Номера для водного Обработка электрода и строительство литий-ионный монет клеток
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
Литий-ионные аккумуляторы представляют собой перспективный источник для выполнения постоянно растущих потребностей хранения энергии устройств 1-4. Улучшения в качестве библиотеками не только улучшить эффективную дальность электрических транспортных средств 5,6, но и улучшить их жизненный цикл, уменьшая глубину разряда, который в свою очередь увеличивает жизнеспособность библиотеки для использования в приложениях сетки хранения энергии 7.
Первоначально используется для слуховых аппаратов в 1970-х годах 8 монет клетки сегодня широко используются в разработке и оценке новых и существующих электродных материалов. В качестве одного из самых маленьких форм-факторов для батарей, эти клетки представляют собой простой и эффективный способ создания аккумуляторов в академической обстановке исследования. Типичный литий-ионная батарея состоит из катода, анода, токоприемников и пористым разделителем, который предотвращает закорачивание анодом и катодом. Во время работы батареи Литий-ионный, и.о.нс и электроны с мобильного. Во время разряда, ионы перемещаются от отрицательного электрода (анода) через пористого сепаратора и в положительном электроде, или катода. Между тем, электроны движутся через токосъемника, через внешнюю цепь, наконец, рекомбинировать с ионами на катодной стороне. Для того чтобы уменьшить сопротивление любые связанные с ионной и электронной передачи, компоненты должны быть надлежащим образом ориентированных – расстояние ионы путешествия должно быть минимизировано. Как правило, эти компоненты объединены в конфигурации "сэндвич". Батареи, используемые в электрических транспортных средств, мобильных телефонов, бытовой электроники и состоят из крупных бутерброды, которые спирально намотанных или свернутых, в зависимости от форм-фактора батареи. Эти типы клеток может быть очень трудно изготовить в малых масштабах без высоких затрат. Тем не менее, в ячейке, существует только один сэндвич внутри клетки. Несмотря на то, специализированное оборудование по-прежнему необходимо, чтобы создать электроды я монет клетки N, сами клетки могут быть быстро собраны вручную и запечатанные в контролируемой среде.
Производительность батареи, независимо от типа, зависит от материалов, которые формируют положительные и отрицательные электродные, выбор электролита, и архитектура клеток 4,9-13. Типичный LIB электрод состоит из комбинации литий-содержащий активный материал, проводящий добавку, полимерное связующее и пустот, который заполнен электролитом. Обработка электродов могут быть организованы в пять основных этапов: сухое смешивание порошка, мокрый смешивания, приготовления субстрата, применение пленки и сушки – шаг, который часто уделяется мало внимания. При изготовлении электрода, используя эти шаги обработки, конечной целью является достижение равномерного электродную пленку, состоящую из активного материала, проводящего добавки, связующего. Это равномерное распределение имеет решающее значение для оптимальной производительности библиотеками 14-18.
нт "> Это руководство представляет шаги, используемые в Texas A & M в лаборатории энергетики и транспорта наук (ETSL) и в университете штата Техас в производстве монет клетки для оценки новых и существующих электродных материалов. Помимо основных шагов найденных описана во многих источниках , мы включили наш собственный опыт в критических шагов, отметив важные детали, которые часто остаются вне подобных методов документов и многих публикаций. Кроме того, первичные физические и электрохимические методы, используемые в нашей лаборатории (гальваностатический езда на велосипеде и электрохимического импеданса спектроскопия (EIS)) Освещены в.Protocol
Representative Results
Discussion
Оптимизация влажных этапов смешивания имеют решающее значение для способности суспензии вязкости и покрытие, которое влияет на равномерность и адгезии электрода. Здесь метод смешения с большим усилием сдвига используется, где растворитель, добавку, связующее и активный материал сме?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа выполнена при финансовой поддержке Texas A & M University факультет исследования инициирования гранта (Мукхерджи) и Университет штата Техас запуска финансирование (Родос).
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).
