Konstruktion og prøvning af Coin celler af lithium-ion batterier
Summary
En protokol til at konstruere og teste mønt celler af lithium-ion-batterier er beskrevet. De specifikke fremgangsmåder til fremstilling af en arbejdselektrode, fremstilling af en modelektrode, samling af en celle i en handskekasse og afprøvning cellen er præsenteret.
Abstract
Genopladelige lithium ion batterier har bred anvendelse inden for elektronik, hvor kunderne altid kræve større kapacitet og længere levetid. Lithium-ion batterier er også blevet anset for at være brugt i elektriske og hybride køretøjer 1 eller endda elektriske grid systemer til stabilisering af 2. Alle disse applikationer simulere en dramatisk stigning i forskning og udvikling af batteri materialer 3-7, herunder nye materialer 3,8, doping 9, nanostrukturering 10-13, belægninger eller overflademodifikationer 14-17 og nye bindemidler 18. Derfor har et stigende antal fysikere, kemikere og materialer forskere for nylig vovede sig ind i dette område. Coin celler er meget udbredt i forskningslaboratorier til at afprøve nye batteri materialer, selv for forskning og udvikling som er rettet mod store og high-power applikationer, der er lille mønt celler ofte bruges til at teste kapaciteten og sats evnernye materialer i den indledende fase.
I 2010 startede vi en National Science Foundation (NSF) sponsoreret forskningsprojekt at undersøge overfladeadsorption og disordering i batteri materialer (ikke give. DMR-1.006.515). I den indledende fase af dette projekt, har vi kæmpet for at lære de teknikker til montage og test mønt celler, som ikke kan opnås uden talrige hjælp fra andre forskere i andre universiteter (gennem hyppige opkald, e-mail udvekslinger og to besøg på stedet). Derfor føler vi, at det er fordelagtigt at dokumentere, både tekst og video, en protokol at samle og teste en mønt celle, som vil hjælpe andre nye forskere på dette område. Denne indsats repræsenterer de "bredere effekt" aktiviteter i vores NSF projekt, og det vil også bidrage til at uddanne og inspirere de studerende.
I denne video artiklen, dokumentere vi en protokol til at samle et CR2032 mønt celle med en LiCoO2 arbejder elektrode, en Li modelektrode,og (det mest almindeligt anvendte) polyvinylidenfluorid (PVDF) bindemiddel. For at sikre nye studerende til let at gentage protokollen, holder vi den protokol som specifikke og eksplicitte som vi kan. Men det er vigtigt at bemærke, at i bestemte forsknings-og udviklingsarbejde, mange parametre, der blev vedtaget her, kan varieres. For det første kan man foretage mønt celler af forskellige størrelser og teste arbejdselektroden mod en modelektrode end Li. Sekund, mængderne af C sort og bindemiddel tilsat til de arbejdende elektroder ofte varieres for at passe til særlige formål forskning, for eksempel, blev store mængder af C sort eller endog inert pulver tilsat til arbejdselektroden at teste "intrinsic" præstation til billedrør materialer 14. For det tredje bedre bindemidler, bortset PVDF) har også udviklet og brugt 18. Endelig kan andre typer elektrolytter (i stedet for LiPF 6) kan også anvendes, faktisk vil visse højspænding elektrodematerialer kræver anvendelse af specielle electrolytes 7.
Protocol
Discussion
I vores erfaring er det mest kritiske trin i forberedelsen af arbejdet elektroden gøre gode slam med konsistens. Som vist i figur 4, kan overskydende NMP i opslæmningen resultere i en revnet coating, medens utilstrækkelig NMP kan resultere i en porøs coating. I det foreliggende arbejde her, CR2032 knapcellebatteri tilfælde, der er 20 mm i diameter anvendes. Det skal bemærkes, at knapcellebatteri tilfælde af forskellige størrelser kan anvendes, hvor elektroden størrelser skal varieres i ov…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker for støtte fra Ceramics program i afdelingen for Materialeforskning af det amerikanske National Science Foundation, under ikke give. DMR-1006515 (program manager, Dr. Lynnette D. Madsen).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number |
| 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 |
References
- Cairns, E. J., Albertus, P. Batteries for Electric and Hybrid-Electric Vehicles. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 1, 299-320 (2010).
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. -. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334, 928-935 (2011).
- Goodenough, J. B. Cathode materials: A personal perspective. J. Power Sources. 174, 996-1000 (2007).
- Yamada, A., Chung, S. C., Hinokuma, K. Optimized LiFePO4 for lithium battery cathodes. Journal of the Electrochemical Society. 148, A224-A229 (2001).
- Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104, 4271-4301 (2004).
- Tarascon, J. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
- Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chemical Materials. 22, 587-603 (2010).
- Ceder, G. Identification of cathode materials for lithium batteries guided by first-principles calculations. Nature. 392, 694-696 (1998).
- Chung, S. Y., Bloking, J. T., Chiang, Y. M. Electronically conductive phospho-olivines as lithium storage electrodes. Nature Materials. 1, 123-128 (2002).
- Bruce, P. G., Scrosati, B., Tarascon, J. M. Nanomaterials for rechargeable lithium batteries. Angewandte Chemie-International Edition. 47, 2930-2946 (2008).
- 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).
- Hochbaum, A. I., Yang, P. D. Semiconductor Nanowires for Energy Conversion. Chemical Reviews. 110, 527-546 (2010).
- Wang, Y., Cao, G. Z. Developments in nanostructured cathode materials for high-performance lithium-ion batteries. Advanced Materials. 20, 2251-2269 (2008).
- Kang, B., Ceder, G. Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature. 458, 190-193 (2009).
- 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).
- Kayyar, A., Qian, H. J., Luo, J. Surface adsorption and disordering in LiFePO4 based battery cathodes. Applied Physics Letters. 95, (2009).
- 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).
- Kovalenko, I. A Major Constituent of Brown Algae for Use in High-Capacity Li-Ion Batteries. Science. 333, 75-79 (2011).
