועים אלקטרוכימיים מופחתים כתוצאה מכך. בדרך כלל מתקלף של גיליון אלקטרודה נגרמת על ידי שני תחריט עני של המצע, או שיש קצת תמ"א בשלב הערבוב הראשוני (א). לחלופין, יותר מדי יכול לגרום לתמ"א גיליון להציג רמה גבוהה יותר של נקבוביות, שאינה רצוי (ב). לבסוף, משטח לא אחיד יכול להופיע כי הוא דומה במראהו לאיגום חומר במהלך ייבוש (ג). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
s = "jove_content" FO: לשמור-together.within עמודים = "1"> 
איור 4. תא מטבע שכבר crimped כראוי (משמאל) ושלא כדין מסולסל (מימין). תא בצורה לא נכונה מסולסל יהיה ניכר פתוח מייד לאחר crimping או יכול לקפוץ כמה שעות מאוחר יותר. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו .
איור 5. תמונת SEM של פני השטח של קתודת NMC uncalendered. החומר הפעיל (NMC) ניתן לראות את החלקיקים הגדולים כדוריים (~ 10 מיקרומטר קוטר) עם קלסר / התוסף (PVDF / פחמן השחור) מרוכבים המקיף את חלקיקי חומר הפעילים . בקנה מידה של התמונה השמאלית הוא 50 מיקרומטר והוא הנכון הוא 10 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
6. נתונים רכיבה על אופניים איור מוצגים לאלקטרודה מיובשת מהר מדי (שלא כדין) ושיעור נמוך יותר תוך ניצול יבש בשני שלבים. היכולת הספציפית של התאים בשיעורים של C / 10, ג / 5, C, 2C, 5C, ו 10C ואחרי רכיבה על אופניים לטווח ארוך ב1C. התאים היו רכב על אופניו בRT (~ 22 ° C) עם תאים בהיקף של NMC - תאים לי עם עומסי חומרים מתוארים בפרוטוקול. C-שיעור נקבע ביחס לקיבולת המדורגת של NMC, כ 150 mAh / g. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
דק-page = "1"> 
איור 7. עקומת פריקה מוצגת לאלקטרודה מיובשת מהר מדי (שלא כדין) ושיעור נמוך יותר תוך ניצול יבש בשני שלבים. העקומות פריקות לשיעורים של 1C ו5C מוצגות. האנרגיה הספציפית של התא ניתן לקבוע כאזור מתחת לעקומת הפריקה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 8. ספקטרום דוגמא EIS לטווח תדרי סריקה של 1 מגה-הרץ 100 מגה-הרץ. הנתונים מוצג לאחר 5 ה C / 10 פריקה עבור אותו מקרים שהוצגו באיורים 7 ו -8."Target =" _ e.jpg blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
השפעת איור 9. עובי האלקטרודה () ונקבובי (ב) על ביצועים פריקות. כל אחד מהפרמטרים האלה ניתן לשנות על ידי שליטה על הצעדים שנדונו בטכניקה זו (calendering, ליהוק עובי, צמיגות slurry, וכו '). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
אופטימיזציה של שלבי ערבוב הרטובים הן קריטיות ליכולת צמיגות slurry וציפוי, אשר משפיעה על האחידות והדבקה של האלקטרודה. הנה שיטת ערבוב גבוהה גזירה מנוצלת, שבו הממס, התוסף, קלסר, וחומר פעיל מעורבבים יחד ניצול התנועות הקינטית של כדורי זכוכית הווה בבקבוקונים. טכניקת ערבוב זה מציעה את היתרון של פעמים ערבוב מהירות הרבה יותר בהשוואה לשיטת stirrer מגנטית. מעבר לכך, ערבוב גזירה גבוה זה מאפשר לפתרונות צמיגים יותר להיות מעורבים בצורה יעילה, ומספק את הצורך לערבב קלסרים קשים יותר האנרגיה כגון מסטיק קסאנטן במים. כטבע שוחק של הערבוב עלול לגרום לזיהומי זכוכית לערבב לתוך slurry אלקטרודה, צריכים להיות מושלכים כדורי זכוכית משמשים כדי למזער את האפקט הזה. הכמות המינימלית של כדורי זכוכית הדרושים תלויה ביכולת הערבוב של הרכיבים בתוך הבקבוקון. עם זאת, גבול עליון קיים בשלהפסד של תרחיף ציפוי כדורי הזכוכית לאחר הערבוב. עם תרחיף מעט מדי או יותר מדי כדורים, זה לא יהיה ניתן לחלץ מספיק של תרחיף אלקטרודה להטיל אלקטרודה. הסכום של תמ"א הנדרש מתבסס על פני השטח הכולל של החלקיקים הנמצאים בתערובת היבשה 21. לדוגמא, אם יחס המשקל היבש הרצוי של רכיבים הותאם לכולל 10% פחמן שחור לעומת 20% (80% ו -10 NMC PVDF%), סכום נמוך באופן משמעותי של תמ"א יידרש: 2.0 מיליליטר (עם אבקה יבשה המוני של ז 1). בהמשך, עם הרכב של 94% חומר פעיל, 3% תוסף מוליך וקלסר 3%, 1.5 מיליליטר של תמ"א נדרש (שוב עם 1 גרם מסת אבקה יבשה). זה חייב בעיקר לעובדה ששטח פן Brunauer-אמט-טלר (BET) של פחמן שחור הוא גבוה בהרבה מזה של יתר הרכיבים. כך קביעת תוכן הממס המתאים בשלב הערבוב הראשוני צריך להיקבע בזהירות בעת העבודה עם שיתוף גיליון הרצוי חדשmpositions. הצמיגות האידיאלית שנצפה להרכב ציין במסמך זה 0.11 שניות · אבא. יש לציין כי הרכב של גיליון אלקטרודה מנוצל צריך להיות מותאם כך שיתאים לצרכים ולביצועים של החומרים בשימוש הספציפיים. בדרך כלל, תוכן חומר פעיל גבוהה יותר מנוצל כדי להפחית את הכמות של חומר פעיל בהווה אלקטרודות. עם זאת פשרות קיימות במונחים של ביצועי תא בשיעורים מוגדלים.
אפילו עם תרחיף מושלם ניתן להשיג גיליון אלקטרודה רע עקב ההידבקות לאספן הנוכחי. במהלך תהליך הייצור, רדיד האלומיניום מצופה בשכבה דקה של שמן כדי למנוע הידבקות עצמית כאשר מתגלגל החומר. אם לא ניקה כראוי, שאריות שנותרו זה תקטין את הידבקות אלקטרודה. במהלך ניקוי, דגש נוסף יש לנקוט כלפי להבטיח את הניקיון של מצע אלקטרודה. , אז צד כפתור הסדר שבו גיליון ניקה (ליהוק צד, ואחרי ליהוק) הוא להבטיח כי משטח היציקה הוא נקי ככל האפשר. יש להקפיד להשתמש במגבות נייר, כי הם רכים מספיק (ומספיק חופשיים של מוך) כגון שפני השטח של האספן הנוכחי לא מעוות ונשאר ללא חורים פני השטח. מתקלף אלקטרודה מוצגת באיור 3 א הוא נציג של ההידבקות כתוצאה מניצול מצע ניקה בצורה לא נכונה. זה יכול להתרחש מלא קרצוף מספיק (ובכך וכתוצאה מכך יכולת רטיבות עניה) או קרצוף חזק מדי (מה שיכול לגרום לחורים חזותי נצפים של משטח המצע). שיטת התחריט מנוצלת כאן היא מספיק להידבקות טובה עם הממס בלתי מימי וקלסר מנוצל. קלסרים וממס שונים עשויים לדרוש שיטות חלופיות כדי להשיג הידבקות, כגון פריקת קורונה או טיפול קדם-חום של האספן הנוכחי. לדוגמא, למרות שהזרימה של המים DI על פני השטח של האלקטרודה עם מינימאלי מיתון ונמוך רטובזווית טינג מציינת משטח יציקה מספיק, יכולת הרטיבות שסופקה אינה מספיק לעיבוד המימי.
צעד שלעתים קרובות שילם מעט תשומת לב הוא ייבוש אלקטרודה. כאן מיקרו הסופי של התא מוגדר כמתאדה ממס. ההגירה האנכית של מרכיבים ניידים אלקטרודה (קלסר ותוסף) יכולה לגרום לחלוקה אנכית של חומרים אלה לפתח 22. בפועל, אידוי מהיר של הממס מהתוצאות פני האלקטרודה בתצהיר של קלסר המרוכז (הווה בתמיסה הנוזלית של ממס) ופחמן (תוסף המוליך) על פני השטח של האלקטרודה. למרות שהשפעה זו מתרחשת בכל מהירות ייבוש, בשיעורים גבוהים אין מספיק זמן לחלוקה מחדש של רכיבים אלה באמצעות דיפוזיה. תהליך ייבוש שני השלבים מאפשר אידוי אחיד של הממס החופשי, ואחרי האידוי של ממס לכוד בתוך מיקרו בתנורשלב ייבוש.
בעת בניית תא המטבע, יש להקפיד על מנת להבטיח שהאנודה והקתודה מיושרות בזהירות בתוך התא. כאן, האנודה קוטר מעט גדולה יותר מנוצלת כדי לאפשר מרווח טעות במיקום. אביב spacer וגל בתוך התא כדי להגדיל את העובי של הרכיבים הפנימיים כך שמעגל שלם נוצר. גם קריטי למעגל זה הוא אלקטרוליט, שדרכו ליתיום-היונים לנסוע. עם גורם צורה נתון כמות גדולה של שטח ריק קיימת בתוך התא. כך ניתן לקבל כמות לא שווה של הווה אלקטרוליט בתוך התא. באופן מלא שריה התא להבטיח מינימאליים או ללא כיסים של ארגון קיימת שיכול להרגיז את ההפצה של אלקטרוליט בכריך.
במהלך אפיון אלקטרוכימיים, או galvanostatic (שמנוצל כאן) או רכיבה על אופניים potentiostatic יכול להיות מנוצלת. במהלך תשלום galvanostatic / לפרוק curreNT נשמר קבוע והתא נחשב כמחויב או משוחרר לאחר שהגיע גבול עליון או תחתון פוטנציאלי. גבול פוטנציאל זה תלוי בחומר הפעיל מנוצל. טעינה או פריקת החומר הפעיל מעבר למגבלות אלה עלולות לגרום להשפלה. במהלך טעינה / פריקת potentiostatic המתח נשמר קבוע, ואילו הנוכחיים משתנה. חסרון אחד של רכיבה על אופניים potentiostatic הפעם נוספת הנדרשת לנוכחי כדי להשיל לגבול התחתון. זה ושיעורי הרכיבה הרצויות יצטרכו להיות מוגדר על סמך המידע הרצוי וחומרים בשימוש. הפרוטוקול המפורט במסמך זה הוא פרוטוקול למטרות כללי, אך ייתכן שלא יתאים לכל הצרכים.
טכניקה זו מציעה שיטה ליצירת גיליונות אלקטרודה ותאי מטבע באופן מבוקר בדיוק כי הוא מתאים לרבייה במסגרת מחקר אקדמית או תעשייתית. היסודות של טכניקה זו יכול להיות מנוצל כבסיס FOr יצירת גיליונות אלקטרודה לגורמים גדולים יותר סוללה טופס, עיבוד המימי, וchemistries תא שונים ויצירות, למרות ששלב מסוים ייתכן שיצטרך להיות מותאם. טכניקה זו היא מוגבלת ליצירת אלקטרודות מותאמות אישית (חיוביות או שליליות) שבו החלוקה הסופית של חומרים (אם כי אולי אחיד בתחום) הוא סטוכסטיים. בנוסף, יצירת תאים עם גורמי צורה גדולים יותר תדרוש שינויים בגודל אלקטרודה מיוצר (גיליון ליהוק גדול יותר) ורכיבי התא מנוצלים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכת כלכלית על ידי אוניברסיטת A & M מענק ייזום מחקר סגל טקסס (Mukherjee) ואוניברסיטת טקסס מדינת מימון סטארט-אפ (רודוס).
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).
