リチウムイオンコイン電池の非水系電極加工および建設
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
リチウムイオン電池は、エネルギー貯蔵装置1-4の絶えず増大する要求を満たすための有望な供給源を表します。 LIBSの能力の向上は、電気自動車5,6の有効範囲を改善するだけでなく、次にグリッドエネルギー貯蔵アプリケーション7で使用するためのLIBSの生存率を増加させ、放電の深さを、減少させることによって、そのサイクル寿命を改善しないであろう。
もともと1970年代8に補聴器に使用し、コイン電池、今日は、一般的に、新規および既存の電極材料の開発、評価で使用されています。電池のための最小のフォームファクタの一つとして、これらの細胞は、学術研究の設定の電池を作成するための簡単かつ効果的な方法を表します。一般的なリチウムイオン電池は、正極、負極集電体、およびアノードとカソードの短絡を防ぐ多孔質セパレータで構成されています。リチウムイオン電池の作動中に、IONSと電子が移動体です。放電時に、イオンが多孔質セパレータを介して負極（アノード）からおよび正電極、又はカソードに移動します。一方、電子は、最終的には、カソード側のイオンと再結合、外部回路全体で、集電体を通って移動します。イオンおよび電子移動に関連した任意の抵抗を低減するために、コンポーネントが適切に配向する必要がある – 距離イオンの移動が最小化されるべきです。典型的には、これらのコンポーネントは、「サンドイッチ」の設定を組み合わせています。電気自動車で使用される電池、携帯電話、家電、電池のフォームファクタに応じて、螺旋状に巻かれたまたは折り畳まれている大規模なサンドイッチで構成されています。細胞のこれらのタイプは、高いコストをかけず、小さなスケールで製造するのが非常に困難な場合があります。しかし、コイン電池のセル内の単一のサンドイッチがあります。特殊な装置は、電極を作成することが必要であるが、私コインセルを、N、細胞自体を迅速に手で組み立てられ、制御された環境内に密封することができます。
電池の性能は、タイプに関係なく、正と負極、電解質の選択、およびセルアーキテクチャ4,9-13を形成する材料に依存しています。典型的なLIB電極はLi含有活物質、導電助剤、ポリマーバインダー、および電解質で充填される空隙の組み合わせで構成されています。 – 多くの場合、ほとんど注目されているステップ、乾燥粉末混合、湿式混合、基板準備、フィルム塗布、乾燥：電極の処理は、5つの主要なステップにまとめることができます。これらの処理ステップを使用して電極を製造する場合、最終目標は、活物質、導電助剤、結着剤からなる均一な電極膜を達成することです。この均一な分布がLIBS 14-18の最適なパフォーマンスに重要です。
NT ">このガイドでは、新規および既存の電極材料の評価のためにコイン電池を製造するためのエネルギーと交通科学研究所（ETSL）でテキサスA＆Mで、テキサス州立大学で利用手順を表します。多くのソースで文書発見の基本的な手順を超えて、私たちはしばしば同様の方法文書や多くの出版物から除外されている重要な詳細に注目し、重要なステップで私たち自身の専門知識が含まれている。また、私たちの研究室で利用主要な物理的および電気化学的方法（定電流サイクリング、電気化学インピーダンス分光法（EIS））内解明されています。Protocol
Representative Results
Discussion
湿式混合段階の最適化は、スラリー粘度とコーティング能力、電極の影響均一性と密着性に極めて重要です。ここで、高せん断混合法を利用し、溶剤、添加剤、結合剤、及び活性物質がバイアル中に存在するガラス・ボールの運動の動きを利用して一緒に混合されます。この混合技術は、磁気撹拌法に比べてはるかに迅速な混合時間の利点を提供しています。これを越えて、この高剪断混合?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、財政的にテキサスA＆M大学教員の研究開始許可（ムカジー）とテキサス州立大学起動資金（ローズ）でサポートされています。
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
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