تجهيز الكهربائي غير مائي وبناء خلايا بطارية ليثيوم أيون كوين
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
بطاريات ليثيوم أيون تمثل مصدرا واعدا لتلبية الاحتياجات المتزايدة من أجهزة تخزين الطاقة 1-4. ومن شأن التحسينات في قدرة يبس ليس فقط تحسين مجموعة فعالة من السيارات الكهربائية 5،6، ولكن أيضا تحسين دورة الحياة عن طريق الحد من عمق التصريف، وهذا بدوره يزيد من قابلية يبس لاستخدامها في تطبيقات تخزين الطاقة الشبكة 7.
في الأصل تستخدم لالسمع في 1970s 8، وتستخدم خلايا عملة اليوم عادة في تطوير وتقييم المواد القطب الجديدة والقائمة. باعتبارها واحدة من أصغر عامل الشكل للبطاريات، وهذه الخلايا تمثل وسيلة بسيطة وفعالة لخلق البطاريات في محيط البحوث الأكاديمية. وتتكون بطارية ليثيوم ايون نموذجية من القطب السالب، الأنود، وهواة جمع الحالية، وفاصل يسهل اختراقها والتي يمنع التقليل من القطب الموجب والسالب. أثناء تشغيل بطارية ليثيوم ايون، الإعلام والتوعيةنانوثانية والالكترونات متحركة. خلال التفريغ، أيونات السفر من القطب السالب (الأنود) من خلال فاصل يسهل اختراقها وإلى القطب الموجب أو السالب. وفي الوقت نفسه، الإلكترونات تنتقل من خلال جامع الحالي، عبر الدائرة الخارجية، إعادة توحيد أخيرا مع الأيونات على الجانب الكاثود. من أجل الحد من أي المقاومة المرتبطة أيون ونقل الإلكترون، تحتاج إلى المكونات لتكون موجهة بشكل صحيح – وينبغي التقليل من السفر أيونات بعد. عادة هذه المكونات يتم الجمع بين تكوين "ساندويتش". تتكون البطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية، والهواتف المحمولة، والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية من السندويشات الكبيرة التي هي الجرح حلزونيا أو مطوية، اعتمادا على عامل الشكل للبطارية. هذه الأنواع من الخلايا يمكن أن يكون من الصعب جدا لتصنيع في المقاييس الصغيرة دون تكبد تكاليف عالية. ومع ذلك، في زنزانة عملة لا يوجد سوى ساندويتش واحد داخل الخلية. على الرغم من المعدات المتخصصة لا تزال هناك حاجة لإنشاء أقطاب ط خلايا عملة ن، الخلايا نفسها يمكن تجميعها بسرعة باليد ومختومة في بيئة تسيطر عليها.
أداء البطاريات، بغض النظر عن نوع، ويعتمد على المواد التي تشكل القطب الإيجابي والسلبي، واختيار بالكهرباء، والعمارة خلية 4،9-13. يتكون القطب LIB نموذجي من مزيج من ليثيوم تحتوي على المادة الفعالة، والمضافات موصل، الموثق البوليمر، ومساحة الفراغ الذي يملأ مع بالكهرباء. ويمكن تنظيم التجهيز الكهربائي في خمس خطوات رئيسية هي: الجافة خلط مسحوق، الخلط الرطب، وإعداد الركيزة، وتطبيق الفيلم، والتجفيف – خطوة الذي غالبا ما يعطى القليل من الاهتمام. عندما انتاج الكهربائي باستخدام هذه خطوات المعالجة، والهدف النهائي هو تحقيق فيلم القطب موحدة تتألف من المادة الفعالة، والمضافات موصل، الموثق. هذا توزيع موحد أمر بالغ الأهمية لتحقيق الأداء الأمثل ليبس 14-18.
الإقليم الشمالي "> هذا الدليل يمثل الخطوات المستخدمة في تكساس A & M في مختبر الطاقة وعلوم النقل (ETSL) وفي جامعة ولاية تكساس لتصنيع خلايا عملة لتقييم المواد القطب الجديدة والقائمة. وبالإضافة إلى الخطوات الأساسية التي وجدت موثقة في العديد من المصادر ، أدرجنا خبراتنا الخاصة في المراحل الحرجة، مشيرا إلى التفاصيل المهمة التي غالبا ما يتم استبعاده من الوثائق أساليب مماثلة والعديد من المنشورات. بالإضافة إلى ذلك، الطرق الفيزيائية والكهروكيميائية الأولية المستخدمة في المختبر لدينا (الدراجات galvanostatic والكهروكيميائية الممانعة الطيفي (EIS)) يتم توضيح الداخل.Protocol
Representative Results
Discussion
الاستفادة المثلى من مراحل خلط الرطب حاسمة لزوجة الطين وطلاء القدرة، مما يؤثر على وحدة والتصاق القطب. هنا يستخدم أسلوب خلط عالية القص، حيث المذيبات، المضافة، الموثق، والمادة الفعالة تختلط معا الاستفادة من الاقتراحات الحركية للكرات زجاجية موجودة في قارورة. هذه التقن…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم هذا العمل ماليا من تكساس A & M جامعة منحة بدء الأبحاث أعضاء هيئة التدريس (موخرجي) وجامعة ولاية تكساس تمويل البدء (رودس).
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).
