Introduction
Le batterie al litio rappresentano una fonte promettente per soddisfare le sempre crescenti esigenze dei dispositivi di accumulo dell'energia 1-4. Il miglioramento della capacità di LIBS avrebbero non solo migliorare l'effettiva gamma di veicoli elettrici 5,6, ma anche migliorare il loro ciclo di vita, riducendo la profondità di scarico, che a sua volta aumenta la vitalità delle LIBS per l'utilizzo in applicazioni di storage di energia griglia 7.
Originariamente utilizzato per apparecchi acustici nel 1970 8, coin cells oggi sono comunemente utilizzati per lo sviluppo e la valutazione di nuovi ed esistenti materiali per elettrodi. Come uno dei più piccoli fattori di forma per le batterie, queste cellule rappresentano un modo semplice ed efficace per creare batterie in ambiente universitario. Una tipica batteria agli ioni di litio è costituito da un catodo, anodo, collettori di corrente, e un separatore poroso che impedisce il cortocircuito del anodo e catodo. Durante l'operazione di una batteria agli ioni di litio, ions e gli elettroni sono mobili. Durante la scarica, gli ioni viaggiano dall'elettrodo negativo (anodo) attraverso il setto poroso e nell'elettrodo positivo, o catodo. Nel frattempo, gli elettroni viaggiano attraverso il collettore di corrente, attraverso il circuito esterno, infine ricombinazione con gli ioni sul lato catodico. Al fine di ridurre eventuali resistenze associate a ioni e trasferimento di elettroni, i componenti devono essere correttamente orientata - corsa ioni distanza deve essere ridotto al minimo. Tipicamente queste componenti sono combinate una configurazione "sandwich". Le batterie utilizzate nei veicoli elettrici, telefoni cellulari e di elettronica di consumo sono costituite da grandi sandwich che sono avvolto a spirale o ripiegati, a seconda del fattore di forma della batteria. Questi tipi di cellule possono essere molto difficili da produrre su piccola scala senza costi elevati. Tuttavia, in una cella moneta è solo un singolo panino all'interno della cellula. Sebbene attrezzature specializzate è ancora necessario creare elettrodi i batterie a bottone n, le cellule stesse possono essere rapidamente assemblati a mano e sigillate in un ambiente controllato.
Le prestazioni delle batterie, indipendentemente dal tipo, dipende dai materiali che formano l'elettrodo positivo e negativo, la scelta di elettrolita, e l'architettura cellulare 4,9-13. Un elettrodo tipico lib è composto da una combinazione di Li-contenenti materiale attivo, Additivo conduttivo, legante polimerico, e lo spazio vuoto che viene riempito con un elettrolita. Lavorazione elettrodo può essere organizzato in cinque fasi principali: miscelazione a secco in polvere, miscelazione bagnato, preparazione del substrato, applicazione di film, e asciugatura - un passo che viene spesso dato poca attenzione. Quando si produce un elettrodo utilizzando queste fasi di lavorazione, l'obiettivo finale è quello di realizzare un film omogeneo elettrodo costituito dal materiale attivo, Additivo conduttivo, legante. Questa distribuzione uniforme è fondamentale per ottenere prestazioni ottimali di LIBS 14-18.
nt "> Questa guida rappresenta i passaggi utilizzati presso la Texas A & M nel Laboratorio per l'Energia e Scienze Trasporti (ETSL) e Texas State University per la produzione di pile a bottone per la valutazione di nuovi ed esistenti materiali per elettrodi. Al di là delle operazioni di base si trovano documentato in molte fonti , abbiamo inserito il nostro know-how a fasi critiche, rilevando importanti dettagli che vengono spesso lasciati fuori di metodi documenti simili e numerose pubblicazioni. Inoltre, i metodi fisici e elettrochimici primarie utilizzate nel nostro laboratorio (ciclismo galvanostatico e elettrochimica spettroscopia di impedenza (EIS)) sono chiarite all'interno.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Si deve usare cautela quando si utilizza qualsiasi dei solventi, reagenti, o polveri secche utilizzati in questo protocollo. Leggi tutte le schede di sicurezza e adottare le idonee misure di sicurezza. Equipaggiamento di sicurezza di serie comprende guanti, occhiali di sicurezza e un camice da laboratorio.
1. catodo Preparazione
Nota: La panoramica schematica del processo di fabbricazione catodo è presentato in Figura 1.
Figura 1. Schema dei passaggi utilizzati nella ETSL per creare catodi. Il processo principale comprende la preparazione e la colata di liquame elettrodi su un substrato di alluminio puliti, seguito da essiccamento del foglio di elettrodi e l'incorporazione nelle cellule della moneta. Cliccate qui per visualizzare un grande version di questa figura.
- Alluminio Preparazione del supporto
- Tagliare un 4.5 "da 12" foglio di 15 micron di spessore in alluminio (Al) foglio utilizzando un taglierino o forbici.
- Spruzzare l'acetone sulla superficie di una scheda di plastica pulito per aderire la pellicola alla scheda e poi posizionare il foglio foglio sulla scheda.
- Spruzzare una generosa quantità di acetone sulla superficie della lamina e iniziare a macchia l'intera superficie con un tampone Scotch con piccoli movimenti semicerchio. Spruzzare acetone aggiuntivo sulla superficie e pulire residui con un tovagliolo di carta.
- Ripetere passaggi 1.1.2-1.1.3 per il lato opposto e quindi ripetere nuovamente per il lato di colata.
- Wash inciso Al foglio con acqua deionizzata (DI) a fusione lato prima, poi capovolgere e ripetere con il lato opposto. Re-strofinare la superficie della pellicola di Al come giochi d'acqua DI scarsa bagnabilità e non scorre sulla superficie del foglio senza formare goccioline. Ripetere il risciacquo con isopropilicoalcol.
- Trasferire il foglio di Al pulita tra due asciugamani di carta e lasciare asciugare per circa 20 minuti in compressione tra due superfici piane e asciugamani di carta.
- Slurry Preparazione
- Scegliere i pesi del materiale attivo, additivo conduttivo e legante sulla base della composizione desiderata del foglio dell'elettrodo. Scegliere un peso polvere secca totale di 1,25 g, con il 70% in peso di litio-manganese-cobalto ossido, Lini 1/3 1/3 Mn Co 1/3 O 2 (NMC, materiale attivo), il 20% in peso nerofumo (conduttivo additivo) e il 10% polivinilidene (PVDF, legante).
- Misurare 0,875 g di NMC e 0,25 g di nero di carbonio e posto in un mortaio di agata e pestello. Leggermente mescolare i materiali insieme senza macinazione. Dopo una miscela inizia a formarsi, mulino a mano nel mortaio e pestello per 3-5 min, fino una polvere uniforme è osservato visivamente.
- Trasferire la polvere mescolato in un tubo di miscelazione usa e gettacon un pezzo di carta da pesare. Aggiungere 16 palline di vetro (diametro 6 mm) per la polvere, insieme con 5,5 ml di 1-metil-2-pirrolidinone (NMP), il solvente non acquoso.
- Posizionare il tubo usa e getta sulla stazione di unità tubo e bloccare in posizione. Accendere l'unità e aumentare lentamente alla velocità massima. Lasciare contenuti per mescolare per 15 min.
- Aggiungere 1,25 g di un PVDF 10% in soluzione NMP direttamente al tubo. Posizionare il tubo posteriore sull'unità e consentire miscelazione per 8 min, seguendo la stessa procedura in 1.2.4. Se il tubo può sedersi per più di 5 minuti prima della colata (sotto), mescolare il contenuto per altri 15 min.
- Casting e asciugatura
- Pulire la superficie metallica dell'applicatore automatico della pellicola con alcol isopropilico e un tovagliolo di carta. Assicurarsi che la lama medico è pulito e si trova all'altezza di colata desiderata (200 micron).
- Applicare uno strato di alcool isopropilico alla superficie dell'applicatore pellicola e posizionare il dried substrato di alluminio lucido rivolto verso il basso sulla superficie. Premere il alcool isopropilico in eccesso con un tovagliolo di carta piegato fino a quando tutte le rughe e isopropilico vengono rimossi. Fare attenzione per evitare di strappare il substrato tenendo saldamente uno del substrato a posto.
- Rimuovere il tubo di miscelazione dall'unità tubo e aprire il contenitore. Versare l'impasto sulla superficie del substrato in una linea 2-3 pollici circa 1 pollice dalla parte superiore (lato iniziale casting) del substrato. Rimuovere eventuali palline di vetro dal foglio con pinzette metalliche pulite.
- Impostare la velocità di colata a 20 mm / sec, e attivare il braccio di fusione dell'applicatore film.
- Sollevare l'elettrodo getto dalla superficie dell'applicatore pellicola utilizzando un sottile pezzo di cartoncino per assicurare grinze formano sul foglio.
- Lasciare il foglio dell'elettrodo ad asciugare per 16 ore a temperatura ambiente (~ 24 ° C) seguita da essiccazione a 70 ° C per 3 ore ~ o foglio finché non è asciutto. Assicurarsi che l'elettrodo è isolato per l'ambiente in una fume cappuccio o camera stagna per impedire non uniforme essiccazione.
- Cathode elettrodi Punzonatura
- Posizionare il foglio elettrodo secco su un foglio pulito di metallo di alluminio. Estrarre un ½ "foratura e posizionarlo delicatamente su una regione del foglio con una superficie uniforme (bordi potrebbero apparire non uniforme). Applicare lentamente la pressione al punzone (a mano) e" roll "la pressione intorno ai bordi il pugno per garantire un taglio netto.
- (Alternativa) Tagliare un disco elettrodo utilizzando una fresa a disco preciso in luogo di punzonatura manuale.
- Rimuovere l'elettrodo dal foglio con puliti, pinzette di plastica e metterlo in una fiala etichettata, con la superficie dell'elettrodo rivolta verso l'alto. Ripetere due volte.
- (Opzionale) Posizionare un elettrodo punzonato sulla superficie della stampa laboratorio. Applicare una pressione di circa 4 MPa (la pressione ottimale può variare in base alla pressa utilizzata). Ripetere per i rimanenti elettrodi.
- Mettere le fiale in una vacuum forno e lasciare gli elettrodi ad ulteriori secco a 120 ° C a -0,1 MPa per 12 ore per rimuovere l'umidità residua. Dopo, rimuovere gli elettrodi e pesare all'interno 0,0001 g.
- Aprire l'anticamera del cassetto portaoggetti e posizionare le fiale sul vassoio. Chiudere la camera porta e assicurare una buona tenuta utilizzando due dita per stringere tratteggio anticamera.
- Portare il vuoto fino a -0,1 MPa, e poi riempire con Argon. Ripetere questo processo 1-2 volte di più, a seconda dei campioni trasportati nel vano portaoggetti.
2. Anodo Foglio per Cell completa
- Ripetere punto 1, salvo utilizzando 9 micron foglio di rame di spessore del substrato, invece di un foglio di alluminio. La composizione del foglio può essere modificata per adattarsi alle esigenze specifiche.
3. a bottone di pre-assemblaggio
Attenzione: la costruzione di batterie a bottone viene eseguito all'interno di un (Argon) ambiente inerte all'interno di un vano portaoggetti. EXtreme cautela deve essere presa per minimizzare l'esposizione dell'ambiente interno di ambiente esterno. Lavora con materiali taglienti all'interno del vano portaoggetti deve essere ridotto al minimo, se possibile. Come regola generale, un compito entro il vano portaoggetti dovrebbe prendere 3 volte superiore rispetto alla velocità con cui il compito sarebbe eseguita all'esterno. I guanti dovrebbero essere indossati sopra i guanti del cassetto portaoggetti per minimizzare l'esposizione quando si lavora con sostanze diverse.
Nota: I componenti necessari per la costruzione della cella moneta, cappuccio, caso, molle ondulate, guarnizioni, distanziatori, nastro litio, elettroliti e rimanenti strumenti quali pinzette plastica (per il posizionamento dei componenti) sono contenuti all'interno di un vano portaoggetti Argon-riempita con O 2 e H 2 O livelli mantenuti al di sotto di 0,5 parti per milione. Tutti i componenti inseriti nel cassetto portaoggetti (compresi salviettine compito filacciosi) devono essere riscaldati O / N in stufa da vuoto a 120 ° C ad una pressione di -0.1 MPa per rimuovere qualsiasiumidità.
- Counter-elettrodo Preparazione
- All'interno del vano portaoggetti, rimuovere il nastro litio (spessore 0,75 mm) dal contenitore sigillato e stendere una porzione sulla superficie di un blocco di plastica. Utilizzando una lama di rasoio, raschiare attentamente tutta la ossidazione di colore nero dalla superficie della lamina. Prendere la massima cautela per evitare di tagliare i guanti.
- Prendete un "buco pugno 9/16 e pugni fuori un disco del nastro litio. Usare un dito (separato dal litio da guanti di gomma all'interno del cassetto portaoggetti) o un altro strumento smussato per spingere il disco al litio fuori del punzone.
- Prendete un distanziale di spessore 0,5 mm e applicare delicatamente il disco al litio in superficie tra le dita. Assicurarsi che i bastoni disco litio al centro del distanziale ed è piatta - una superficie irregolare può causare attuali distribuzioni irregolari.
- Elettrolita Preparazione
- Conservare l'elettrolita di scelta (in questo caso 1 M LiPF 6 in EC / DEC 1: 1 vol) connel cassetto portaoggetti sempre in un contenitore di alluminio, come elettrolita è fotosensibile.
- Rimuovere una piccola quantità di elettrolita dal contenitore di origine in un contenitore di lavoro.
- Celgard Separatore Preparazione
- Posizionare un foglio di membrana separatore tra un foglio piegato stampante. Posizionare la carta piegata e la membrana su un foglio di alluminio metallico.
- Posizionare uno strato ammortizzante in cima alla perforazione e utilizzare un martello per perforare una "membrana separatore diametro ¾.
- Trasferire i dischi separatori perforati nel cassetto portaoggetti utilizzando le procedure descritte nella 1.4.6-1.4.7.
Nota: Si consiglia di eseguire questo passaggio in massa per evitare di dover perforare le singole separatori per ogni cella di moneta in costruzione.
4. bottone Assemblea
Nota: la configurazione della cella medaglia èillustrato nella figura 2.
Figura 2. componenti cellulari Coin visualizzati in ordine di posizionamento all'interno delle cellule. Posizionamento del catodo è seguito dalla molla di separazione, la guarnizione, contatore elettrodo e onda, seguito da sigillatura della cella. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura .
- Aprire la porta dell'anticamera interno. Tirare i componenti all'interno anticamera nel vano portaoggetti e richiudere la porta dell'anticamera interno.
- Posizionare un caso a bottone in una piccola barca pesare. Posizionare il catodo al centro del caso delle cellule della moneta. Applicare 1-2 gocce ~ 30 microlitri di elettrolita al centro dell'elettrodo e 1 goccia su lati opposti del bordo del caso.
- Posizionare un singolo ¾ separatore "sualla superficie dell'elettrodo. Forza eventuali bolle che diventano intrappolati con il bordo piatto di un paio di pinzette e ricentrare il catodo afferrando il caso per il labbro e toccando leggermente l'elettrodo in posizione. Applicare un ulteriore 1-2 gocce di elettrolita per consentire una migliore movimento dell'elettrodo se si attacca alla sua posizione originale.
- Posizionare la guarnizione nel caso, con il lato piatto rivolto verso il basso e il lato labbra rivolto verso l'alto. Conferma l'orientamento della guarnizione tenendo fino alla luce prima dell'inserimento delle cellule.
- Applicare 2-3 gocce ~ 30 microlitri di elettrolita al centro della cella, e posizionare l'elettrodo contatore preparato sul centro con litio rivolto verso il basso. Posizionare la molla onda sopra il controelettrodo centrata.
- Riempire la cella fino all'orlo (~ 0,7 ml) con elettrolita fino a formare una curva, menisco convesso che copre la maggior parte della superficie molla ondulata.
- Posizionare con cura il tappo a bottone sulla parte superiore della cella utilizzando tegli pinzette per tenere il cappuccio centrato verticalmente sopra la cella. Fare attenzione a centrare il tappo per evitare un'eccessiva perdita di elettroliti.
- Premere sul tappo (mano) fino imposta nel labbro della guarnizione. Trasferire la cella per la pressa e garantire che la cella è centrato nella scanalatura dello stampo di crimpatura. Crimpare la cella ad una pressione di 6,2 MPa ~ (900 psi) e rilasciarlo.
- Togliere la cella dal crimper (a mano), ed eliminare l'eventuale eccesso di elettrolita. Ripetere i passaggi 4.2- 4.9 fino a quando tutte le cellule desiderate sono costruite. Pulire qualsiasi elettrolita fuoriuscito, mettere rifiuti in un apposito contenitore. Trasferire le cellule fuori dal cassetto portaoggetti ed etichettarli.
5. Valutazione elettrochimica
- Collegare le cellule pulite al cycler batteria. Assicurarsi che i terminali sono collegati correttamente misurando il potenziale a circuito aperto. In caso contrario positivo, invertire i collegamenti.
- Calcolare la corrente desiderata sulla base del peso dei elet secchitrode sulla superficie del substrato di alluminio, alla massa nota dell'alluminio, la percentuale in peso del materiale attivo, e la specifica capacità nominale del materiale attivo utilizzato.
- Con una massa misurata di 0,0090 g elettrodo, alluminio massa disco di 0,0054 g, e capacità nominale di 155 mAh / g, determinare la corrente desiderata come (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh / g = 0,3906 mAh. Per scarico al corrente necessaria per scaricare completamente la cella in 1 ora (1C), la corrente applicata è 0,3906 mA.
- Impostare la pianificazione sul ciclatore per caricare / scaricare la cella tra i livelli superiori e inferiori di tensione di 4,2 V e 2,8 V. ciclo della cella 4 volte ad una velocità di C / 10 (galvanostatico, corrente costante). Poi caricare il cellulare una volta in C / 10.
- Dopo il 5 ° C 10 carica /, rimuovere la cella dal cycler (se necessario) ed eseguire elettrochimica spettroscopia di impedenza 19 (EIS) sulla cella, dopo il riposo per 1 ora. Posizionare la cella di schienasulla cycler e scarico a C / 10. Eseguire EIS ancora una volta dopo aver riposato per 1 ora.
- Posizionare la cella di nuovo sul cycler e ciclo delle cellule 5 volte a tassi di C / 5, C, 2C, 5C e 10C, seguiti da 100 1C cicli.
- Determinare la capacità specifica delle cellule per ogni C-rate dividendo la capacità in mAh dalla massa di materiale attivo presente nel catodo. Calcolare la capacità di ritenzione dividendo la capacità specifica media degli ultimi 5 1C cicli dalla capacità specifica media dei primi 5 1C cicli.
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Representative Results
Un foglio elettrodo correttamente lanciare dovrebbe apparire uniforme aspetto superficiale e adeguatamente aderire al collettore di corrente. Tipicamente sfaldamento del foglio dell'elettrodo è causato da scarsa attacco del substrato, o di dover poco NMP nella fase di miscelazione iniziale. In alternativa, troppo NMP può causare il foglio per visualizzare un più alto grado di porosità, che non è desiderabile. Infine, un terzo modello può essere osservato sulla superficie dell'elettrodo, dove pool sembra verificarsi. Interazioni con le condizioni ambientali della stanza (umidità, temperatura, e qualsiasi movimento aria) sono le cause più probabili per questo comportamento. Isolamento all'interno di una cappa aspirante può impedire questo comportamento. Questi scenari possono essere visti in Figura 3.
La cella moneta dovrebbe apparire come mostrato in figura 4, senza spigoli rotti. Quando la cella non è adeguatamente sigillato, esposizione al atmsfera! causerà gonfiore del litio, che farà sì che la cellula di pop aperto. È anche possibile schiacciare cella quando aggraffatura. Per evitare questa pressione crimpatura deve essere ottimizzato per i componenti e del piegatore cellulari scelti.
Microscopio elettronico a scansione (SEM) di rilevamento della superficie dell'elettrodo (Figura 5) rivela la complessità di un catodo utilizzato nella costruzione di una cella moneta. Le grandi particelle indicati sono il materiale attivo. Il materiale rimanente è una combinazione di PVDF e nerofumo.
La struttura stessa è di natura stocastica, ma corretta elaborazione influenza la distribuzione delle particelle all'interno del foglio. L'essiccazione può provocare una cattiva distribuzione del legante e additivo conduttivo che può influire negativamente sulle prestazioni delle cellule. Mostrato in figura 6 sono risultati bicicletta rappresentativi per un foglio che essicate troppoveloce e un foglio che è stato asciugato correttamente utilizzando il processo a due stadi presentato.
Questi dati ciclismo ci permette di visualizzare le prestazioni (in termini di capacità specifiche) delle cellule a vari tassi, e ci permette di guardare a ritenzione capacità dopo ciclismo prolungato. Curve di scarico come quelli mostrati nella figura 7 può essere utilizzato per visualizzare l'energia specifica delle cellule, che è determinato come l'area sotto la curva di scarica.
I dati EIS per le cellule in esame possono essere utilizzati per caratterizzare ulteriormente le cellule. Uno spettro rappresentante EIS può essere visto in Figura 8.
Quando si confrontano EIS spettri, due componenti principali (per una cella scarica) sono il (i) semicerchio alta frequenza, e (ii) la coda bassa frequenza. L'inclinazione della coda indica la resistenza a causa didiffusione, e il semicerchio rappresenta un numero di resistenze dovute a caricare resistenza di trasferimento, e diversi altri contributi, a seconda del campo di frequenza. Nel caso degli elettrodi diverso secchi, il foglio rapidamente essiccato ha un raggio maggiore indica una maggiore resistenza di trasferimento di carica.
Risultati rappresentativi per l'impatto di porosità e spessore elettrodo sono inoltre riportati in figura 9.
Un foglio sottile consente distanze di diffusione più brevi, e la porosità può essere ottimizzata per consentire in aggiunta, per il trasferimento più efficiente. E 'importante, comunque, riconoscere che questi parametri non sono assoluti, come esisteranno compromessi 19,20. Lo spessore di colata, viscosità della sospensione e la composizione, e il grado di calandre tutti hanno un impatto diretto sulla porosità e spessore di un foglio. Così con attenzione manipulating la procedura descritta in questo documento, caratteristiche microstrutturali possono essere controllate.
Figura 3. fogli elettrodi: (A) con troppo poco NMP, (B) con troppo NMP, e (C) con asciugatura non uniforme. Ogni condizione si traduce in scarsa stabilità meccanica e ridotta prestazioni elettrochimiche come risultato. Tipicamente sfaldamento del foglio dell'elettrodo è causato da scarsa attacco del substrato, o di dover poco NMP nella fase di miscelazione iniziale (a). In alternativa, troppo NMP può causare il foglio per visualizzare un più alto grado di porosità, il che non è desiderabile (b). Infine, una superficie non uniforme può apparire che è simile in apparenza a pool di materiale durante l'essiccazione (c). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Coin che e 'stato correttamente pressare (a sinistra) e in modo improprio a pressare (a destra). Una cella in modo improprio a pressare sarà notevolmente aperto subito dopo la piegatura o può pop per diverse ore più tardi. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura .
Figura 5. Immagine SEM della superficie di uncalendered catodo NMC. Il materiale attivo (NMC) può essere visto come le grandi particelle sferiche (~ 10 micron di diametro) con il legante / additivo (PVDF / carbon black) composito circonda le particelle materiali attivi . La scala per l'immagine sinistra è 50 micron ed è destra è10 micron. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. I dati mostrati in bicicletta per un elettrodo essiccato troppo rapidamente (impropriamente) e un tasso inferiore utilizzando una bistadio secco. La capacità specifica delle cellule a tassi di C / 10, C / 5, C, 2C, 5C, e 10C seguito da ciclismo a lungo termine a 1C. Le cellule sono state ciclati a RT (~ 22 ° C) con cellule costituiti NMC - cellule Li con i carichi materiali descritti nel protocollo. C-rate è determinato rispetto alla capacità nominale della NMC, circa 150 mAh / g. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Figura 7. Curva di scarico mostrato per un elettrodo secco troppo in fretta (impropriamente) e un tasso più basso che utilizza un doppio stadio a secco. Vengono visualizzati i curve di scarico per i tassi di 1C e 5C. L'energia specifica della cellula può essere determinata come l'area sotto la curva di scarico. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Esempio EIS spettro per una gamma di frequenza di scansione di 1 MHz a 100 MHz. I dati compare dopo 5 ° C / 10 di scarico per gli stessi casi presentati nelle figure 7 e 8.e.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 9. L'impatto di spessore dell'elettrodo (A) e porosità (B) sulla prestazione di scarico. Ciascuno di questi parametri può essere modificata controllando i passi descritti in questa tecnica (calandratura, colata spessore, liquami viscosità, ecc). Fare click qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
L'ottimizzazione delle fasi di miscelazione bagnati sono cruciali per la capacità viscosità della sospensione e rivestimento, che incide l'uniformità e adesione dell'elettrodo. Qui un metodo di miscelazione grande forza di taglio viene utilizzato, in cui il solvente, additivi, leganti, materiale attivo vengono miscelati utilizzando i movimenti cinetiche delle sfere di vetro presenti nelle fiale. Questa tecnica offre il vantaggio di miscelazione di molto più rapidi tempi di miscelazione rispetto ad un metodo di agitatore magnetico. Oltre a ciò, questo elevato shear miscelazione consente soluzioni più viscosi per essere efficace mista, e fornisce l'energia necessaria per miscelare leganti più difficili come la gomma xanthan in acqua. Come la natura abrasiva della miscelazione può causare impurità vetro per mescolare in poltiglia dell'elettrodo, sfere di vetro deve essere eliminata in modo da minimizzare questo effetto. La quantità minima di palline di vetro necessari dipende dalla capacità miscelazione dei componenti all'interno del flacone. Tuttavia, esiste un limite superiore a causa dellaperdita di liquami rivestire le sfere di vetro dopo la miscelazione. Con troppo poco slurry o troppe palle, non sarà possibile estrarre abbastanza dello slurry dell'elettrodo per lanciare un elettrodo. La quantità di NMP richiesto si basa sulla superficie totale delle particelle presenti nella miscela secca 21. Ad esempio, se la secca rapporto in peso desiderato dei componenti è stata regolata a includere 10% di nero di carbonio rispetto al 20% (80% NMC e il 10% PVDF), una quantità significativamente inferiore di NMP sarebbe necessario: 2,0 ml (con un polvere secca massa di 1 g). Inoltre, con una composizione di 94% materia attiva, 3% Additivo conduttivo e 3% di legante, 1,5 ml di NMP è richiesto (di nuovo con 1 g di massa di polvere secca). Questo deve principalmente al fatto che il Brunauer-Emmet-Teller (BET) una superficie di nerofumo è molto superiore a quello dei restanti componenti. Così la determinazione del contenuto di solvente appropriato nella fase di miscelazione iniziale deve essere determinata quando si lavora con nuovo foglio co desiderato accuratamentempositions. La viscosità ideale osservato per la composizione notato qui è 0,11 Pa · sec. Va notato che la composizione del foglio dell'elettrodo utilizzato deve essere regolata per soddisfare le esigenze e le prestazioni dei materiali utilizzati specifici. Tipicamente, un contenuto di materiale superiore attivo viene utilizzato per ridurre la quantità di materiale inerte presente negli elettrodi. Tuttavia esistono compromessi in termini di prestazioni delle celle a un aumento dei tassi.
Anche con un impasto perfetto è possibile avere un foglio elettrodo difettoso alla adesione al collettore di corrente. Durante il processo di fabbricazione, il foglio di alluminio è rivestita con uno strato sottile di olio per evitare autoadesione quando laminazione del materiale. Se non adeguatamente puliti, questo residuo rimanente ridurrà l'adesione dell'elettrodo. Durante la pulizia, l'accento dovrebbe essere presa a garantire la pulizia del supporto dell'elettrodo. L'ordine in cui il foglio viene pulito (fusione lato, poi il lato pulsante, Seguita da casting) è di assicurare che la superficie del getto è il più pulito possibile. Si deve prestare attenzione ad utilizzare asciugamani di carta che sono abbastanza morbido (e sufficientemente privo di lanugine) tale che la superficie del collettore di corrente non sia deformata e rimane libero di pitting superficie. L'elettrodo di sfaldamento mostrata in Figura 3A rappresentativa della adesione risultante da un substrato utilizzando impropriamente pulito. Ciò potrebbe verificarsi da non lavaggio sufficiente (e conseguente scarsa bagnabilità) o lavaggio troppo duro (che può causare pitting visivamente osservabile della superficie del substrato). Il metodo di attacco utilizzato qui è sufficiente per una buona adesione con il solvente non acquoso e legante utilizzato. Diversi leganti e solventi potrebbero richiedere metodi alternativi per realizzare l'adesione, come scarica corona o trattamento pre-riscaldamento del collettore di corrente. Ad esempio, anche se il flusso di acqua deionizzata sulla superficie dell'elettrodo con la recessione minimo e bassa bagnataAngolo ting indica una superficie di colata sufficiente, la bagnabilità fornite non sono sufficienti per l'elaborazione acquosa.
Un passo che viene spesso prestata poca attenzione è elettrodo essiccazione. Qui la microstruttura finale della cella è impostato come il solvente evapora. La migrazione verticale dei costituenti elettrodi mobili (legante e additivo) può causare una distribuzione verticale di questi materiali per sviluppare 22. In pratica, rapida evaporazione del solvente dai risultati superficie dell'elettrodo nella deposizione di legante concentrato (presente nella soluzione liquida di solvente) e carbonio (l'additivo conduttivo) alla superficie dell'elettrodo. Anche se questo effetto si verifica a qualsiasi velocità di essiccazione, a tassi più elevati non c'è tempo sufficiente per la ridistribuzione di questi componenti per diffusione. Il processo di essiccazione a due stadi consente l'evaporazione del solvente uniforme libera, seguito da evaporazione di solvente intrappolato all'interno della microstruttura durante il fornofase di essiccazione.
Nel costruire la batteria bottone, occorre prestare attenzione a garantire che l'anodo e catodo sono accuratamente allineati all'interno della cellula. Qui, un anodo diametro leggermente maggiore è utilizzato per consentire un margine di errore di posizionamento. La molla e distanziale onda all'interno della cellula servono ad aumentare lo spessore dei componenti interni, che un circuito completo è formato. Anche fondamentale per questo circuito è l'elettrolita, attraverso la quale i Litio-Ione viaggiano. Con il dato fattore forma una grande quantità di spazio vuoto presente all'interno della cellula. Così è possibile avere una quantità uniforme di elettrolita presente all'interno della cellula. Completamente immersi nella cella garantire l'assenza o minima sacche di argon esiste che possono sconvolgere la distribuzione di elettrolita nel panino.
Durante la caratterizzazione elettrochimica, sia galvanostatico (che viene utilizzato qui) o in bicicletta potenziostatica possono essere utilizzati. Durante la carica galvanostatico / scaricare la current è mantenuta costante e la cella viene considerato come carica o di scarica dopo aver raggiunto un limite potenziale superiore o inferiore. Questo limite potenziale dipende dal materiale attivo utilizzato. Carica o scarica il materiale attivo oltre questi limiti può provocare degrado. Durante potenziostatica carica / scarica la tensione è mantenuta costante, mentre la corrente varia. Uno svantaggio di ciclismo potenziostatico è il tempo supplementare necessario per la corrente di scendere al limite inferiore. Questo e le tariffe di ciclismo desiderati dovranno essere configurato sulla base delle informazioni e dei materiali utilizzati desiderate. Il protocollo elencato qui è un protocollo di uso generale, ma non può soddisfare tutte le esigenze.
Questa tecnica offre un metodo per la creazione di fogli di elettrodi e celle di monete in modo controllato con precisione che è adatto per la riproduzione in ambiente universitario o industriale. Le basi di questa tecnica possono essere utilizzate come base for creazione di fogli di elettrodi per batterie più grandi fattori di forma, lavorazione acquosa e vari chimiche cellulari e composizioni, sebbene fase specifica potrebbe aver bisogno di essere ottimizzato. Questa tecnica è limitata alla realizzazione di elettrodi personalizzati (positiva o negativa) dove la distribuzione finale dei materiali (anche se forse uniforme all'interno del dominio) è stocastico. Inoltre, la creazione di cellule con maggiori fattori di forma richiederebbe modifiche alle dimensioni dell'elettrodo prodotta (grande foglio fusione) e le componenti cellulari utilizzati.
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Acknowledgments
Questo lavoro è sostenuto finanziariamente da Texas A & M University borsa di iniziazione di ricerca della facoltà (Mukherjee) e Texas State University finanziamento di start-up (Rodi).
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
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