עיבוד בלתי מימי אלקטרודה ובנייה של תאי ליתיום-יון מטבע
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
סוללות ליתיום-יון מהוות מקור מבטיח למלא את הדרישות ההולכות וגובר של התקני אחסון אנרגיית 1-4. שיפורים ביכולת של Libs לא רק לשפר את הטווח האפקטיבי של כלי רכב חשמליים 5,6, אלא גם לשפר את מחזור החיים שלהם על ידי הפחתת עומק פריקה, אשר בתורו מגדיל את הכדאיות של Libs לשימוש ביישומי אחסון אנרגיית רשת 7.
שימש במקור למכשירי שמיעה בשנתי ה -1970 8, תאי מטבע היום משמשים בדרך כלל בפיתוח וההערכה של חומרי אלקטרודה חדשים וקיימים. כאחד מגורמי הצורה הקטנים ביותר לסוללות, תאים אלה מייצגים דרך פשוטה ויעילה ליצירת סוללות במסגרת מחקר אקדמית. סוללת ליתיום יון טיפוסית מורכבת קתודה, אנודה, אספנים הנוכחיים, ומפריד נקבובי המונע shorting של האנודה והקתודה. במהלך המבצע של סוללת ליתיום-יון, ioNS ואלקטרונים ניידים. במהלך פריקה, יונים לנסוע מהאלקטרודה השלילית (האנודה) באמצעות המפריד הנקבובי ולאלקטרודה החיובית, או קתודה. בינתיים, אלקטרונים לנסוע דרך האספן הנוכחי, מעבר למעגל החיצוני, לבסוף recombining עם היונים בצד הקתודה. על מנת להקטין את כל התנגדויות הקשורים יון והעברת אלקטרונים, הרכיבים צריכים להיות בכיוון נכון – נסיעות יוני המרחק צריכה להיות ממוזערות. בדרך כלל רכיבים אלה משולבים בתצורה "כריך". סוללות משומשות בכלי רכב חשמליים, טלפונים סלולריים, ומוצרי אלקטרוניקה מורכבות מסנדוויצ'ים גדולים שצורה ספיראלית פצע או מקופל, בהתאם לגורם הצורה של הסוללה. של תאי סוגים אלה יכולים להיות קשים מאוד לייצור בקנה מידה קטנה ללא עלויות גבוהות. עם זאת, בתא בגודל מטבע יש כריך אחד בלבד בתוך התא. למרות שציוד מיוחד עדיין יש צורך ליצור את האלקטרודות אני תאי n מטבע, התאים עצמם ניתן להרכיב במהירות ביד וחתום בתוך סביבה מבוקרת.
הביצועים של סוללות, ללא קשר לסוג, תלויים בחומרים היוצרים את האלקטרודה החיובית ושלילית, הבחירה של אלקטרוליט, וארכיטקטורת תא 4,9-13. אלקטרודה LIB טיפוסית מורכבת משילוב של לי-המכיל חומר פעיל, תוסף מוליך, קלסר פולימרים, וחלל הריק שמלא באלקטרוליט. עיבוד אלקטרודה יכול להיות מאורגן לחמישה שלבים עיקריים: ערבוב יבש אבקה, ערבוב רטוב, הכנת מצע, יישום סרט, וייבוש – צעד שניתן לעתים קרובות מעט תשומת לב. כאשר ייצור אלקטרודה באמצעות מדרגות עיבוד אלה, המטרה הסופית היא להשיג סרט אלקטרודה אחיד הכולל את החומר הפעיל, תוסף מוליך, קלסר. התפלגות אחידה זה היא קריטית לביצועים אופטימליים של Libs 14-18.
NT "> מדריך זה מייצג את הצעדים מנוצלים בטקסס A & M באנרגית המעבדה ומדעי התחבורה (ETSL) ובאוניברסיטת מדינת טקסס לייצור תאי מטבע להערכת אלקטרודה חומרים חדשים וקיימים. מעבר לבסיסיים צעדים מצאו מתועד במקורות רבים , יש לנו כלל המומחיות שלנו בשלבים קריטיים, וציין פרטים חשובים שלעתים קרובות נותרים מחוץ מסמכי שיטות דומים ופרסומים רבים. בנוסף, השיטות פיזיות ואלקטרוכימיים העיקריות המשמשות במעבדה שלנו (רכיבה על אופניים וgalvanostatic אלקטרוכימי עכבת ספקטרוסקופיה (EIS)) הם הובהרו ב.Protocol
Representative Results
Discussion
אופטימיזציה של שלבי ערבוב הרטובים הן קריטיות ליכולת צמיגות slurry וציפוי, אשר משפיעה על האחידות והדבקה של האלקטרודה. הנה שיטת ערבוב גבוהה גזירה מנוצלת, שבו הממס, התוסף, קלסר, וחומר פעיל מעורבבים יחד ניצול התנועות הקינטית של כדורי זכוכית הווה בבקבוקונים. טכניקת ערבוב זה ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת כלכלית על ידי אוניברסיטת A & M מענק ייזום מחקר סגל טקסס (Mukherjee) ואוניברסיטת טקסס מדינת מימון סטארט-אפ (רודוס).
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).
