Introduction
Baterias de lítio-íon representam uma fonte promissora para cumprir as exigências cada vez maiores de dispositivos de armazenamento de energia 1-4. As melhorias na capacidade de LIBs não só melhorar a gama eficaz de veículos eléctricos 5,6, mas também melhorar a sua vida de ciclo, reduzindo a profundidade de descarga, que por sua vez aumenta a viabilidade de LIBs para uso em aplicações de armazenamento de energia grelha 7.
Originalmente usado para aparelhos auditivos na década de 1970 8, as células de moeda hoje são comumente usados no desenvolvimento e avaliação de novas e existentes materiais de eletrodo. Como um dos menores fatores de forma para as baterias, essas células representam uma forma simples e eficaz para criar baterias em um ambiente de pesquisa acadêmica. Uma bateria de iões de lítio típico consiste de um cátodo, ânodo, coletores de corrente, e um separador poroso que impede o curto-circuito do ânodo e cátodo. Durante a operação de uma bateria de iões de lítio, ions e elétrons são móveis. Durante a descarga, os iões de viajar a partir do eléctrodo negativo (ânodo) através do separador poroso e para dentro do eléctrodo positivo, ou cátodo. Enquanto isso, os electrões viajar através do colector de corrente, através do circuito externo, finalmente recombinar com os iões no lado do cátodo. A fim de reduzir quaisquer resistências associadas a iões e de transferência de electrões, os componentes precisam de ser correctamente orientado - o curso iões distância devem ser minimizadas. Normalmente, estes componentes são combinados uma configuração de "sanduíche". Baterias utilizadas em veículos eléctricos, telefones celulares e produtos eletrônicos de consumo consistem em grandes sanduíches que são enrolados em espiral ou dobrados, dependendo do fator de forma da bateria. Estes tipos de células pode ser muito difícil de fabricar em pequenas escalas sem incorrer em custos elevados. No entanto, em uma célula de moeda existe apenas um único sanduíche dentro da célula. Embora equipamento especializado ainda é necessário criar os eletrodos i células de moeda n, as próprias células podem ser rapidamente montadas à mão e selado dentro de um ambiente controlado.
O desempenho das baterias, independentemente do tipo, está dependente dos materiais que formam o eléctrodo positivo e negativo, a escolha do electrólito, e a arquitectura celular 4,9-13. Um eléctrodo LIB típico é composto de uma combinação de Li contendo material activo, aditivo condutor, aglutinante polimérico, e do espaço vazio que é preenchido com um electrólito. Processamento de eletrodo pode ser organizado em cinco etapas principais: mistura seca em pó, mistura molhado, de preparação do substrato, aplicação de película, e secagem - um passo que muitas vezes é dado pouca atenção. Ao produzir um eléctrodo com estes passos de processamento, a meta final é obter um filme uniforme eléctrodo constituído do material activo, aditivo condutor, aglutinante. Esta distribuição uniforme é fundamental para o desempenho ideal do LIBs 14-18.
nt "> Este guia representa os passos utilizados na Texas A & M no Laboratório de Energia e das Ciências de Transporte (ETSL) e na Texas State University para a fabricação de células de moedas para a avaliação de novos e existentes materiais de eletrodo. Além dos passos básicos encontrados documentadas em muitas fontes , nós incluímos a nossa própria experiência nas etapas críticas, observando detalhes importantes que muitas vezes são deixados de fora de métodos documentos semelhantes e muitas publicações. Além disso, os métodos físicos e eletroquímicos primários utilizados em nosso laboratório (ciclismo galvanostático e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS)) são elucidados dentro.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
O cuidado deve ser exercitado ao usar qualquer um dos solventes, reagentes, ou pós secos utilizados neste protocolo. Leia todas as folhas de MSDS e tomar as medidas de segurança adequadas. Equipamentos de segurança de série inclui luvas, óculos de segurança, e um jaleco.
1. Preparação Cathode
Nota: A vista geral esquemática do processo de fabricação do cátodo é apresentado na Figura 1.
Figura 1. Visão esquemática dos passos utilizados no ETSL para criar cátodos. O processo principal inclui a preparação e moldagem da pasta do eléctrodo para um substrato de alumínio limpos, seguido por secagem da folha eléctrodo e incorporação em células de moedas. Por favor clique aqui para ver uma maior version desta figura.
- Preparação do substrato de alumínio
- Cortar um 4,5 "por 12" folha de 15 mm de espessura de alumínio (Al) folha usando um cortador de papel ou tesoura.
- Spray de acetona na superfície de uma placa de plástico limpo para aderir a folha para o conselho e, em seguida, coloque a folha de papel alumínio sobre a placa.
- Spray de uma quantidade generosa de acetona na superfície da folha e começar a esfregar a superfície inteira usando uma almofada Scotch com pequenos movimentos de semi-círculo. Spray de acetona adicional na superfície e limpe resíduo com uma toalha de papel.
- Repita os passos 1.1.2-1.1.3 para o lado oposto e repita mais uma vez para o lado do casting.
- Wash gravado folha de Al com água deionizada (DI) de água na carcaça lado em primeiro lugar, em seguida, virar e repita com o lado oposto. Re-esfregar a superfície da folha de Al como o de água DI exibe fraca molhabilidade e não flui para fora da superfície da folha, sem a formação de gotículas. Repetir a lavagem com álcool isopropílicoálcool.
- Transfira a folha de Al limpos entre duas toalhas de papel e deixe secar por cerca de 20 min sob compressão entre duas superfícies planas e toalhas de papel.
- Preparação Slurry
- Escolha os pesos de material activo, aditivo condutor e o ligante com base na composição desejada da folha eléctrodo. Escolha um peso de pó seco total de 1.25 g, com 70% em peso de lítio-manganês-cobalto-óxido, Lini 1/3 Mn 1/3 1/3 Co O 2 (NMC, material ativo), 20% em peso de negro de fumo (condutora aditivo) e 10% de difluoreto de polivinilideno (PVDF, aglutinante).
- Meça 0,875 g de NMC e 0,25 g de negro de fumo e lugar em um almofariz de ágata e pilão. Levemente misturar os materiais em conjunto, sem moagem. Depois de uma mistura começa a se formar, moinho à mão no almofariz e pilão para 3-5 min, até que um pó uniforme é observado visualmente.
- Transferir o pó misturado para um tubo de mistura disponívelcom um pedaço de papel de pesar. Adicionar 16 bolas de vidro (6 mm de diâmetro) para o pó, juntamente com 5,5 ml de 1-metil-2-pirrolidinona (NMP), o solvente não-aquoso.
- Colocar o tubo descartável para a estação de tubo rígido e travarão no local. Vire a unidade na e lentamente aumentar a velocidade máxima. Deixe o conteúdo de misturar durante 15 minutos.
- Adicionar 1,25 g de um PVDF de 10% em solução de NMP directamente ao tubo. Colocar o tubo de volta para a unidade e permitir a mistura durante 8 minutos, seguindo o mesmo procedimento descrito em 1.2.4. Se o tubo é deixada em repouso durante mais de 5 minutos, antes da moldagem (abaixo), misturar os conteúdos durante mais 15 minutos adicionais.
- Fundição e Secagem
- Limpar a superfície metálica do aplicador automático de película com álcool isopropílico e uma toalha de papel. Certifique-se de que a lâmina é limpo, e está previsto para a altura desejada fundição (200 mm).
- Aplicar uma camada de álcool isopropílico para a superfície do aplicador de película e colocar o DRIed substrato de alumínio do lado brilhante para baixo sobre a superfície. Pressione para fora o álcool isopropílico excesso com uma toalha de papel dobrado até que todas as rugas e isopropílico são removidos. Tome cuidado para evitar rasgar o substrato segurando firmemente um do substrato no lugar.
- Remover o tubo de mistura da unidade de tubo e abrir o recipiente. Pour a lama sobre a superfície do substrato, em uma linha de aproximadamente 1 polegada da parte superior (lado do vazamento inicial) do substrato de 2-3 polegadas. Remova todas as bolas de vidro da folha com pinças metálicas limpas.
- Defina a velocidade de lançamento para 20 mm / seg, e ativar o braço da carcaça do aplicador filme.
- Levantar o eléctrodo fundido a partir da superfície do aplicador de película utilizando uma peça fina de cartão para assegurar a não formar rugas na folha.
- Permitir que o eléctrodo de folha para secar durante 16 horas à temperatura ambiente (~ 24 ° C), seguido por secagem a 70 ° C durante ~ 3 h ou até que a folha é seca. Certifique-se de que o eletrodo é ambientalmente isolado em um fume capuz ou câmara selada para evitar a secagem não uniforme.
- Cathode Eletrodo de perfuração
- Coloque a folha seca em um eléctrodo de folha de alumínio limpos de metal. Retire um ½ "furador e colocá-lo suavemente sobre uma região da folha com uma superfície uniforme (bordas podem aparecer não uniforme). Lentamente aplique pressão para o soco (à mão) e" roll "a pressão em torno das bordas o soco para garantir um corte limpo.
- (Alternativa) Cortar um disco eletrodo utilizando um cortador de disco precisa em vez de perfuração manual.
- Retire o eletrodo da folha com limpos, pinças de plástico e coloque-o em um frasco etiquetado, com a superfície do eletrodo para cima. Repita duas vezes.
- (Opcional) Coloque um eléctrodo perfurada sobre a superfície da prensa de laboratório. Aplique uma pressão de cerca de 4 MPa (a pressão ideal varia de acordo com a imprensa utilizado). Repita o procedimento para os eletrodos restantes.
- Colocar os tubos em um vacuUM forno e permitir que os eléctrodos a uma maior seco a 120 ° C a -0,1 MPa durante 12 h para remover os vestígios de humidade. Depois, retire os eletrodos e pesá-los dentro de 0,0001 g.
- Abra a antecâmara do porta-luvas e coloque os frascos no tabuleiro. Feche a câmara a porta e assegurar uma boa vedação, usando dois dedos para apertar antecâmara escotilha.
- Traga o vácuo até -0,1 MPa, e em seguida, preencher com argônio. Repetir este processo mais 1-2 vezes, dependendo das amostras transportadas para a caixa de luvas.
2. Folha de ânodo para celular completa
- Repita seção 1 excepto o uso de 9 mm de espessura de folha de cobre como substrato em vez de folha de alumínio. A composição da folha pode ser alterada para se ajustar às necessidades específicas.
3. Coin celular pré-montagem
Cuidado: A construção de células de moedas é realizada dentro de um ambiente inerte (argônio) dentro de uma caixa de luvas. Extreme precaução devem ser tomadas para minimizar a exposição do ambiente interno para a atmosfera externa. Trabalhar com materiais aguçados no interior da caixa de luvas deve ser minimizada, se possível. Como regra geral, uma tarefa dentro da caixa de luvas deve tomar 3 vezes mais do que a velocidade a que a tarefa seria realizada fora. As luvas devem também ser usado sobre as luvas glovebox para minimizar a exposição ao trabalhar com diferentes substâncias.
Nota: Os componentes necessários para a construção da célula de moeda, incluindo a tampa, caso, molas onduladas, juntas, espaçadores, fita de lítio, electrólito e restantes ferramentas, tais como pinças de plástico (para colocação de componentes) estão contidos dentro de uma caixa de luvas Argon-cheia com O2 e H2O níveis mantida abaixo de 0,5 partes por milhão. Todos os componentes inseridos na caixa de luvas (incluindo toalhetes tarefa fiapos) deve ser aquecida O / N num forno de vácuo a 120 ° C a uma pressão de -0.1 MPa para remover qualquerhumidade.
- Preparação contra-eletrodo
- Dentro da caixa de luvas, remover a fita de lítio (0,75 mm de espessura) a partir do recipiente selado e desenrolar uma parte sobre a superfície de um bloco de plástico. Usando uma lâmina de barbear, raspar cuidadosamente qualquer oxidação de cor preta a partir da superfície da folha. Tome muito cuidado para evitar o corte das luvas.
- Dê um "furador 16/09 e perfurar para fora um disco da fita de lítio. Use um dedo (separado do lítio por luvas de borracha dentro de porta-luvas) ou outra ferramenta sem corte para empurrar o disco de lítio fora do soco.
- Tome um espaçador 0,5 milímetros de espessura e aplique suavemente o disco de lítio à superfície entre os dedos. Assegurar que as varas de disco de lítio para o centro do espaçador e é plana - uma superfície irregular pode causar distribuições de correntes irregulares.
- Eletrólito Preparação
- Armazenar o electrólito de escolha (neste caso, LiPF 6 1 M em CE / DEC 1: 1 em vol) comna caixa de luvas em todos os momentos em um recipiente de alumínio, como o electrólito é fotossensível.
- Retirar uma pequena quantidade de electrólito a partir do recipiente de origem em um recipiente de trabalho.
- Celgard Separator Preparação
- Coloque uma folha de membrana separadora entre uma folha de papel dobrada impressora. Coloque o papel dobrado e a membrana sobre uma folha de metal de alumínio.
- Coloque uma camada de amortecimento na parte superior do furador e usar um martelo para perfurar para fora uma "membrana separadora diâmetro ¾.
- Transferir os discos de separação perfurados na caixa de luvas, utilizando os procedimentos descritos no 1.4.6-1.4.7.
Nota: Recomenda-se executar esta etapa em massa para evitar ter que perfurar para fora separadores individuais para cada célula de moeda que está sendo construído.
4. Coin celular Assembleia
Nota: A configuração da célula é moedaapresentado na Figura 2.
Figura 2. Coin componentes celulares exibidos em ordem de colocação dentro da célula. A colocação do cátodo é seguido pelo separador, junta, contra eléctrodo e onda primavera, seguido de vedação da célula. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura .
- Abra a porta da antecâmara interior. Puxe todos os componentes dentro da antecâmara para o porta-luvas e feche a porta da antecâmara interior.
- Coloque um caso célula moeda em um pequeno barco pesar. Coloque o cátodo para o centro da célula de moeda caso. Aplicar 1-2 ~ 30 ul de gotas de electrólito para o centro do eléctrodo e aplicar uma gota em lados opostos do rebordo da caixa.
- Coloque um único ¾ separador "napara a superfície do eléctrodo. Força as bolhas que se tornam presas usando a borda lisa de um par de pinças, e re-centro do cátodo, agarrando o caso pelo lábio e batendo levemente o eletrodo no lugar. Aplicar um adicional de 1-2 gotas de electrólito para permitir uma melhor circulação do eléctrodo se ele adere à sua posição original.
- Coloque a junta sobre o caso, com o lado plano voltado para baixo eo lado lábios para cima. Confirmar a orientação da junta, mantendo-se à luz antes da inserção de células.
- Aplicar 2-3 ~ 30 ul de gotas de electrólito para o centro da célula, e colocar o contra-eltrodo preparado para o centro de lítio com o virado para baixo. Coloque a mola de onda na parte superior do contra-eléctrodo centrado.
- Encher a célula para a borda (~ 0,7 mL) com electrólito até que se forme um menisco curva, convexa, que cobre a maior parte da superfície de mola ondulada.
- Com cuidado, coloque a tampa de célula tipo moeda no topo da célula utilizando tele pinça para segurar a tampa centrada verticalmente sobre a célula. Tome cuidado para centrar a tampa para evitar a perda excessiva de eletrólitos.
- Pressionar para baixo sobre a tampa (manualmente) até que se ajuste no lábio da junta. Transferir a célula para o cravador e assegurar que a célula está centrada na ranhura da ferramenta de cravamento. Crimp a célula a uma pressão de 6,2 MPa ~ (900 psi) e de libertação.
- Remova a célula do cravador (à mão), e limpe qualquer excesso de electrólito. Repetir passos 4.2- 4.9 até todas as células desejadas são construídos. Limpe qualquer derrame de electrólito, coloque o lixo em um recipiente adequado. Transferência das células para fora do porta-luvas e rotulá-los.
5. Avaliação Eletroquímica
- Ligar as células limpas para o reciclador bateria. Verifique se os terminais estão conectados corretamente medindo o potencial de circuito aberto. Se não positivo, inverta as ligações.
- Calcular a corrente desejada com base no peso dos elec secaseléctrodo sobre a superfície do substrato de alumínio, a massa conhecida do alumínio, a percentagem de material activo, em peso, e a capacidade específica nominal do material activo utilizado.
- Com uma massa medida eletrodo de 0,0090 g, de alumínio massa disco de 0,0054 g, e capacidade nominal de 155 mAh / g, determinar a corrente desejada como (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh / g = 0,3906 mAh. Para a descarga da corrente necessária para descarregar completamente a célula em 1 hora (1C), a corrente aplicada é 0,3906 mA.
- Defina a agenda no reciclador para carregar / descarregar o celular entre os níveis superior e inferior de 4,2 V e 2,8 V. ciclo da célula de tensão 4 vezes a uma taxa de C / 10 (galvanostático, corrente constante). Em seguida, carregar a pilha uma vez em C / 10.
- Após a 5º C / 10 carga, remover a célula a partir do reciclador (se necessário) e executar electroquímica espectroscopia de impedância 19 (EIS) na célula, após o repouso durante 1 h. Coloque a célula de voltano reciclador e descarga em C / 10. Execute EIS mais uma vez depois de descansar por 1 hora.
- Coloque a célula de volta para o reciclador e o ciclo celular 5 vezes a taxas de C / 5, C, 2C, 5C e 10C, seguido de 100 ciclos 1C.
- Determinar a capacidade específica das células a cada taxa de C, dividindo a capacidade em mAh por a massa de material activo presente no cátodo. Calcula-se a capacidade de retenção, dividindo a capacidade específica média dos últimos 5 ciclos 1C pela capacidade específica média dos 5 primeiros ciclos 1C.
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Representative Results
Uma folha de eletrodo corretamente elenco deve aparecer uniforme na aparência da superfície e aderir adequadamente para o coletor atual. Tipicamente descamação da folha do eléctrodo é causada por, quer pobres decapagem do substrato, ou ter de pouco NMP na fase de mistura inicial. Em alternativa, o excesso de NMP pode fazer com que a folha para apresentar um maior grau de porosidade, o que não é desejável. Finalmente, um terceiro padrão pode ser observado na superfície do eléctrodo, onde agrupamento parece ocorrer. Interações com as condições do ambiente da sala (umidade, temperatura, e qualquer movimento do ar) são as causas mais prováveis para esse comportamento. Isolamento dentro de um exaustor pode evitar esse comportamento. Estas situações podem ser vistos na Figura 3.
A célula moeda deve aparecer como mostrado na Figura 4, sem arestas quebradas. Quando a célula não estiver devidamente selado, a exposição ao atmosphere irá causar inchaço do lítio, o que fará com que a célula para se abrirem. É também possível para esmagar a célula quando engaste. Para evitar esta pressão o cravamento tem de ser optimizado para os componentes onduladores e de células escolhidas.
Microscópio de varrimento electrónico (SEM) de imagem da superfície do eléctrodo (Figura 5) revela a complexidade de um cátodo utilizado na construção de uma célula de moeda. As grandes partículas são mostrados o material activo. O material restante é uma combinação de PVDF e negro de fumo.
A estrutura em si é de natureza estocástica, mas o processamento adequado influencia a distribuição de partículas no interior da folha. A secagem pode causar uma má distribuição do ligante e aditivo condutor que pode afetar negativamente o desempenho da célula. Mostrado na Figura 6 são resultados representativos de ciclismo para uma folha que foi seca demasiadorápido e uma folha que foi devidamente seco utilizando o processo de duas fases apresentada.
Estes dados ciclismo nos permite visualizar o desempenho (em termos de capacidade específica) das células a várias taxas, e permite-nos olhar para a retenção de capacidade após ciclismo prolongado. As curvas de descarga, tais como os mostrados na Figura 7 podem ser utilizados para visualizar a energia específica das células, que é determinada como a área sob a curva de descarga.
Os dados de EIE para as células em questão pode ser utilizado para caracterizar adicionalmente as células. Um espectro representativo EIS pode ser visto na Figura 8.
Quando se compara os espectros de EIA, dois componentes principais (para uma célula descarregada) são (i) o semicírculo de alta frequência, e (ii) a cauda de baixa frequência. A inclinação da cauda devido à resistência indicadifusão, e o semicírculo representa um número de resistências devido a resistência de transferência de carga, e várias outras contribuições, dependendo da gama de frequências. No caso de os eléctrodos secos de forma diferente, a folha rapidamente seca tem um raio maior, indicando uma maior resistência de transferência de carga.
Os resultados representativos para o impacto da porosidade e espessura do eléctrodo são adicionalmente mostrado abaixo na Figura 9.
Uma folha mais fina permite distâncias de difusão mais curtos, e a porosidade pode ser optimizado para permitir que, adicionalmente, para uma transferência mais eficiente. É importante, no entanto, reconhecer que estes parâmetros não são absolutos, como compensações existirá 19,20. A espessura casting, viscosidade da lama e composição, e o grau de calandragem todos têm um impacto direto sobre a porosidade e espessura de uma folha. Assim, por cuidadosamente Manipulating os passos descritos neste documento, características microestruturais pode ser controlada.
Figura 3. folhas Eléctrodo: (A) com muito pouco NMP, (B) com demasiada NMP, e (C) com a secagem não uniforme. Cada condição resulta em pouca estabilidade mecânica e redução do desempenho eletroquímico como resultado. Tipicamente descamação da folha do eléctrodo é causada por, quer pobres decapagem do substrato, ou ter de pouco NMP na fase de mistura inicial (a). Em alternativa, o excesso de NMP pode fazer com que a folha para apresentar um maior grau de porosidade, o que não é desejável (b). Por último, uma superfície não uniforme pode parecer que é similar na aparência ao acúmulo de material durante a secagem (c). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. Coin célula que foi devidamente frisado (à esquerda) e impropriamente frisado (à direita). Uma célula indevidamente frisado será visivelmente aberta imediatamente após o friso ou pode pop ao longo de várias horas mais tarde. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura .
Figura 5. Imagem SEM da superfície do cátodo NMC não calandrada. O material activo (NMC) pode ser visto como as grandes partículas esféricas (~ 10 um de diâmetro) com o ligante / aditivo (PVDF / negro de carbono) compósito que rodeia as partículas de material activo . A escala para a imagem esquerda é de 50 mm e é o direito é10 um. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6. Dados de ciclagem de um eléctrodo mostrado seca demasiado rapidamente (impropriamente) e uma taxa mais baixa utilizando um de dois estágios seco. A capacidade específica das células a taxas de C / 10, C / 5, C, 2C, 5C, e 10C seguido de ciclos de longo prazo a 1C. As células foram repetido à TA (~ 22 ° C) com células que consistem em células Li NMC - com as cargas de material descritos no protocolo. C-taxa é determinada com relação à capacidade nominal do NMC, cerca de 150 mAh / g. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Figura 7. curva de descarga mostrado para um eletrodo secou muito rapidamente (indevidamente) e uma taxa mais baixa utilizando um de dois estágios e seco. As curvas de descarga para as taxas de 1C e 5C são mostrados. A energia específica da célula pode ser determinado como a área sob a curva de descarga. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8. Exemplo espectro EIS para uma faixa de 1 MHz a 100 MHz. Os dados de freqüência de varredura é mostrada após o 5 º C 10 / descarga para os mesmos casos apresentados nas Figuras 7 e 8."target =" _ blank E.jpg "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9. Impacto da espessura do eléctrodo (A) e porosidade (B) sobre o desempenho de descarga. Cada um destes parâmetros pode ser alterada através do controlo dos passos discutidos nesta técnica (calandragem, fundição espessura, lama de viscosidade, etc). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
A otimização das etapas de mistura molhado são cruciais para a capacidade viscosidade da lama e revestimento, que afeta a uniformidade e adesão do eletrodo. Aqui, um método de mistura de elevado corte é utilizado, onde o solvente, aditivo, agente ligante, e o material activo são misturados em conjunto utilizando os movimentos cinéticos das esferas de vidro presentes nos frascos. Esta técnica de mistura oferece a vantagem de tempos de mistura muito mais rápidos em comparação com um método de agitador magnético. Além disso, esta mistura de alto corte permite soluções mais viscosas para ser eficazmente misturada, e fornece a energia necessária para misturar ligantes mais difíceis, tais como a goma de xantano em água. Como a natureza abrasiva da mistura pode causar impurezas de vidro para misturar na pasta de eléctrodo, as esferas de vidro usado deve ser descartado de forma a minimizar este efeito. A quantidade mínima de esferas de vidro necessário é dependente da capacidade de mistura dos componentes no interior do frasco. No entanto, existe um limite superior para o devidoperda de lama revestindo as bolas de vidro após a mistura. Com muito pouca lama ou muitas bolas, não será possível para extrair suficiente da lama do eléctrodo para um eléctrodo fundido. A quantidade de NMP necessária baseia-se na área da superfície total das partículas presentes na mistura seca 21. Por exemplo, se a proporção em peso seco desejada de componentes foi ajustado para incluir 10% de negro de carbono, em oposição a 20% (com 80% NMC e 10% de PVDF), uma quantidade significativamente menor de NMP seria necessário: 2,0 ml (com uma pó seco em massa de 1 g). Além disso, com uma composição de 94% de material activo, 3% de aditivo condutor e 3% de ligante, 1,5 ml de NMP é necessário (mais uma vez com 1 g de massa de pó seco). Isto se deve, principalmente, ao facto de a área de superfície de Brunauer-Emmet a-Teller (BET) de negro de carbono é muito mais elevado do que o dos componentes restantes. Assim, a determinação do teor de solvente apropriado na fase de mistura inicial deve ser cuidadosamente determinada quando se trabalha com a nova folha co desejadompositions. A viscosidade ideal observado para a composição aqui referido é de 0,11 Pa · s. Deve notar-se que a composição do eléctrodo a folha utilizada deve ser ajustado de acordo com as necessidades e o desempenho dos materiais utilizados específicos. Normalmente, um maior conteúdo de material activo é utilizado para reduzir a quantidade de material presente em inactivo eléctrodos. No entanto existem trade-offs em termos de desempenho celular a taxas de aumento.
Mesmo com uma lama perfeito, que é possível obter um eléctrodo de folha de má, devido à aderência para o colector de corrente. Durante o processo de fabrico, a folha de alumínio é revestido com uma fina camada de óleo para impedir a auto-aderência ao rolar o material. Se não for devidamente limpo, este resíduo restante irá reduzir a aderência do eletrodo. Durante a limpeza, a ênfase extra deve ser tomado para assegurar a limpeza do substrato eletrodo. A ordem em que a folha é limpo (casting lado, então o lado botão, Seguido por vazamento) é assegurar que a superfície de fundição é o mais limpo possível. Devem ser tomados cuidados para utilizar toalhas de papel que são suficientemente macio (e suficientemente isento de cotão) de tal modo que a superfície do colector de corrente não está deformada e permanece livre de corrosão superficial. A descamação eléctrodo mostrada na Figura 3A é representativa da aderência resultante da utilização de um substrato limpo de forma inadequada. Isto poderia ocorrer a partir de esfregar não o suficiente (e resultando em fraca molhabilidade) ou esfregar demasiado duro (que pode resultar em corrosão observável visualmente da superfície do substrato). O método de gravação utilizado aqui é suficiente para uma boa adesão com o solvente não-aquoso e um ligante utilizado. Diferentes pastas e solvente pode exigir métodos alternativos para alcançar a adesão, tais como descarga corona ou pré-tratamento de calor do coletor atual. Por exemplo, embora o fluxo de água desionizada sobre a superfície do eléctrodo com recessão mínima e baixa molhadoTing ângulo indica uma superfície de vazamento suficiente, a molhabilidade fornecida não é suficiente para o processamento aquoso.
Uma etapa que é muitas vezes dado pouca atenção é a secagem do eletrodo. Aqui, a microestrutura final da célula é definido como o solvente se evapora. A migração vertical de constituintes de eletrodos móveis (encadernação e aditivos) pode causar uma distribuição vertical destes materiais para desenvolver 22. Na prática, a evaporação rápida do solvente a partir dos resultados de superfície do eléctrodo na deposição de pasta concentrado (presente na solução de solvente líquido) e de carbono (o aditivo condutora) na superfície do eléctrodo. Embora este efeito ocorre em qualquer velocidade de secagem, a taxas mais elevadas, não há tempo suficiente para a redistribuição destes componentes através de difusão. O processo de secagem de duas fases permite a evaporação do solvente uniforme livre, seguida da evaporação do solvente aprisionado no interior do forno durante a microestruturafase de secagem.
Ao construir a célula de moedas, deve ser tomado cuidado para assegurar que o ânodo e o cátodo são cuidadosamente alinhados no interior da célula. Aqui, um ânodo de diâmetro ligeiramente maior é utilizada para permitir uma margem de erro na colocação. O espaçador e da onda de mola no interior da célula servem para aumentar a espessura dos componentes internos de tal modo que um circuito completo é formado. Também fundamental para este circuito é o electrólito, através do qual os iões de lítio-viajar. Com o factor de forma dada uma grande quantidade de espaço vazio existente no interior da célula. Assim, é possível ter uma quantidade desigual de electrólito presente no interior da célula. Totalmente imersão da célula garantir nenhuma ou mínima bolsos de argônio existe que podem perturbar a distribuição de eletrólitos no sanduíche.
Durante caracterização electroquímica, ou galvanostática (que é utilizado aqui) ou ciclismo potenciostático pode ser utilizado. Durante carga galvanostático / descarregar a curreNT é mantida constante e a célula é considerada como carregada ou descarregada depois de atingir um potencial de limite superior ou inferior. Este limite de potencial é dependente do material activo utilizado. Carregar ou descarregar o material ativo para além destas limitações pode resultar em degradação. Durante potenciostático de carga / descarga a tensão é mantida constante, enquanto que a corrente varia. Uma desvantagem do ciclismo potenciostãtica é o tempo adicional necessário para a corrente a cair para o limite inferior. Esta e as taxas desejadas de ciclismo terão de ser configurados com base nas informações e materiais utilizados desejado. O protocolo aqui listados é um protocolo de propósito geral, mas não pode atender todas as necessidades.
Esta técnica oferece um método para a criação de folhas de eléctrodos de células e de moedas de uma maneira controlada com precisão, que é adequado para a reprodução em investigação académica e industrial. Os fundamentos desta técnica pode ser utilizada como a base for criação de folhas de eletrodos para baterias maiores fatores de formulários, processamento aquoso, e vários produtos químicos celulares e composições, embora estágio específico pode precisar ser otimizado. Esta técnica é limitada à criação de eléctrodos personalizados (positivos ou negativos), em que a distribuição final do material (embora talvez uniforme dentro do domínio) é estocástica. Além disso, a criação de células com factores de forma maiores que requerem modificações no tamanho eléctrodo produzido chapa de vazamento (maior) e os componentes celulares utilizadas.
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Acknowledgments
Este trabalho é apoiado financeiramente pela Texas A & M University bolsa de iniciação pesquisa do corpo docente (Mukherjee) e Texas State University financiamento start-up (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).
