Ikke-vandig Elektrode Behandling og konstruktion af lithium-ion-Coin celler
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 batterier udgør en lovende kilde til at opfylde de stadigt stigende krav til energi lagringsenheder 1-4. Forbedringer i kapacitet LIBS vil ikke blot forbedre den effektive vifte af elbiler 5,6, men også forbedre deres cyklus levetid ved at reducere dybden af udledning, hvilket igen øger levedygtigheden af libs til brug i nettet energi storage applikationer 7.
Oprindeligt brugt til høreapparater i 1970'erne 8, er mønt celler i dag almindeligt anvendt i udviklingen og evalueringen af nye og eksisterende elektrode materialer. Som en af de mindste formfaktorer for batterier, udgør disse celler en enkel og effektiv måde at skabe batterier i en akademisk forskning indstilling. En typisk lithium-ion batteri består af en katode, anode, strømaftagere og en porøs separator, der forhindrer kortslutning af anoden og katoden. Under driften af et lithium-ion batteri, ions og elektroner er mobile. Under tømning, ioner rejse fra den negative elektrode (anode) gennem den porøse separator og ind den positive elektrode eller katode. I mellemtiden elektroner rejse gennem strømaftageren, på tværs af ydre kredsløb endelig rekombinere med ionerne på katodesiden. For at mindske eventuelle modstande forbundet med ion og elektronoverførsel, skal de komponenter, der skal orienteres korrekt – afstand ioner rejser den bør minimeres. Typisk disse komponenter kombineres en "sandwich" -konfiguration. Batterier, der anvendes i elektriske køretøjer, mobiltelefoner og forbrugerelektronik består af store sandwich, som er spiralviklede eller foldede, afhængigt af formfaktor af batteriet. Disse typer af celler kan være meget vanskelig at fremstille i lille skala uden høje omkostninger. Men i en mønt celle er der kun en enkelt sandwich i cellen. Selvom specialudstyr er stadig nødvendigt at skabe elektroderne jeg n knapceller, selve cellerne hurtigt kan samles i hånden og forseglet i et kontrolleret miljø.
Udførelsen af batterier, uanset type, er afhængig af de materialer, som udgør den positive og negative elektrode, valget af elektrolyt, og cellen arkitektur 4,9-13. En typisk LIB elektrode består af en kombination af Li-holdige aktivt materiale, ledende additiv, polymert bindemiddel og hulrum, der er fyldt med en elektrolyt. Elektrode behandling kan organiseres i fem hovedtrin: tørt pulver blanding, våd blanding, forberedelse af underlaget, film ansøgning, og tørring – et skridt, der er ofte givet lidt opmærksomhed. Ved fremstilling af en elektrode ved hjælp af disse procestrin, det endelige mål er at opnå en ensartet elektrode folie bestående af det aktive materiale, ledende additiv, bindemiddel. Denne ensartet fordeling er afgørende for optimal ydeevne Libs 14-18.
nt "> Denne vejledning er den udnyttede ved Texas A & M i Energi og Transport Sciences Laboratory (ETSL) og Texas State University til at fremstille mønt celler til evaluering af nye og eksisterende elektrode materialer trin. Ud over de grundlæggende trin findes dokumenteret i mange kilder Vi har medtaget vores egen ekspertise på kritiske trin, at bemærke, vigtige detaljer, som ofte udeladt af lignende metoder dokumenter og mange publikationer. Derudover de primære fysiske og elektrokemiske metoder, der anvendes i vores laboratorium (galvanostatisk cykling og Elektrokemisk Impedans Spektroskopi (EIS)) belyses indefra.Protocol
Representative Results
Discussion
Optimeringen af vådblanding trin er afgørende for opslæmningsviskositeten og coating evne, som påvirker den ensartede og adhæsion af elektroden. Her er en højforskydningsblanding fremgangsmåde anvendes, når opløsningsmidlet additiv, bindemiddel og aktivt materiale blandes sammen udnytte de kinetiske bevægelser af glaskugler til stede i hætteglassene. Denne blanding teknik tilbyder fordelen ved meget mere hurtig blanding gange sammenlignet med en magnetomrører fremgangsmåde. Ud over dette, denne blandi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde er støttet af Texas A & M University fakultet forskning indledning tilskud (Mukherjee) og Texas State University opstart finansiering (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).
