Traitement d'électrode non-aqueux et construction de cellules lithium-ion, Monnaies
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
Batteries lithium-ion représentent une source prometteuse pour répondre aux exigences toujours croissantes de dispositifs de stockage d'énergie 1-4. L'amélioration de la capacité des BIL ne seraient pas seulement d'améliorer la portée effective des véhicules électriques 5,6, mais aussi d'améliorer leur cycle de vie en réduisant la profondeur de décharge, ce qui à son tour augmente la viabilité de BIL pour une utilisation dans l'énergie de la grille des applications de stockage 7.
Utilisé à l'origine pour les appareils auditifs dans les années 1970 8, cellules de pièce de monnaie d'aujourd'hui sont couramment utilisés dans le développement et l'évaluation de nouveaux et existants matériaux d'électrode. Comme l'un des plus petits facteurs de forme pour les batteries, ces cellules représentent un moyen simple et efficace pour créer des piles dans un cadre de recherche universitaire. Une batterie au lithium-ion typique se compose d'une cathode, l'anode, collecteurs de courant, et un séparateur poreux qui empêche un court-circuit de l'anode et la cathode. Lors de l'opération d'une batterie Lithium-Ion, ions et des électrons sont mobiles. Pendant la décharge, les ions se déplacent à partir de l'électrode négative (anode) à travers le séparateur poreux et dans l'électrode positive ou cathode. Pendant ce temps, les électrons se déplacent à travers le collecteur de courant, à travers le circuit externe, enfin se recombiner avec les ions du côté de la cathode. Afin de réduire les résistances associées aux ions et le transfert d'électrons, les composants doivent être orientés correctement – la distance Voyage d'ions doit être minimisée. Typiquement, ces composants sont combinés d'une configuration "sandwich". Les batteries utilisées dans les véhicules électriques, les téléphones cellulaires et l'électronique grand public sont de grandes sandwichs qui sont enroulées en spirale ou pliées, selon le facteur de forme de la batterie. Ces types de cellules peuvent être très difficiles à fabriquer en petite échelle, sans encourir des coûts élevés. Cependant, dans une cellule de la pièce, il n'y a qu'un seul sandwich à l'intérieur de la cellule. Bien que l'équipement spécialisé est toujours nécessaire de créer les électrodes i n cellules de pièces de monnaie, les cellules elles-mêmes peuvent être rapidement assemblés à la main et scellé dans un environnement contrôlé.
La performance des piles, indépendamment du type, dépend des matériaux qui forment l'électrode positive et négative, le choix de l'électrolyte, et l'architecture cellulaire 4,9-13. Une électrode LIB typique se compose d'une combinaison de Li contenant un matériau actif, un additif conducteur, un liant polymère, et de l'espace vide qui est rempli avec un électrolyte. Le traitement de l'électrode peut être organisé en cinq grandes étapes: le mélange de poudre sèche, mélange humide, préparation du support, l'application du film, et de séchage – une étape qui est souvent donné peu d'attention. Lors de la production d'une électrode à l'aide de ces étapes de traitement, l'objectif final est d'obtenir un film uniforme d'électrode constitué de la matière active, un additif conducteur, un liant. Cette distribution uniforme est critique pour la performance optimale de 14-18 BIL.
nt "> Ce guide représente les étapes mises à la Texas A & M dans le laboratoire de l'énergie et des sciences de Transport (ETSL) et à l'Université d'État du Texas pour la fabrication de cellules de pièce de monnaie pour l'évaluation de nouveaux et existants matériaux d'électrode. Au-delà des étapes de base trouvés documentée dans de nombreuses sources , nous avons inclus notre propre expertise aux étapes critiques, notant des détails importants qui sont souvent exclues des méthodes semblables documents et de nombreuses publications. En outre, les méthodes physiques et électrochimiques primaires utilisées dans notre laboratoire (cyclage et spectroscopie par impédance électrochimique (SIE)) sont élucidés à l'intérieur.Protocol
Representative Results
Discussion
L'optimisation des étapes de mélange humides sont essentiels à la viscosité de la suspension et le revêtement capacité, ce qui affecte l'uniformité et d'adhérence de l'électrode. Ici, un procédé de mélange à cisaillement élevé est utilisé, où le solvant, un additif, un liant, et un matériau actif sont mélangés ensemble en utilisant les mouvements cinétiques des billes de verre présentes dans les flacons. Cette technique de mélange offre l'avantage d'une grande partie des te…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu financièrement par la Texas A & M University initiation à la recherche du corps professoral subvention (Mukherjee) et le Texas State University de financement de démarrage (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).
