Lityum-ion Coin Hücrelerinin Susuz Elektrot İşleme ve İnşaat
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
Lityum-iyon piller enerji depolama aygıtlarının 1-4 giderek artan ihtiyaçlarını karşılamak için umut verici bir kaynak oluşturmaktadır. LIBs kapasite gelişmeler sadece elektrikli araçların 5,6 etkin aralığını artırmak değil, aynı zamanda da enerji depolama uygulamalarında 7 kullanılmak üzere LIBs canlılığını artırır deşarj derinliği azaltarak onların ömrü artırmak olmaz.
Aslen 1970'lerde 8 işitme için kullanılan, sikke hücreleri bugün yaygın olarak yeni ve mevcut elektrot materyallerinin geliştirilmesi ve değerlendirilmesinde kullanılmaktadır. Piller için küçük form faktörlerinden biri olarak, bu hücreler bir akademik araştırma ortamında pilleri oluşturmak için basit ve etkili bir şekilde temsil ediyor. Tipik bir Lityum-İyon pil, bir katot, anot, cari koleksiyoncular ve anot ve katot kısa devre yapmasını engelleyen bir gözenekli ayırıcının oluşur. Lityum-Ion pil çalışması sırasında, ions ve elektronlar hareketlidir. Deşarj sırasında, iyonları gözenekli ayırıcı içinden negatif elektrot (anot) dan ve pozitif elektrot veya katot içine yolculuk. Bu arada, elektronlar nihayet katot tarafında iyonları ile yeniden birleştirilmesini, dış devre arasında, akım toplayıcı yoluyla seyahat. Iyon ve elektron transferi ile alakalı dirençleri azaltmak amacıyla, bileşenlerin doğru yönlendirilmiş olması gerekir – uzaktan iyonları bölgesinde en aza indirilmelidir. Tipik olarak bu bileşenler bir "sandviç" yapılandırma birleştirilir. Elektrikli araçlar, cep telefonları ve tüketici elektroniğinde kullanılan Piller spiral şeklinde sarılmış ya da katlanmış, pilin form faktörü bağlı olan büyük sandviç oluşmaktadır. Hücrelerin Bu tip yüksek maliyetler ödemeden küçük ölçeklerde imal etmek çok zor olabilir. Ancak, bir sikke hücrede hücre içinde tek bir sandviç var. Özel ekipman elektrotları oluşturmak için hala gerekli olmasına rağmen ben n sikke hücreleri, kendilerini hızlı bir şekilde kontrollü bir ortam içinde elle monte ve mühürlü edilebilir hücreleri.
Pillerin performansı, ne çeşit olursa olsun, pozitif ve negatif elektrot, elektrolit seçimi ve hücre mimarisi 4,9-13 oluşturan malzemelerin bağlıdır. Tipik LIB elektrod etkin madde, iletken katkı maddesi polimerik bağlayıcıyı ve bir elektrolit ile doldurulur boşluğu Li içeren bir kombinasyonundan oluşmaktadır. – Genellikle biraz dikkat verilen bir adım kuru toz karıştırma, ıslak karıştırma, alt tabaka hazırlığı film uygulaması ve kuruma: Elektrot işleme beş ana adımda organize edilebilir. Bu işlem adımları kullanarak bir elektrot üretilirken, son amacı aktif madde, iletken katkı maddesi, bağlayıcı oluşan düzgün bir elektrot film sağlamaktır. Bu üniform dağılım kütüphaneleri 14-18 optimum performans için çok önemlidir.
nt "> Bu kılavuz, yeni ve mevcut elektrot malzemelerinin değerlendirilmesi için para hücrelerini üretmek için Enerji ve Ulaştırma Bilimleri Laboratuvarı Texas A & M (ETSL) de ve Texas State Üniversitesi'nde kullanılan adımları temsil ediyor. Birçok kaynakta belgelenmiş bulunan temel adımlar ötesinde Biz sık sık benzer yöntemler belgeleri ve birçok yayınların dışında kalan önemli ayrıntıları belirterek, kritik aşamalarda kendi uzmanlık dahil ettik. Ayrıca, bizim laboratuvarda kullanılan birincil fiziksel ve elektrokimyasal yöntemler (galvanostatik bisiklet ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS)) içinde izah edilir.Protocol
Representative Results
Discussion
Islak karıştırma aşamalarının optimizasyonu hangi etkileri elektrot tekdüzelik ve yapışma bulamaç viskozite ve kaplama yeteneği açısından büyük önem taşıyor. Burada, yüksek kesmeli karıştırma, çözücüye, katkı maddesi, bağlayıcı ve aktif materyal viyaller içinde mevcut cam topları kinetik hareketleri kullanılarak karıştırılır burada uygulanmıştır. Bir manyetik karıştırıcı yönteme göre bu karıştırma tekniği çok daha hızlı bir karıştırma kez yararı daha vardır. D…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma mali Texas A & M Üniversitesi öğretim araştırma başlatma hibe (Mukherjee) ve Texas State University start-up finansman (Rodos) tarafından desteklenmektedir.
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).
