Konstruktion och test av Knappceller av litiumjonbatterier
Summary
Ett protokoll att konstruera och testa mynt celler litiumjonbatterier beskrivs. De specifika förfarandena för framställning av en arbetselektrod, framställning av en motelektrod, hopsättning av en cell i en handskbox och testning av cellen presenteras.
Abstract
Laddningsbara litium jon batterier har breda tillämpningar inom elektronik, där kunderna alltid kräver mer kapacitet och längre livslängd. Litium jon-batterier har också ansetts att användas i el-och hybridfordon 1 eller ens elnätet system stabilisering 2. Alla dessa applikationer simulera en dramatisk ökning av forskning och utveckling av batterier material 3-7, bland annat nya material 3,8, dopning 9, nanostrukturering 10-13, beläggningar eller ytförändringsbeläggningar 14-17 och bindemedel nya 18. Följaktligen har ett ökande antal fysiker, kemister och material forskare vågade nyligen på detta område. Coin celler används allmänt i forskningslaboratorier för att testa nya batteri material, även för forskning och utveckling som mål storskaliga och hög effekt tillämpningar är små mynt cellerna ofta för att testa kapacitet och förmåga ränta förnya material i det inledande skedet.
Under 2010 startade vi en National Science Foundation (NSF) sponsrade forskningsprojekt för att undersöka ytan adsorption och oordning i batteri material (bidrag nr. DMR-1.006.515). I det inledande skedet av projektet har vi kämpat för att lära oss tekniker för montering och testning mynt celler, som inte kan uppnås utan att många hjälp av andra forskare i andra universitet (genom täta samtal, utbyten e-post och två platsbesök). Därför anser vi att det är bra att dokumentera, både text och video, ett protokoll för montering och testa ett mynt cell, vilket kommer att hjälpa andra nya forskare inom detta område. Denna insats utgör de "större inverkan" verksamheten i vårt NSF projektet, och det bidrar också till att utbilda och inspirera studenter.
I den här videon artikel dokumenterar vi ett protokoll att sätta ihop ett CR2032 mynt cell med en LiCoO 2 arbetselektrod, en Li motelektrod,och (den mest vanligen använda) polyvinylidenfluorid (PVDF) bindemedel. För att säkerställa nya studerande att enkelt upprepa protokollet håller vi protokollet så specifik och tydlig som möjligt. Det är dock viktigt att notera att i särskilda forsknings-och utvecklingsarbete, som antogs många parametrar här kan varieras. Första kan man göra mynt celler av olika storlekar och testa den arbetande elektroden mot en motelektrod än Li. Andra, tillsättas mängderna C svart och bindemedel i de arbetande elektroder används ofta varieras för att passa den speciella forskningsändamål, till exempel, har stora mängder av C svart eller till och med inert pulver sattes till den arbetande elektroden för att testa "inneboende" prestanda av katodmaterial 14. Tredje, bättre bindemedel, annan än PVDF) har också utvecklat och använt 18. Slutligen kan andra typer av elektrolyter (i stället för LiPFg 6) också användas, i själva verket kommer vissa högspänningselektrod material kräver användningen av särskild electrolytes 7.
Protocol
Discussion
Vår erfarenhet är det mest kritiska steget i framställningen av den arbetande elektroden att göra bra slam med konsekvens. Såsom visas i figur 4, kan överskott NMP i uppslamningen resultera i en spräckt beläggning, medan otillräcklig NMP kan resultera i en porös beläggning. I arbetet presenteras här är CR2032 knappcell fall som är 20 mm i diameter används. Det bör noteras att cellbatteri fall av olika storlekar kan användas, där elektroden storlekar bör varieras i enlighet därmed. Un…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkänner tacksamt stöd från Ceramics programmet i division of Materials Research i USA National Science Foundation, enligt bidraget nr. DMR-1006515 (programchef, 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).
