Ikke-vandig elektrode Processing og konstruksjon av Lithium-ion Knappcelle
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 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.Protocol
Representative Results
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 b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet er støttet av Texas A & M University fakultetet forskning initiering stipend (Mukherjee) og Texas State University oppstart 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).
