Introduction
Lithium-ion batterier representerer en lovende kilde til å oppfylle de stadig økende kravene til energi lagringsenheter 1-4. Forbedringer i egenskap av libs ville ikke bare forbedre effektiv rekkevidde på elbiler 5,6, men også forbedre sin livssyklus ved å redusere dybden av utslippet, som igjen øker levedyktigheten til libs for bruk i grid energilagring applikasjoner 7.
Opprinnelig brukt for høreapparater i 1970 åtte, er knappceller i dag ofte brukt i utvikling og evaluering av nye og eksisterende elektrodematerialer. Som en av de minste formfaktorer for batterier, disse cellene representerer en enkel og effektiv måte å lage batterier i en akademisk forskning setting. En typisk litiumion-batteri består av en katode, en anode, strømkollektorer, og en porøs separator som hindrer kortslutning av anoden og katoden. Under drift av et Lithium-Ion batteri, ions og elektroner er mobile. Under utladning, ioner reise fra den negative elektrode (anode) gjennom den porøse separator og inn i den positive elektrode eller katoden. I mellomtiden elektronene gjennom strømavtakeren, på tvers av den ytre krets, og til slutt å rekombinere med ioner på katodesiden. For å redusere eventuelle motstandene forbundet med ion og elektron overføring, komponentene må være riktig orientert - avstanden ioner reise bør minimaliseres. Vanligvis er disse komponentene er kombinert en "sandwich" konfigurasjon. Batterier som brukes i elektriske biler, mobiltelefoner og forbrukerelektronikk består av store smørbrød som er spiralslått eller brettet, avhengig av formfaktoren til batteriet. Slike celler kan være svært vanskelig å fremstille i liten skala uten at det oppstår høye kostnader. Men i en mynt celle er det bare en enkelt sandwich i cellen. Selv spesialisert utstyr er fortsatt nødvendig for å skape elektrodene jeg n knappceller, celler selv kan være prefabrikkerte for hånd og forseglet i et kontrollert miljø.
Ytelsen av batterier, uavhengig av type, er avhengig av det materiale som danner den positive og den negative elektrode, er valget av elektrolytt, og cellen arkitekturen 4,9-13. En typisk LIB elektrode er sammensatt av en kombinasjon av Li-inneholdende aktivt materiale, ledende tilsetningsstoff, polymert bindemiddel, og tomrom som er fylt med en elektrolytt. Elektrode behandlingen kan organiseres i fem hovedtrinn: tørt pulver miksing, våt miksing, substrat forberedelse, film søknad, og tørking - et skritt som ofte gis liten oppmerksomhet. Ved fremstilling av en elektrode ved hjelp av disse behandlingstrinn, er målet å oppnå en jevn film elektrode som består av det aktive materiale, ledende tilsetningsstoff, bindemiddel. Dette jevn fordeling er avgjørende for optimal ytelse av libs 14-18.
nt "> Denne veiledningen representerer trinnene benyttes ved Texas A & M i Energi og Transport Sciences Laboratory (ETSL) og ved Texas State University for å produsere knappceller for evaluering av nye og eksisterende elektrodematerialer. Utover det grunnleggende trinnene som finnes dokumentert i mange kilder har vi tatt vår egen kompetanse på kritiske trinn, og bemerker viktige detaljer som ofte blir utelatt av lignende metoder dokumenter og mange publikasjoner. I tillegg har de primære fysiske og elektrokjemiske metoder benyttes i vår lab (galvano sykling og Elektrokjemisk impedans spektroskopi (EIS)) blir belyst innenfor.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Det bør utvises forsiktighet ved bruk av noen av løsemidler, reagenser, eller tørt pulver som brukes i denne protokollen. Les alle MSDS ark og ta nødvendige sikkerhetstiltak. Standard sikkerhetsutstyr omfatter hansker, vernebriller, og en frakk.
1. Cathode Forberedelse
Merk: skjematisk oversikt over katoden fremstillingsprosessen er vist i figur 1.
Figur 1. Skjematisk oversikt over trinnene som anvendes i ETSL å skape katoder. Hovedprosessen omfatter preparatet og støpingen av elektroden oppslemmingen på et renset aluminium substrat, etterfulgt av tørking av elektrodearket og innlemmelse i knappceller. Klikk her vise en større version av dette tallet.
- Aluminium Forbehandling
- Skjær en 4,5 "med 12" ark med 15 mikrometer tykk aluminium (Al) folie bruker en papirkutter eller saks.
- Spray aceton på overflaten av en ren plast bord for å feste folien til styret og deretter plassere folie ark på brettet.
- Spray en stor mengde aceton på overflaten av folien og begynner å skrubbe hele overflaten ved hjelp av en scotch pute med små halvsirkel bevegelser. Spray ekstra aceton på overflaten og tørk ned rester med et papirhåndkle.
- Gjenta trinn 1.1.2-1.1.3 for motsatt side og deretter gjenta enda en gang for støping side.
- Vask etset Al-ark med avionisert (DI) vann på casting side først, deretter snu og gjenta med motsatt side. Re-skrubbe overflaten av Al-folie som DI vann skjermer dårlig fukteevne og ikke flyter bort fra overflaten av arket uten å danne dråper. Gjenta skylling med isopropylalkohol.
- Overfør renset Al ark mellom to tørkepapir og la tørke i ca 20 min under trykk mellom to flate plan og papirhåndklær.
- Slurry Forberedelse
- Velge vekt av aktivt materiale, ledende additiv og bindemiddel på grunnlag av den ønskede sammensetning av elektroden arket. Velger en total tørt pulver vekt på 1,25 g med 70 vekt% lithium-mangan-kobolt-oksyd, Mn Lini 1/3 1/3 co 1/3 O 2 (NMC, aktivt materiale), 20 vekt% carbon black (ledende additiv) og 10% polyvinylidendifluorid (PVDF, bindemiddel).
- Mål opp 0,875 g NMC og 0,25 g av sot og sted inn i en agat morter. Lett blande materialene sammen uten sliping. Etter blandingen begynner å dannes, mølle for hånd i morter og støter i 3-5 min, inntil en ensartet pulver observeres visuelt.
- Overfør det blandede pulver i en engangs blanderørmed et stykke papir veie. Legg 16 glasskuler (6 mm diameter) til pulveret, sammen med 5,5 ml 1-metyl-2-pyrrolidinon (NMP), den ikke-vandige løsningsmiddel.
- Plasser disponibel rør på røret stasjonen stasjon og går i lås. Slå stasjonen på og langsomt øke til maksimal hastighet. Tillate innholdet å blande i 15 minutter.
- Legg til 1,25 g av en 10% PVDF i NMP-løsning direkte til røret. Plasser røret tilbake på stasjonen og tillate blanding i 8 minutter, etter samme prosedyre 1.2.4. Hvis røret er lov til å sitte i mer enn 5 min før støping (nedenfor), bland innholdet i ytterligere 15 min.
- Casting og tørking
- Rense metalloverflaten på automatisk film applikatoren med isopropylalkohol og et papirhåndkle. Sørg for at legen bladet er rent, og er satt til ønsket støpehøyde (200 mm).
- Påføre et lag av isopropylalkohol til overflaten av filmen, og applikatoren plasserer dried aluminiumsubstrat blanke siden ned på overflaten. Presse ut overskuddet av isopropylalkohol med en brettet papirhåndkle inntil alle rynker og isopropyl er fjernet. Pass på å unngå å rive underlaget ved å ta godt holde en av underlaget på plass.
- Fjern blanderøret fra røret stasjonen og åpne beholderen. Hell slurry på overflaten av substratet i et 2-3 tommer linje omtrent en tomme fra toppen (initial støping side) av substratet. Fjern eventuelle glasskuler fra arket med rene metallpinsett.
- Angi at støpehastigheten til 20 mm / sek, og aktiverer støpe arm av filmen applikator.
- Løfte den støpte elektrode fra overflaten av filmen applikatoren ved hjelp av et tynt stykke papp for å sikre at ingen rynker dannes på arket.
- Tillat elektrodearket for å tørke i 16 timer ved romtemperatur (~ 24 ° C), etterfulgt av tørking ved 70 ° C i ~ 3 timer eller inntil arket er tørr. Sørg for at elektroden er miljømessig isolert i en fumeg hette eller forseglet kammer for å hindre at ikke-uniform tørking.
- Katodeelektrode Bokse
- Plasser det tørkede elektrodeplate på en renset ark av aluminiummetall. Ta ut en ½ "hulle og legg den forsiktig på et område av arket med en ensartet overflate (kanter kan vises non-uniform). Sakte legge trykk på punsj (hånd) og" rulle "trykket rundt kantene av punch for å sikre et rent kutt.
- (Alternativ) Skjær ut en elektrode plate utnytte en presis skivekutter i stedet for manuell punching.
- Fjern elektroden fra arket med renset, plast pinsett og legg den i en merket hetteglass, med elektrodeoverflaten vendt opp. Gjenta to ganger.
- (Valgfritt) Plasser en utstanset elektrode på overflaten av laboratoriet pressen. Legg press på rundt 4 MPa (den optimale trykket vil variere basert på presse benyttes). Gjenta for de resterende elektroder.
- Plasser hetteglassene i en vacuum ovnen og la elektrodene for ytterligere å tørke ved 120 ° C til -0,1 MPa i 12 timer for å fjerne eventuell gjenværende fuktighet. Etter, fjerne elektrodene og veie dem innen 0,0001 g.
- Åpne forkammer av hanskerommet og plasser hetteglassene på brettet. Lukk kammeret døren og sikre en tett forsegling ved å bruke to fingre for å stramme forkammeret luke.
- Ta med vakuum ned til -0,1 MPa, og deretter fylle med Argon. Gjenta denne prosessen 1-2 ganger, avhengig av prøvene som transporteres inn i hanskerommet.
2. Anode Blad Full Cell
- Gjenta avsnitt 1, bortsett fra anvendelse av 9 um tykk kobberfolie som substrat i stedet for aluminiumfolie. Sammensetningen av arket kan endres for å passe spesielle behov.
3. Coin Cell Pre-montering
Forsiktig: Byggingen av knappceller utføres innenfor en inert (Argon) miljø innenfor en hanskerommet. Extreme forsiktighet må tas for å redusere eksponeringen av det interne miljøet til ekstern atmosfære. Arbeid med skarpe materialer innen hanskerommet bør minimeres hvis mulig. Som en generell regel bør en oppgave innenfor hanskerommet ta 3 ganger lengre enn den hastigheten som oppgave vil bli utført utenfor. Hansker bør også bæres over hanskerommet hansker for å minimere eksponering når du arbeider med ulike stoffer.
Merk: De komponenter som er nødvendig for bygging av knappcellen, inkludert cap, tilfelle, bølgefjærer, pakninger, avstandsstykker, litium bånd, elektrolytt og øvrige verktøy som plastpinsetter (for komponentplassering) er inneholdt i en argon-fylt hanskerommet med O 2 og H 2 O nivåer holdes under 0,5 deler pr million. Alle komponenter som føres inn i hanskerommet (inkludert ikke-loende oppgave kluter) skal varmes O / N i en vakuum-ovn ved 120 ° C ved et trykk på -0,1 MPa for å fjerne eventuellefuktighet.
- Counter-elektrode Forberedelse
- Innenfor hanskerom, fjerne lithium bånd (0,75 mm tykke) fra lukket beholder og rulle ut et parti på overflaten av en plastblokk. Ved hjelp av et barberblad, nøye skrape bort svart-farget oksidasjon fra folieoverflaten. Ta ekstrem forsiktighet for å unngå å kutte hanskene.
- Ta en "hulle 9/16 og punch ut en disk av litium bånd. Bruk en finger (atskilt fra litium med gummihansker innenfor hanskerommet) eller annen butt verktøy for å presse litium disk ut av punch.
- Ta en 0,5 mm tykk spacer og påfør forsiktig lithium-plate til overflaten mellom fingrene. Sørg for at litium skive pinner til sentrum av avstands og er flat - en ujevn overflate kan forårsake ujevne aktuelle distribusjoner.
- Elektrolytten Forberedelse
- Oppbevar elektrolytt av valg (i dette tilfellet en M LiPF 6 i EF / DEC 1: 1 vol) medi hanskerommet til alle tider i en aluminiumsbeholder, som elektrolytt er lysfølsomt.
- Fjerne en liten mengde elektrolytt fra kilden beholderen inn i en arbeidsbeholder.
- Celgard Separator Forberedelse
- Plassere et ark av separatoren membran mellom et brettet ark av skrivepapir. Før det foldete papir og membranen på et ark av aluminiummetall.
- Plasser en støtdempende lag på toppen av hulle og bruke en hammer til å slå ut en ¾ "diameter separator membran.
- Overfør de utstansede separator plater i hanskerommet utnytte prosedyrene beskrevet i 1.4.6-1.4.7.
Merk: Det anbefales å utføre dette trinnet i bulk å unngå å måtte slå ut enkelte separatorer for hver mynt celle blir bygget.
4. Coin Cell Assembly
Merk: Den konfigurasjon av mynten er cellepresentert i figur 2.
Figur 2. Coin cellekomponenter vises i rekkefølge etter plassering i cellen. Plassering av katoden etterfølges av separator, pakning, lektroden og bølge våren, etterfulgt av tetting av cellen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .
- Åpne interiøret forkammeret døren. Trekk noen komponenter i forstua i hanskerommet og forsegle interiøret forkammeret døren.
- Plasser en mynt celle saken inn i en liten veie båt. Plassere katoden i sentrum av knappcellen tilfelle. Påfør 1-2 ~ 30 pl dråper av elektrolytt til midten av elektroden og anvende en dråpe på motsatte sider av kanten av saken.
- Plasser en enkelt ¾ "separator påtil overflaten av elektroden. Force ut noen bobler som blir fanget ved hjelp av den flate kanten av en pinsett, og re-senter katoden ved å gripe saken ved leppen og lett å peke på elektroden på plass. Anvende ytterligere 1-2 dråper av elektrolytt for å tillate bedre bevegelse av elektroden hvis det holder seg til sin opprinnelige stilling.
- Plasser pakningen inn i saken, med den flate siden ned og leppene siden opp. Bekrefte orienteringen av pakningen ved å holde opp mot lyset før celle innsetting.
- Anvende 2-3 ~ 30 pl dråper av elektrolytt til midten av cellen, og plassere den fremstilte lektroden på midten med litium vendt ned. Plasser bølgefjær på toppen av midtlektroden.
- Fyll cellen til randen (~ 0,7 ml) med elektrolytt til det danner en buet, konveks menisk som dekker det meste av bølgefjær overflaten.
- Plasser forsiktig mynt celle lokket på toppen av cellen utnytte tHan pinsett for å holde hetten sentrert vertikalt over cellen. Vær nøye med å sentrere cap å unngå overdreven tap av elektrolytt.
- Trykke ned på lokket (for hånd) til den går inn i kanten av pakningen. Overfør cellen til crimper og sørge for at cellen er sentrert i sporet i press dysen. Krympe cellen til et trykk på ~ 6,2 MPa (900 psi) og frigjøring.
- Fjern cellen fra crimper (hånd), og rydde av overflødig elektrolytt. Gjenta trinn 4.2- 4.9 til alle ønskede celler er konstruert. Rengjøre noen sølt elektrolytt, plasserer søppel i en egnet beholder. Overfør cellene ut av hanskerommet og merke dem.
5. Elektrokjemisk Evaluering
- Koble de rensede cellene til batteriet cycler. Sikre terminalene er riktig tilkoblet ved å måle åpen krets potensial. Hvis ikke positivt, reversere tilkoblinger.
- Beregn den ønskede strøm basert på vekten av de tørkede elekRoden på overflaten av aluminiumsubstratet, den kjente massen av aluminium, det aktive materiale i vektprosent, og den nominelle spesifikke kapasiteten av det aktive materiale som benyttes.
- Med en målt elektrodemasse på 0,0090 g, aluminium plate masse av 0,0054 g, og vurdert kapasitet på 155 mAh / g, bestemme ønsket nåværende as (0,0090 g - 0,0054 g) × 0,70 × 155 mAh / g = 0,3906 mAh. For utslipp på dagens kreves for å lade cellen i en time (1C), den påførte nåværende er 0,3906 mA.
- Sett timeplanen på cycler å lade / utlade cellen mellom øvre og nedre spenningsnivåer på 4,2 V og 2,8 V. Cycle cellen 4 ganger med en hastighet på C / 10 (galvano, konstant strøm). Deretter lade mobil gang på C / 10.
- Etter 5 th C / 10 ladning, fjernes cellen fra cycler (om nødvendig) og utføre elektrokjemiske impedans spektroskopi 19 (EIS) på cellen, etter hvile i 1 time. Plasser cellen tilbakepå cycler og utslipp på C / 10. Utfør EIS igjen etter hvile i 1 time.
- Plasser cellen tilbake på cycler og sykle celle 5 ganger i hastigheter på C / 5, C, 2C, 5C og 10C, etterfulgt av 100 1C sykluser.
- Bestemme den spesifikke kapasitet av cellene på hvert C-rate ved å dividere kapasitet i mAh ved vekt av aktivt materiale som er til stede i katoden. Beregn kapasiteten retensjon ved å dele den gjennomsnittlige spesifikke kapasiteten av de siste 5 1C sykluser av den gjennomsnittlige spesifikke kapasiteten av de første 5 1C sykluser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Et riktig kastet elektrode ark skal vises uniform i overflaten utseende og riktig holde strømavtakeren. Typisk flassing av elektroden arket er forårsaket av enten dårlig etsing av substratet, eller å måtte lite NMP i den innledende blandetrinn. Alternativt kan for mye NMP føre arket for å vise en høyere grad av porøsitet, hvilket ikke er ønskelig. Til slutt kan et tredje mønster observeres på elektrodeoverflaten, hvor pooling synes å forekomme. Samhandling med omgivelses rommet (fuktighet, temperatur, og enhver bevegelse i luften) er de mest sannsynlige årsaker til denne atferden. Isolasjon innen en avtrekkshette kan unngå dette problemet. Disse scenarier kan sees i figur 3.
Mynten celle skal dukke opp som vist i figur 4, med ingen brutte kanter. Når cellen ikke er skikkelig lukket, eksponering for atmosphere vil føre til hevelse av litium, noe som vil føre til at cellen til pop åpne. Det er også mulig å knuse celle ved krymping. For å unngå dette krympetrykket må være optimalisert for de valgte crimper og cellekomponenter.
Scanning elektronmikroskop (SEM) avbildning av elektrodeoverflaten (figur 5) avslører kompleksiteten av en katode brukt i konstruksjonen av en mynt celle. De store partikler som vises, er det aktive materialet. Det gjenværende materialet er en kombinasjon av PVDF og carbon black.
Strukturen er i seg selv stokastisk i naturen, men riktig behandling påvirker fordelingen av partiklene inne i arket. Tørking kan føre til en dårlig fordeling av bindemiddel og det ledende additiv som kan negativt påvirke celleytelse. Vist i figur 6 er representative sykkelresultater for et ark som ble tørket forraskt og et ark som var skikkelig tørket anvendelse av to-trinns prosess presentert.
Dette sykling data tillater oss å vise resultatene (i form av spesifikke kapasiteten) i cellene på ulike priser, og tillater oss å se på kapasiteten oppbevaring etter lengre sykkelturer. Utladningskurver som de som er vist i figur 7 kan benyttes for å vise den spesifikke energien av cellene, som er bestemt som området under utladningskurven.
Kan brukes EIS data for de cellene under vurdering for ytterligere å karakterisere cellene. Et representativt EIS spektrum kan sees i figur 8.
Når man sammenligner EIS spektra, to primære komponenter (for en utladet celle) er (i) høy frekvens halvsirkel, og (ii) den lavfrekvente halen. Helningen av halen indikerer motstand på grunndiffusjon, og den halvsirkel representerer et antall motstandsverdier på grunn av ladningsoverføring motstand, og flere andre bidrag, avhengig av frekvensområdet. I tilfelle av forskjellig tørkede elektroder, har fort tørkede arket en større radius som indikerer høyere ladningsoverføring motstand.
Representative resultater for virkningen av porøsitet og elektrodetykkelse er i tillegg vist nedenfor i Figur 9.
Et tynnere ark tillater diffusjon kortere avstander, og porøsiteten kan optimaliseres for å ytterligere tillate mer effektiv overføring. Det er imidlertid viktig å forstå at disse parameterne er ikke absolutt, da avveininger vil eksistere 19,20. Støpingen tykkelse, slurry viskositet og sammensetning, og graden av kalender alle har en direkte innvirkning på porøsiteten og tykkelsen av en plate. Dermed etter nøye Manipulating trinnene i dette dokumentet, kan mikro egenskaper kontrolleres.
Figur 3. Elektrode plater: (A) med for lite NMP, (B) med for mye NMP, og (C) med ikke-ensartet tørking. Hver tilstanden gir dårlig mekanisk stabilitet og redusert elektrokjemisk ytelse som resultat. Typisk flassing av elektroden arket er forårsaket av enten dårlig etsing av substratet, eller å måtte lite NMP i det første blandetrinn (a). Alternativt kan for mye NMP føre arket for å vise en høyere grad av porøsitet, hvilket ikke er ønskelig (b). Til slutt, en non-uniform overflaten kan se ut som er lik i utseende til materiale pooling under tørking (c). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Coin celle som har blitt skikkelig krympet (til venstre) og feil krympet (til høyre). En feil krympet cellen vil være merkbart åpne umiddelbart etter pressing eller kan pop over flere timer senere. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .
Figur 5. SEM-bilde av overflaten på ukalandrert NMC katoden. Det aktive materiale (NMC) kan ses på som den store kuleformede partikler (~ 10 mikrometer i diameter) med bindemiddel / additiv (PVDF / carbon black) kompositt som omgir de aktive materialpartikler . Skalaen for det venstre bildet er 50 mikrometer og er det riktige er10 mikrometer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Sykkel data er vist for en elektrode som tørker for raskt (feil), og en lavere hastighet ved anvendelse av en to-trinns tørr. Den spesifikke kapasiteten av cellene i hastigheter på C / 10, C / 5, C, 2C, 5C, og 10C fulgt av langvarig sykling på 1C. Cellene ble syklet ved romtemperatur (~ 22 ° C) med celler som består av NMC - Li celler med materialmengder som er vist i protokollen. C-rate bestemmes i forhold til vurdert kapasiteten til NMC, ca 150 mAh / g. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
tynn-page = "1"> 
Figur 7. Tømme kurven vist for en elektrode som tørker for raskt (feil), og en lavere hastighet ved anvendelse av en to-trinns tørre. De utladningskurvene for forekomst av 1C og 5C er vist. Den spesifikke energi av cellen kan bestemmes som området under utslippet kurve. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. Eksempel EIS spektrum for et frekvensavsøkningen området fra 1 MHz til 100 MHz. Dataene vises etter 5 th C / 10 utlading for de samme tilfeller som er presentert på figurene 7 og 8.e.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9. Effekt av elektrode tykkelse (A) og porøsitet (B) på utløps ytelse. Hver av disse parametre kan endres ved å regulere fremgangsmåten som er omtalt i denne teknikken (kalandrering, støping tykkelse, slurry viskositet, etc.). Trykk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Optimaliseringen av det våte blandetrinn er avgjørende for vellingens viskositet og belegg evne, som påvirker jevnheten og adhesjon av elektroden. Her en høy-skjærkraft-metoden blir anvendt, hvor løsemidlet, additiv, bindemiddel og aktivt materiale er blandet sammen utnytte den kinetiske bevegelser av glasskuler som er tilstede i ampullene. Dette blandeteknikk har fordelen av mye hurtigere blandetider i forhold til en magnetrører metode. Utover dette gir denne høy skjærkraft for mer viskøse løsninger for å bli effektivt blandet, og gir den energi som er nødvendig for å blande mer vanskelige bindemidler så som xantangummi i vann. Som den abrasive karakter av blande kan føre glassurenheter for å blande inn i elektroden slurry, bør benyttes glasskuler kastes for å minimalisere denne effekten. Den minste mengde av glasskuler nødvendig er avhengig av evnen blanding av komponentene inne i ampullen. Det finnes imidlertid en øvre grense på grunn avtap av slurry belegg glasskuler etter blanding. Med for lite slurry eller for mange baller, vil det ikke være mulig å trekke ut tilstrekkelig av elektroden oppslemmingen for å avgi en elektrode. Mengden av NMP som kreves er basert på det totale overflateareal av de partiklene som er tilstede i den tørre blanding 21. For eksempel, hvis den ønskede tørrvektforholdet mellom komponentene ble justert til å inneholde 10% karbon sort, i motsetning til 20% (med 80% NMC og 10% PVDF), en vesentlig lavere mengde av NMP som ville være nødvendig: 2,0 ml (med en tørrpulvermassen av 1 g). Videre, med en sammensetning av 94% aktivt materiale, 3% ledende additiv og 3% bindemiddel, blir 1,5 ml av NMP er nødvendig (igjen med 1 g tørrpulvermassen). Dette skylder først og fremst det faktum at Brunauer-Emmet-Teller (BET) overflateareal for carbon black er mye høyere enn den for de gjenværende komponenter. Således er bestemmelse av det passende oppløsningsmiddelinnholdet i det innledende blandetrinn må være nøye bestemmes når man arbeider med ny ønsket ark compositions. Den ideelle observert viskositet for sammensetningen bemerket her er 0,11 Pa · sek. Det bør bemerkes at sammensetningen av elektroden arket anvendes bør justeres for å passe de spesifikke behov og ytelse av det materiale som benyttes. Typisk blir et høyere aktivt materialinnhold utnyttes for å redusere mengden av inaktivt materiale som er tilstede i elektrodene. Men avveininger finnes i form av celleytelse på økte priser.
Selv med en perfekt slurry er det mulig å oppnå en dårlig elektrode ark på grunn av adhesjon til strømsamler. Under produksjonsprosessen, blir aluminiumfolie belagt med et tynt lag av olje for å forhindre selv-adhesjon når rulle materialet. Hvis ikke ordentlig rengjort, vil dette gjenværende rester redusere elektrode adhesjon. Under rengjøring, bør ekstra vekt tas mot å sikre renslighet av elektroden underlaget. Rekkefølgen som arket er rengjort (casting side, deretter knappen side, Etterfulgt av støping) for å sikre at støpeflaten er så rent som mulig. Forsiktighet bør utvises for å bruke papirhåndklær som er myke nok (og er tilstrekkelig fritt for lo), slik at overflaten av strømavtakeren ikke er deformert, og er fri for overflategropkorrosjon. Elektroden flaking vist i figur 3A er representativ for den resulterende adhesjon av å kunne utnytte en feil rensede substratet. Dette kan skje fra ikke skrubbe nok (og dermed resulterer i dårlig fukting) eller skrubbing for hardt (som kan resultere i visuelt observerbar fordypninger i underlaget overflaten). Etsemetode anvendes her er tilstrekkelig for god adhesjon med det ikke-vandige løsningsmiddel og bindemiddel anvendes. Forskjellige bindemidler og oppløsningsmiddel kan kreve alternative metoder for å oppnå adhesjon, såsom koronautladning eller pre-varmebehandling av strømavtakeren. For eksempel, selv om strømmen av DI vann over overflaten av elektroden med minimal nedgang og lav våtting vinkel angir en tilstrekkelig støpeoverflate, er det forutsatt fukteevnen ikke er tilstrekkelig for vandig behandling.
Et skritt som ofte betalt lite oppmerksomhet er elektrode tørking. Her den endelige mikrostruktur av cellen er satt som løsningsmiddelet fordamper. Den vertikale migrasjon av mobile elektrode bestanddeler (bindemiddel og additive) kan føre til en vertikal fordeling av disse materialene for å utvikle 22. I praksis hurtig fordampning av løsningsmidlet fra elektrodeoverflaten resulterer i avsetning av konsentrert bindemiddel (tilstede i den flytende løsning av løsningsmiddel) og karbon (det ledende additiv) på overflaten av elektroden. Selv om denne effekten oppstår når som tørkehastighet, til høyere priser det ikke er tilstrekkelig tid for omfordeling av disse komponentene via diffusjon. Den to-trinns tørkeprosess gir jevn fordampning av den frie løsningsmiddel, fulgt av fordampning av løsningsmidlet innesperret i mikrostrukturen i ovnentørketrinn.
Ved bygging av knappcellen, må det utvises forsiktighet for å sikre at anoden og katoden er nøye justert i cellen. Her blir et litt større diameter anode benyttes for å tillate en feilmargin i emisjonen. Avstandsstykket og bølgefjær inne i cellen tjener til å øke tykkelsen av de indre komponenter slik at en komplett krets er dannet. Også kritisk for denne kretsen er elektrolytten, gjennom hvilken litium-ioner reise. Med den gitte formfaktor foreligger en stor mengde av tomrom i cellen. Dermed er det mulig å ha en ujevn elektrolyttmengde til stede i cellen. Fullt soaking cellen sikre at ingen eller minimale lommer av argon finnes som kan rokke ved fordeling av elektrolytten i sandwich.
I løpet av elektrokjemiske karakterisering, kan enten galvano (som blir anvendt her) eller potensiostatisk sykling benyttes. Under galvano lade / utlade current holdes konstant, og cellen blir ansett som lades eller utlades etter å ha nådd en øvre eller nedre grense potensial. Dette potensialet grense er avhengig av det aktive materialet som benyttes. Lading eller utlading av aktive materialet utover disse begrensningene kan føre til nedbrytning. Under potensiostatisk ladnings / utladnings-spenningen holdes konstant, mens strømmen varierer. En ulempe med potensiostatisk sykling er den ytterligere tid som kreves for den aktuelle for å slippe ut til den nedre grense. Dette og de ønskede sykkel priser vil trenge å bli konfigurert på grunnlag av den ønskede informasjonen og materialer anvendes. Protokollen oppført her er en generell protokoll, men kanskje ikke passer for alle behov.
Denne teknikken gir en fremgangsmåte for etablering av elektrodeplatene og knappceller på en nøyaktig styrt måte, som er egnet for gjengivelse i vitenskapelig eller industriell forskning innstilling. Grunnlaget for denne teknikk kan anvendes som basis for skape elektrode ark for større batteriformfaktorer, vandig behandling, og ulike cellekjemi og komposisjoner, selv bestemt stadium kanskje må optimaliseres. Denne teknikken er begrenset til dannelsen av tilpassede elektroder (positive eller negative), hvor den endelige fordeling av materiale (selv om kanskje ensartet innenfor domenet) er stokastisk. Dessuten vil dannelsen av celler med større formfaktorer krever modifiseringer av elektroden størrelse produsert (større støpe ark) og cellekomponenter benyttes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dette arbeidet er støttet av Texas A & M University fakultetet forskning initiering stipend (Mukherjee) og Texas State University oppstart finansiering (Rhodes).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | 25 μm 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).
- Esb Inc. Button Cell battery. US patent. Cich, E. R. , US3655452 A (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).
