Procesamiento de electrodos no acuoso y Construcción de células de iones de litio de la moneda
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
Las baterías de litio son una fuente prometedora para cumplir con los requisitos cada vez mayores de los dispositivos de almacenamiento de energía 1-4. Las mejoras en la capacidad de LIBs no sólo mejoraría el alcance efectivo de los vehículos eléctricos 5,6, sino también mejorar su ciclo de vida mediante la reducción de la profundidad de descarga, que a su vez aumenta la viabilidad de LIBs para su uso en aplicaciones de almacenamiento de energía de rejilla 7.
Originalmente utilizado para audífonos en la década de 1970 8, las células de la moneda de hoy son de uso común en el desarrollo y evaluación de materiales nuevos y existentes de electrodos. Como uno de los factores de forma más pequeños para las baterías, estas células representan una manera sencilla y eficaz para crear baterías en un entorno de investigación académica. Una batería de iones de litio típico consta de un cátodo, ánodo, colectores de corriente, y un separador poroso que evita el cortocircuito del ánodo y el cátodo. Durante el funcionamiento de una batería de iones de litio, ions y electrones son móviles. Durante la descarga, los iones se desplazan desde el electrodo negativo (ánodo) a través del separador poroso y en el electrodo positivo, o cátodo. Mientras tanto, los electrones viajan a través del colector de corriente, a través del circuito externo, finalmente recombinar con los iones en el lado del cátodo. Con el fin de reducir cualquier resistencias asociadas con iones y de transferencia de electrones, los componentes deben ser debidamente orientado – el recorrido de los iones de distancia debe ser minimizado. Normalmente, estos componentes se combinan una configuración de "sandwich". Baterías usadas en vehículos eléctricos, teléfonos celulares y electrónica de consumo consisten en grandes sándwiches que se enrollado en espiral o doblados, en función del factor de forma de la batería. Estos tipos de células pueden ser muy difíciles de fabricar en pequeñas escalas sin incurrir en altos costos. Sin embargo, en una célula de la moneda sólo hay un único sándwich dentro de la célula. Aunque el equipo especializado es todavía necesario para crear los electrodos i células de la moneda n, las propias células pueden ser montados rápidamente a mano y sellado dentro de un entorno controlado.
El rendimiento de las baterías, independientemente del tipo, depende de los materiales que forman el electrodo positivo y negativo, la elección del electrolito, y la arquitectura celular 4,9-13. Un electrodo de LIB típica se compone de una combinación de Li que contienen material activo, aditivo conductor, aglutinante polimérico, y el espacio vacío que se llena con un electrolito. Procesamiento de electrodos puede ser organizada en cinco pasos principales: mezcla seca en polvo, mezcla húmeda, preparación de sustrato, de aplicaciones de cine, y secado – un paso que a menudo se presta poca atención. Cuando la producción de un electrodo usando estas etapas de procesamiento, el objetivo final es lograr una película uniforme de electrodo que consiste en el material activo, aditivo conductor, aglomerante. Esta distribución uniforme es fundamental para el rendimiento óptimo de LIBs 14-18.
nt "> Esta guía representa los pasos utilizados en la Texas A & M en el Laboratorio de Energía y Ciencias de Transporte (ETSL) y en la Universidad Estatal de Texas para la fabricación de pilas de botón para la evaluación de materiales nuevos y existentes de electrodos. Más allá de los pasos básicos que se encuentran documentados en muchas fuentes , hemos incluido nuestra propia experiencia en las etapas decisivas, observando los detalles importantes que a menudo quedan fuera de los documentos métodos similares y muchas publicaciones. Además, los métodos físicos y electroquímicos primarios utilizados en nuestro laboratorio (ciclismo galvanostático y Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS)) se ha dilucidado dentro.Protocol
Representative Results
Discussion
La optimización de las etapas de mezcla húmeda son cruciales para la capacidad de viscosidad de la suspensión y el revestimiento, lo cual afecta la uniformidad y adherencia del electrodo. Aquí se utiliza un método de mezcla de alta cizalla, en donde el disolvente, aditivo, aglutinante y material activo se mezclan juntos utilizando los movimientos cinéticos de las bolas de cristal presentes en los viales. Esta técnica de mezcla ofrece la ventaja de tiempos de mezcla mucho más rápida en comparación con un métod…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo es apoyado financieramente por la Texas A & M University beca de iniciación investigación de la facultad (Mukherjee) y la Universidad Estatal de Texas financiación de puesta en marcha (Rodas).
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
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