بناء واختبار خلايا كوين من بطاريات ليثيوم ايون

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

يوصف بروتوكول لبناء واختبار خلايا عملة من بطاريات ليثيوم أيون. وتعرض لإجراءات محددة لجعل القطب العمل، وإعداد القطب المضاد، وتجميع خلية داخل صندوق قفازات واختبار الخلية.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Kayyar, A., Huang, J., Samiee, M., Luo, J. Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries. J. Vis. Exp. (66), e4104, doi:10.3791/4104 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

قابلة للشحن بطاريات ليثيوم أيون لها تطبيقات واسعة في مجال الالكترونيات، حيث الزبائن يطالبون دائما أكثر قدرة وأطول عمرا. كما تم بطاريات ليثيوم ايون نظرت لاستخدامها في السيارات الكهربائية والهجين 1 أو حتى الأنظمة الكهربائية استقرار الشبكة 2. كل هذه التطبيقات محاكاة زيادة هائلة في مجال البحث والتطوير من المواد البطارية 3-7، بما في ذلك المواد الجديدة 3،8، المنشطات nanostructuring 10-13، والطلاء أو تعديلات سطح 14-17 والاضبارات رواية 18. وبناء على ذلك، فقد غامر عدد متزايد من الكيميائيين والفيزيائيين والعلماء مواد مؤخرا في هذا المجال. وتستخدم على نطاق واسع الخلايا عملة في مختبرات البحوث لاختبار المواد بطارية جديدة، وحتى للبحث والتطوير أن الهدف التطبيقات واسعة النطاق وعالية الطاقة، وغالبا ما تستخدم الخلايا عملة صغيرة لاختبار القدرات والإمكانات معدلمواد جديدة في المرحلة الأولية.

في عام 2010، بدأنا مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) برعاية المشروع البحثي للتحقيق في امتصاص المياه السطحية وdisordering في المواد بطارية (منحة لا. DMR-1006515). في المرحلة الأولى من هذا المشروع، لدينا صعوبة في تعلم التقنيات لتجميع واختبار خلايا عملة، والتي لا يمكن أن يتحقق من دون مساعدة العديد من الباحثين الآخرين في الجامعات الأخرى (من خلال النداءات المتكررة، وتبادل البريد الإلكتروني وزيارة المواقع 2). وهكذا، نرى أنه من المفيد لتوثيق، من قبل كل من النص والفيديو، وبروتوكولا للتجميع واختبار خلية عملة، والتي سوف تساعد الباحثين الجديدة الأخرى في هذا المجال. هذا الجهد يمثل "تأثير أوسع" أنشطة مشروع جبهة الخلاص الوطني لدينا، وسوف يساعد أيضا على تثقيف وإلهام الطلاب.

في هذه المقالة الفيديو، ونحن توثيق بروتوكول لتجميع خلية عملة CR2032 مع قطب كهربائي 2 LiCoO العمل، والقطب المضاد لي،و (في الغالب تستخدم عادة) البولي فينيل الفلوريد (PVDF) الموثق. للتأكد من المتعلمين جديد لتكرار بسهولة البروتوكول، علينا أن نحافظ على بروتوكول كما محددة وصريحة بقدر ما نستطيع. ومع ذلك، فمن المهم أن نلاحظ أنه في مجال البحوث الخاصة وتطوير العمل، الكثير من العوامل التي اعتمدت هنا يمكن أن تختلف. أولا، يمكن للمرء أن جعل خلايا عملة من مختلف الأحجام واختبار قطب كهربائي يعمل ضد القطب المضاد بخلاف لي. الثاني، وأضاف مبالغ أسود C والموثق في أقطاب العمل وتتنوع في كثير من الأحيان لتتناسب مع غرض معين من البحوث، على سبيل المثال، تم إضافة كميات كبيرة من مسحوق أسود C أو حتى الخاملة إلى القطب العمل لاختبار "جوهري" الأداء المواد الكاثود 14. وقد وضعت ثالث، أفضل الاضبارات (عدا PVDF) أيضا، وتستخدم 18. أخيرا، يمكن أيضا أنواع أخرى من الشوارد (بدلا من LiPF 6) يمكن استخدامها، في الواقع، بعض المواد الكهربائي عالية الجهد سيتطلب استخدامات electrol خاصytes 7.

Protocol

1. إعداد العامل الكهربائي

  1. تحضير خليط من وزن 6 ~. ٪ البولي فينيل الفلوريد (PVDF) الموثق في N-ميثيل pyrrolidone-2 (NMP).
  2. وزن 80 بالوزن. ٪ من المواد النشطة (LiCoO 2 في هذه الحالة)، ووزن 10. ٪ C الأسود (الأسيتيلين، 99.9٪ +)، ثم مزجها في دوامة لمدة 1 دقيقة.
  3. إضافة NMP-الموثق خليط من هذا القبيل أن الموثق يشكل 10 بالوزن. ٪ من الوزن الكلي للخليط.
  4. نقل الخليط فوق إلى قارورة زجاجية صغيرة وتخلط في الخلاط في دوامة دورة في الدقيقة كحد أقصى لنحو 30 دقيقة. ويمكن استخدام اثنين من الكرات زركونيا قطرها 5 ملم وسائل الإعلام من أجل تحسين الاختلاط. إذا لزم الأمر، إضافة المزيد من NMP من أجل الحصول على الطين من الاتساق المطلوب.
  5. نشر احباط المعدنية للجامع الحالي (عادة الألومنيوم لالكاثود والنحاس القطب الموجب) على لوحة من الزجاج. استخدام الأسيتون والتأكد من عدم وجود فقاعات الهواء بين احباط ولوحة زجاجية. استخدام طبقتين من اخفاء الشريط لتشكيل المسار ومواطنهالمعهد الوطني للإحصاء في المنطقة تطلى.
  6. تطبيق الطين إلى احباط المعدنية باستخدام ملعقة الفولاذ المقاوم للصدأ، ونشر الطين بشكل موحد على المسار باستخدام شفرة حلاقة.
  7. يجف الطلاء في الهواء أو فراغ في ~ 90-120 درجة مئوية لمدة حوالي 2-8 ساعات (التي ينبغي تعديلها تعتمد على المواد والموثق المستخدمة).
  8. وضع رقائق معدنية مغلفة بين ألواح الصلب اثنين (ورقتين وزنها لحماية الطلاء) واضغط تحت حمولة من رطل 3000 ~ باستخدام الضغط الهيدروليكي.
  9. كمة المجففة رقائق المعدنية المغلفة بالمطاط في أقراص من 8 ملم وقطرها (ويفضل داخل الصندوق). وزن كاثودات والتفاف عليها قبل ان ينتقل في علبة القفازات.
  10. لكمة احباط معدنية غير المصقول من نفس المادة إلى أقراص من 8 ملم في القطر وتزن هذه الأقراص.

2. إعداد المنحل بالكهرباء

  1. كما المنحل بالكهرباء هو حساس، تخزين المنحل بالكهرباء (1M LiPF 6 في المفوضية الأوروبية: DMC: ديسمبر في هذه الحالة) في bottl Nalgeneه ملفوفة من قبل رقائق الألومنيوم.

3. إعداد عداد الكهربائي (احباط ليثيوم في هذه الحالة)

  1. تنظيف السطح من احباط الليثيوم باستخدام فرشاة النايلون / غير القابل للصدأ مشرط الصلب حتى سطح لامع فضي يظهر (داخل صندوق قفازات الأرجون).
  2. لكمة احباط الليثيوم إلى أقراص من نصف قطرها بوصة (داخل صندوق قفازات الأرجون).

4. عملة خلية الجمعية

  1. ويبين الشكل 2 التخطيطي لعملة والجمعية الخلية.
  2. لكمة Celgard C480 الأغشية إلى أقراص من 19 ملم في القطر الفواصل واستخدامها على النحو.
  3. نقل الحالات خلية عملة (CR2032)، والينابيع والفواصل (التي تم شراؤها من شركة MTI)، فواصل وأقطاب العاملين في علبة القفازات (بعد التنظيف مبادل خمس مرات مع الأرجون).
  4. تجمع الخلايا عملة في علبة القفازات.
  5. إضافة قطرتين من المنحل بالكهرباء إلى كأس الخلية ووضع قطب كهربائي تعمل على ذلك. إضافة ثلاثة اخرينقطرات من المنحل بالكهرباء ومكان فصل 2 مع قطرتين من المنحل بالكهرباء بينهما. إضافة اثنين من أكثر قطرات من المنحل بالكهرباء قبل وضع قطب كهربائي عداد الليثيوم على ذلك. مكان اثنين من الفواصل الفولاذ المقاوم للصدأ، وربيع على القرص الليثيوم.
  6. إغلاق الخلية باستخدام غطاء الخلية و3-4 مرات تجعيد باستخدام آلة العقص المدمجة (التي تم شراؤها من شركة MTI).
  7. بعد تجميع هذه الخلايا، والتعامل مع الخلايا المصنعة باستخدام ملاقط بلاستيكية (لتجنب تلامس في الدائرة).
  8. تنظيف المنحل بالكهرباء الزائدة تتسرب من الجانبين للخلية باستخدام منديل ورقي.
  9. الخلية على استعداد للاختبار والتي يمكن اتخاذها للخروج من صندوق قفازات.

5. عملة خلية اختبار

  1. الحفاظ على عملة خلية مرتبطة اختبار البطارية في وضع الدائرة المفتوحة (OCV) التيار الكهربائي لمدة ساعة واحدة بمجرد ما يصبح جاهزا.
  2. تحديد إطار الجهد لاختبار الخلية استنادا إلى المادة الفعالة المستخدمة في العمل القطب.
  3. حساب للoretical قدرة للخلية باستخدام العمليات الحسابية المبينة أدناه.

وزن القرص الكهربائي مع المجمع الحالي = W EO

وزن القرص جامع الحالية غير المصقول من نفس القطر = W CC

وبالنظر إلى وزنها من المواد الكهربائي، W م، من قبل
المعادلة 1

وبالنظر إلى وزنها من المواد النشطة في القطب، W صباحا، من قبل
المعادلة 2

وتعطى القدرة النظرية لالقرص الكهربائي، C الضعف الجنسي، من قبل
المعادلة 3

حيث C هو ق نظريpecific قدرة المادة الفعالة.

  1. اختبار خلية عملة إلى المسؤول عن التفريغ في المطلوبة C-معدل.

6. ممثل النتائج

كمثال على ذلك، تم إنشاء عملة خلية باستخدام LiCoO والمادة الفعالة للقطب كهربائي يعمل. بعد البناء، تم اختبار خلية في م / 5 معدل. يتم عرض الملف التي تم الحصول عليها في الشكل 3. تم تعيين إطار الجهد لتكون ما بين 3 و 4.3 الخامس لهذه الخلية عملة. وكانت قدرة 155 مللي أمبير / ز للدورة التهمة الأولى و 140 مللي أمبير / ز لدورة التصريف الأول.

الشكل 1
الرسم البياني رقم 1 التدفق. من البناء الداخلي عملة الخلية. أولا، يتم إعداد القطب عمل من مسحوق من المادة الفعالة. ثم، يتم إعداد عداد كهربائي من احباط الليثيوم نظيفة واللكم الفواصل خارج. أخيرا، خلية هوتجميعها داخل صندوق قفازات الأرجون.

الشكل 2
الشكل 2. تخطيطي لعملية التجميع عملة خلية تظهر كافة المكونات في الترتيب الذي يتم وضعها داخل عملة قضية الخلية.

الشكل (3)
الشكل 3. النتائج التي تم الحصول عليها من الممثل خلية عملة شيدت باستخدام قطب كهربائي يعمل مصنوعة من LiCoO (2) والقطب احباط الليثيوم العداد. المؤامرة أن التهمة الأولى، ومنحنيات التفريغ الأول للعملة الخلية التي وجهت وتفريغها في م / 5 معدل.

الشكل 4
الشكل 4. مقارنة الطلاءات الجيدة والسيئة بعد أن تم تجفف. وطلاء متصدع ينتج عادة من الطين الذي يحتوي NMP الزائدة وطلاء المسامية ينتج عادة من قlurry له NMP غير كاف.

الشكل 5
الشكل 5. مقارنة خلية عملة مجعد بشكل جيد وخلية عملة مجعد بشدة، جنبا إلى جنب مع خلية من الامم المتحدة ومجعد. عادة، خلية عملة مجعد بشدة انشقاقات أفتح بعد بضع ساعات في المحيط بسبب تورم احباط الليثيوم بعد رد فعل مع رطوبة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في تجربتنا، فإن الخطوة الأكثر أهمية في التحضير للقطب كهربائي يعمل تبذل عجائن جيدة مع الاتساق. كما هو مبين في الشكل (4)، يمكن أن يزيد في الطين NMP يؤدي إلى تشقق الطلاء، في حين أن عدم كفاية NMP يمكن أن يؤدي إلى الطلاء التي يسهل اختراقها. في الأعمال المعروضة هنا، وتستخدم عملة CR2032 الحالات الخلية التي هي 20 ملم في القطر. تجدر الإشارة إلى أنه يمكن استخدام الحالات خلية عملة من مختلف الأحجام، حيث ينبغي أن تختلف أحجام قطب كهربائي وفقا لذلك. خلال الجمعية الخلية، العدد المناسب من الفواصل لاستخدامها يعتمد على سمك الليثيوم القطب احباط وارتفاع الخلية. ويمكن تغيير هذا الرقم من أجل الحصول على وثيقة بما فيه الكفاية خلية معبأة. بعد يتم تجميع الخلايا، فهي مجعد للحصول على ختم مشددة. فمن الأهمية بمكان أن الخلية هي مجعد بشكل جيد على حد سواء منذ القطب الليثيوم والمنحل بالكهرباء وحساسة للرطوبة. ويبين الشكل 5 مقارنة لbadlذ خلية مجعد وخلية مجعد جيدا، جنبا إلى جنب مع خلية من الامم المتحدة ومجعد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

نحن عن امتنانهم للدعم من برنامج سيراميك في شعبة بحوث المواد من مؤسسة العلوم الوطنية الأميركية، في إطار منحة لا. DMR-1006515 (مدير البرنامج الدكتور Lynnette D. مادسن).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Poly(vinylidene fluoride) Sigma-Aldrich 182702
1-Methyl-2-pyrrolidinone, 99.5% Alfa Aesar 31903
LiCoO2 Alfa Aesar 42090
Carbon black, acetylene, 99.9+% Alfa Aesar 39724
LiPF6 in EC:DMC:DEC MTI Corporation EQ-Be-LiPF6
Celgard separator Celgard C480
Analog Vortex Mixer VWR 58816-121
Vacuum oven
Vacuum pump
Hydraulic press
Coin cell case MTI Corporation EQ-CR2032-CASE-304
Spring and spacer MTI Corporation EQ-CR20SprSpa-304
Glovebox mBraun UNILAB
Battery tester Arbin Instruments BT2143

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cairns, E. J., Albertus, P. Batteries for Electric and Hybrid-Electric Vehicles. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 1, 299-320 (2010).
  2. Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. -M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334, 928-935 (2011).
  3. Goodenough, J. B. Cathode materials: A personal perspective. J. Power Sources. 174, 996-1000 (2007).
  4. Yamada, A., Chung, S. C., Hinokuma, K. Optimized LiFePO4 for lithium battery cathodes. Journal of the Electrochemical Society. 148, A224-A229 (2001).
  5. Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104, 4271-4301 (2004).
  6. Tarascon, J. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
  7. Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chemical Materials. 22, 587-603 (2010).
  8. Ceder, G. Identification of cathode materials for lithium batteries guided by first-principles calculations. Nature. 392, 694-696 (1998).
  9. Chung, S. Y., Bloking, J. T., Chiang, Y. M. Electronically conductive phospho-olivines as lithium storage electrodes. Nature Materials. 1, 123-128 (2002).
  10. Bruce, P. G., Scrosati, B., Tarascon, J. M. Nanomaterials for rechargeable lithium batteries. Angewandte Chemie-International Edition. 47, 2930-2946 (2008).
  11. Arico, A. S., Bruce, P., Scrosati, B., Tarascon, J. M., Van Schalkwijk, W. Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices. Nature Materials. 4, 366-377 (2005).
  12. Hochbaum, A. I., Yang, P. D. Semiconductor Nanowires for Energy Conversion. Chemical Reviews. 110, 527-546 (2010).
  13. Wang, Y., Cao, G. Z. Developments in nanostructured cathode materials for high-performance lithium-ion batteries. Advanced Materials. 20, 2251-2269 (2008).
  14. Kang, B., Ceder, G. Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature. 458, 190-193 (2009).
  15. Liu, J., Manthiram, A. Improved Electrochemical Performance of the 5 V Spinel Cathode LiMn1.5Ni0.42Zn0.08O4 by Surface Modification. Journal of the Electrochemical Society. 156, A66-A72 (2009).
  16. Kayyar, A., Qian, H. J., Luo, J. Surface adsorption and disordering in LiFePO4 based battery cathodes. Applied Physics Letters. 95, (2009).
  17. Sun, K., Dillon, S. J. A mechanism for the improved rate capability of cathodes by lithium phosphate surficial films. Electrochemistry Communications. 13, 200-202 (2011).
  18. Kovalenko, I. A Major Constituent of Brown Algae for Use in High-Capacity Li-Ion Batteries. Science. 333, 75-79 (2011).

Comments

5 Comments

  1. Please help me get this article. I have been trying to get it from various sources but its been almost half a month now. I would really appreciate your help.

    Thank you

    Reply
    Posted by: Rajankumar P.
    November 26, 2012 - 11:12 AM
  2. I'd love to this paper about the construction of coin-cell of LIB. Could you please sent me a copy to follow it? Thanks very much.

    Reply
    Posted by: wen q.
    January 13, 2013 - 9:31 PM
  3. This is a really nice article! I'd like to add some tips. The electrode discs need to be heated to remove moisture before putting in the glovebox. Also, the thickness of the electrode can be adjusted if a doctor blade coater is used. One question I have is why the cell needs to be crimped 3-4 times rather than just once.

    Reply
    Posted by: Anand D.
    January 18, 2013 - 4:59 PM
  4. Kindly send this this article. t would like to know how to assemble thin film lithium ion battery in glove and also characterization method. i'm eagerly expecting your results

    Reply
    Posted by: veena r.
    February 21, 2013 - 5:36 PM
  5. Is there any possibility I can get this article? I am a PhD student and it will be very helpful for my thesis dealing with nanoparticles for Li ion batteries. The goal is to construct and characterize electrodes for Li ion batteries. Thank you in advance. I am looking forward to the article.

    Reply
    Posted by: Vasiliki T.
    April 26, 2013 - 7:03 AM

Post a Question / Comment / Request

You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

Usage Statistics