Строительство и испытания монет клетки литий-ионных батарей

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

Протокол для построения и тестирования монеты клетки литий-ионных батарей описан. Конкретные процедуры принятия рабочего электрода, подготовке контр электрод, монтаж ячейки внутри перчаточного ящика и тестирования ячейки представлены.

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

Protocol

1. Подготовка рабочего электрода

  1. Приготовить смесь из ~ 6 мас. % Поливинилиденфторида (PVDF) связующего в N-метил-2-пирролидон (NMP).
  2. Взвесить 80 мас. % Активного вещества (LiCoO 2 в данном случае) и 10 мас. % С черный (ацетилен, 99,9 +%), а затем смешать их в вихрь в течение 1 мин.
  3. Добавить NMP-связующего смесь, что связующее составляет 10 мас. % От общей массы смеси.
  4. Передача вышеуказанной смеси в небольшой флакон из стекла и смеси в вихревой смеситель на максимальных оборотах в течение примерно 30 мин. Два циркония шары диаметром 5 мм может использоваться в качестве средства массовой информации для лучшего перемешивания. Если необходимо, добавьте больше NMP для получения раствора необходимой консистенции.
  5. Распространение металлической фольги из коллектора тока (как правило, алюминий и медь катод для анода) на стеклянную пластинку. Использование ацетона и убедитесь, что нет воздушных пузырей между пленкой и стеклом. Используйте два слоя клейкой ленты, чтобы сформировать трек и четкостиНИС региона, которые будут покрыты.
  6. Применение суспензии на металлическую фольгу помощью шпателя из нержавеющей стали и распространение суспензии равномерно на дорожку при помощи лезвия бритвы.
  7. Высушите покрытие на воздухе или в вакууме при ~ 90-120 ° C в течение 2-8 часов (которые должны быть скорректированы в зависимости от материала и связующего используется).
  8. Поместите покрытый металлической фольги между двумя стальными пластинами (и два взвешивания документы для защиты покрытия) и нажмите кнопку под нагрузкой ~ 3000 фунтов с помощью гидравлического пресса.
  9. Пробейте сухой покрытый металлической фольгой на диски диаметром 8 мм (желательно внутри перчаточного ящика). Взвесьте катодов и обернуть их до передачи в перчаточном ящике.
  10. Пробейте без покрытия металлической фольги из того же материала на диски диаметром 8 мм и весят эти диски.

2. Подготовка электролита

  1. Как электролита светочувствительная, хранения электролита (1M LiPF 6 в ЕС: DMC: DEC в данном случае) в Nalgene bottlэлектронной обернуты алюминиевой фольги.

3. Подготовка счетчиков электрода (литий фольги в этом случае)

  1. Очистить поверхность от литий фольги помощью нейлоновой щетки / нержавеющая сталь скальпеля до блестящей серебристой поверхности появляется (в аргоне перчаточный ящик).
  2. Пробейте литий фольги в диски диаметром ½ дюйма (внутри перчаточного ящика аргон).

4. Ассамблея монет сотовых

  1. На рисунке 2 показана схема сборки ячейки монеты.
  2. Удар Celgard C480 мембран на диски от 19 мм в диаметре и использовать их в качестве разделителей.
  3. Передача монеты клетки случаях (CR2032), пружины и прокладки (приобретенные у корпорации MTI), сепараторы и рабочих электродов в перчаточном ящике (после промывки теплообменника в пять раз с аргоном).
  4. Соберите монеты клеток в перчаточном ящике.
  5. Добавить две капли электролита на клетку чашку и поместить рабочего электрода на нем. Добавить еще трикапли электролита и за два сепараторов две капли электролита между ними. Добавьте еще две капли электролита до размещения электродов литий счетчиком. Разместить две прокладки из нержавеющей стали и весной на литий диск.
  6. Закройте ячейку с помощью крышки клетки и обжимной 3-4 раз, используя компактный обжимной машины (приобретенные у MTI Corp.)
  7. После сборки клеток, готовых справиться с клетками с использованием пластиковых пинцетом (чтобы избежать короткого замыкания).
  8. Очистите избыток электролита утечки из сторон ячейки с помощью бумажной салфетки.
  9. Клетка готова к тестированию и могут быть вывезены из перчаточного ящика.

5. Тестирование монет сотовых

  1. Держите монеты ячейка соединена с батареей тестер в разрыв цепи питания (ПХВ), режим в течение одного часа, как только он будет готов.
  2. Определение напряжений для проверки ячейки на основе активного вещества, используемые в рабочем электроде.
  3. Рассчитатьтеоретический потенциал для ячейки с помощью расчетов показано ниже.

Масса электрода диск с коллектором тока = W EO

Масса без покрытия текущего диска коллектора того же диаметра = W CC

Вес материала электрода, W Е.М., дается
Уравнение 1

Масса активного материала в электроде, W AM, дается
Уравнение 2

Теоретический потенциал для электродов диска C ED, дается
Уравнение 3

где С-теоретического сpecific способности активного вещества.

  1. Проверьте монеты клетки циклов заряд-разряд в нужном C-ставки.

6. Представитель Результаты

Например, монеты клетки был построен с использованием LiCoO 2 в качестве активного вещества для рабочего электрода. После завершения строительных работ, клетка была опробована на C / 5 ставки. Полученный профиль показан на рисунке 3. Напряжений было установлено, что между 3 и 4,3 В для этой монеты клетки. Емкость составляет 155 мАч / г для первого цикла заряда и 140 мАч / г для первого цикла разряда.

Рисунок 1
Рисунок 1. Блок-схема процедуры построения ячейки монеты. Во-первых, рабочий электрод изготавливается из порошка активного материала. Затем счетчик электродов получают из чистой пленкой лития и сепараторы штампуют. Наконец, клеткасобранный в атмосфере аргона бардачок.

Рисунок 2
Рисунок 2. Схема сборки монеты клетки процесса с указанием всех компонентов в порядке, что они находятся внутри корпуса ячейки монеты.

Рисунок 3
Рисунок 3. Представитель результаты, полученные монеты клетки построены с использованием рабочего электрода из LiCoO 2 и литий фольги противоположному электроду. Из графика видно, первое обвинение и первые кривые разряда для монет клетки, который был заряжен и разряжен на C / 5 ставки.

Рисунок 4
Рисунок 4. Сравнение хорошее и плохое покрытие после того как они были высушены. Трещин покрытия обычно возникает в результате суспензия, которая имеет избыточный NMP и пористым покрытием обычно является результатом свагонетка, что не имеет достаточных NMP.

Рисунок 5
Рисунок 5. Сравнение и гофрированные клетки монеты и сильно гофрированные монеты клетки, наряду с не-гофрированные клеток. Как правило, сильно гофрированные монеты клетка расщепляется через несколько часов в окружающем из-за опухоли лития фольги после реакции с влагой.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

По нашему опыту, наиболее важным шагом в подготовке рабочего электрода делает хорошие суспензии с консистенцией. Как показано на рисунке 4, превышение NMP в суспензии может привести к трещины покрытия, в то время как недостаточная NMP может привести к пористым покрытием. В работе, представленной здесь, CR2032 монеты клетки дел, которые диаметром 20 мм используются. Следует отметить, что монета клетки случаев различных размеров могут быть использованы, в котором электрод размеры должны быть изменены соответствующим образом. В ячейке сборки, соответствующее количество прокладок, которые будут использоваться в зависимости от толщины электрода литий фольги и высоту ячейки. Это число может быть изменено для того, чтобы получить достаточно плотной упаковки клеток. После того как клетки собираются, они гофрированные получить герметичное уплотнение. Очень важно, что клетки гофрированные хорошо, так как оба электрода литий и электролита, чувствительных к влаге. На рисунке 5 показано сравнение badlу гофрированные клеток и также гофрированные клетки, наряду с не-гофрированные клеток.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

Мы выражаем глубокую признательность поддержке программы керамики в отдел Материалы исследований Национального научного фонда США, в рамках гранта нет. DMR-1006515 (руководитель программы доктор Lynnette D. Madsen).

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