Niet-waterige elektrode Verwerking en constructie van Lithium-ion Coin Cells
Summary
Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.
Abstract
Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.
Introduction
Lithium-ion batterijen een veelbelovende bron aan de steeds toenemende eisen van energiereservoirs 1-4 vervullen. Verbetering van de capaciteit van LIBs zou niet alleen het effectieve bereik van elektrische voertuigen 5,6, maar ook hun levensduur verbeteren door de ontlading, die op zijn beurt de levensvatbaarheid van LIBs voor gebruik in energieopslagtechniek toepassingen 7.
Oorspronkelijk voor gehoorapparaten in 1970 8 worden knoopcellen tegenwoordig algemeen gebruikt in de ontwikkeling en evaluatie van nieuwe en bestaande elektrodematerialen. Als een van de kleinste vormfactoren voor batterijen, deze cellen vormen een eenvoudige en effectieve manier om de batterijen te maken in een wetenschappelijk onderzoek instelling. Een typische Lithium-Ion batterij bestaat uit een kathode, anode, stroomcollectoren, en een poreuze separator, dat kortsluiting van de anode en kathode voorkomt. Tijdens de operatie van een Lithium-Ion batterij, ions en elektronen zijn mobiel. Tijdens het lossen, ionen reizen van de negatieve elektrode (anode) door de poreuze separator en in de positieve elektrode, of kathode. Ondertussen elektronen door de stroomafnemer, over het externe circuit tenslotte recombineren met de ionen aan de kathode zijde. Om eventuele weerstanden verbonden aan ionen en elektronen overdracht beperken, moeten de componenten juiste oriëntatie – de afstand ionen reizen moet worden geminimaliseerd. Typisch deze componenten worden gecombineerd een "sandwich" configuratie. Batterijen gebruikt in elektrische voertuigen, mobiele telefoons en consumentenelektronica bestaan uit grote sandwiches die spiraalvormig zijn gewikkeld of gevouwen, afhankelijk van de vorm factor van de batterij. Deze types van cellen kunnen zeer moeilijk te vervaardigen op kleine schaal zonder hoge kosten. In een munt cel is er slechts één sandwich in de cel. Hoewel gespecialiseerde apparatuur is nog steeds nodig om de elektroden te creëren i n munt cellen, de cellen zelf kunnen snel worden met de hand geassembleerd en verzegeld in een gecontroleerde omgeving.
De prestaties van de batterijen, ongeacht het type, afhankelijk van de materialen die de positieve en negatieve elektrode, de keuze van de elektrolyt en de celarchitectuur 4,9-13 vormen. Een typische LIB elektrode bestaat uit een combinatie van Li-bevattend actief materiaal, geleidend additief polymeer bindmiddel en holle ruimte die is gevuld met een elektrolyt. Elektrode verwerking kan worden georganiseerd in vijf stappen: droge poeder mengen, nat mengen, voorbereiding van de ondergrond, film applicatie en drogen – een stap die vaak wordt gegeven weinig aandacht. Bij het produceren van een elektrode met deze verwerkingsstappen, het einddoel is om een uniforme elektrodefilm bestaande uit het actieve materiaal, geleidend additief, bindmiddel bereiken. Deze gelijkmatige verdeling is van cruciaal belang om optimale prestaties van LIBs 14-18.
nt "> Deze gids geeft de stappen gebruikt bij Texas A & M in de Energie en Transport Sciences Laboratory (ETSL) en Texas State University om coin cellen produceren voor de evaluatie van nieuwe en bestaande elektrode materialen. Naast de basisstappen gevonden gedocumenteerd in vele bronnen , hebben we onze eigen expertise op kritieke stappen opgenomen, en merkt belangrijke details die vaak weggelaten uit gelijkaardige methodes documenten en vele publicaties. Daarnaast is de primaire fysieke en elektrochemische methoden gebruikt in ons lab (galvanostatic fietsen en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS)) worden opgehelderd binnen.Protocol
Representative Results
Discussion
Het optimaliseren van de natte mengtrappen zijn cruciaal voor de suspensie viscositeit en coating vermogen, die van invloed op de uniformiteit en adhesie van de elektrode. Hier een high-shear mixing methode wordt gebruikt, waarbij het oplosmiddel, additieven, bindmiddel en actieve materiaal worden gemengd met gebruikmaking van de kinetische bewegingen van de glazen bollen in de flesjes. Dit mengtechniek biedt het voordeel van veel snellere mengtijden in vergelijking met een magnetische roerder methode. Afgezien van deze…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt financieel ondersteund door de Texas A & M University faculteit onderzoek initiatie subsidie (Mukherjee) en Texas State University start-up financiering (Rhodes).
Materials
| 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 | 25um 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).
- Cich, E. R. Button Cell battery. US patent. , (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).
