Bouw en testen van Coin Cellen van Lithium Ion batterijen
Summary
Een protocol op te bouwen en te testen knoopcellen van lithium-ion batterijen wordt beschreven. De specifieke procedures maken van een werkzame elektrode, aan een tegenelektrode, het samenstellen van een cel in een handschoenkast en testen van de cel worden aangebracht.
Abstract
Oplaadbare lithium-ion batterijen hebben een brede toepassingen in de elektronica, waar klanten altijd vragen om meer capaciteit en een langere levensduur. Lithiumionbatterijen werden onderzocht om te worden gebruikt in elektrische en hybride voertuigen 1 of elektriciteitsnet stabilisatiesystemen 2. Al deze applicaties te simuleren een dramatische toename in het onderzoek en de ontwikkeling van accu materialen 3-7, met inbegrip van nieuwe materialen 3,8, doping 9, nanostructurering 10-13, coatings of oppervlakmodificaties 14-17 en nieuwe bindmiddelen 18. Daarom hebben steeds meer fysici, chemici en materialen wetenschappers onlangs waagde in dit gebied. Coin cellen worden veel gebruikt in onderzoekslaboratoria om nieuwe batterij materialen te testen, zelfs voor het onderzoek en de ontwikkeling die zich richten op grote schaal en krachtige applicaties, kleine knoopcellen worden vaak gebruikt om de capaciteiten en mogelijkheden van de snelheid te testennieuwe materialen in de eerste fase.
In 2010 zijn we begonnen met een National Science Foundation (NSF) gesponsord onderzoek naar de oppervlakte adsorptie en ontregelen in de batterij materialen (geen subsidie. DMR-1006515) te onderzoeken. In de eerste fase van dit project, hebben we moeite om de technieken van het assembleren en testen van knoopcellen, die niet kan worden bereikt zonder veel hulp van andere onderzoekers in andere universiteiten (door middel van frequente gesprekken, e-mail uitwisselingen en twee bezoeken ter plaatse) te leren. Zo zijn wij van mening dat het nuttig is om, te documenteren door zowel tekst als video, een protocol van het assembleren en testen van een munt cel, die andere nieuwe onderzoekers zal helpen op dit gebied. Deze inspanning vertegenwoordigt de "bredere impact" activiteiten van onze NSF project, en het zal ook helpen op te voeden en inspireren studenten.
In deze video artikel gaan we documenteren van een protocol bij een CR2032 knoopcel monteren met een LiCoO 2 werkdagen elektrode, een Li tegenelektrode,en (meestal gebruikt) polyvinylideenfluoride (PVDF) bindmiddel. Om ervoor te zorgen nieuwe cursisten gemakkelijk te herhalen van het protocol, houden we het protocol zo specifiek en expliciet als we kunnen. Het is echter belangrijk op te merken dat in specifieke onderzoeks-en ontwikkelingswerk, veel parameters hier aangenomen kan worden gevarieerd. Ten eerste kan een te maken knoopcellen van verschillende grootte en testen van de werkende elektrode tegen een tegenelektrode anders dan Li. Ten tweede, de hoeveelheden C zwart bindmiddel toegevoegd aan de werkende elektroden vaak gevarieerd om het specifieke doel van het onderzoek voldoen, bijvoorbeeld grote hoeveelheden C zwarte of inert poeder werden toegevoegd aan de werkzame elektrode naar de "intrinsieke" prestaties testen kathode materiaal 14. Derde beter bindmiddelen (andere dan PVDF) zijn ontwikkeld en gebruikt 18. Tenslotte kunnen andere elektrolyten (in plaats van LiPF 6) worden gebruikt, in feite bepaalde hoge spanning elektrodemateriaal vereist het gebruik van speciale electrolytes 7.
Protocol
Discussion
In onze ervaring, is de meest kritische fase in de voorbereiding van de werkende elektrode het maken van goede slurries met consistentie. Zoals getoond in figuur 4 kan dan NMP in de slurry leidt tot een gekraakte coating, terwijl voldoende NMP kan een poreuze bekleding. In de hier gepresenteerde werk, zijn platte batterij CR2032 gevallen dat 20 mm in diameter gebruikt. Opgemerkt dat knoopcel gevallen van verschillende grootte worden gebruikt, waarbij de elektrode afmetingen dienovereenkomstig worden gev…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We dankbaar erkennen de steun van het Keramiek-programma in afdeling Materials Research van de Amerikaanse National Science Foundation, onder de subsidie niet. DMR-1006515 (programma manager, Dr Lynnette D. Madsen).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number |
| Poly(vinylidene fluoride) | Sigma-Aldrich | 182702 |
| 1-Methyl-2-pyrrolidinone, 99.5% | Alfa Aesar | 31903 |
| LiCoO2 | Alfa Aesar | 42090 |
| Carbon black, acetylene, 99.9+% | Alfa Aesar | 39724 |
| LiPF6 in EC:DMC:DEC | MTI Corporation | EQ-Be-LiPF6 |
| Celgard separator | Celgard | C480 |
| Analog Vortex Mixer | VWR | 58816-121 |
| Vacuum oven | ||
| Vacuum pump | ||
| Hydraulic press | ||
| Coin cell case | MTI Corporation | EQ-CR2032-CASE-304 |
| Spring and spacer | MTI Corporation | EQ-CR20SprSpa-304 |
| Glovebox | mBraun | UNILAB |
| Battery tester | Arbin Instruments | BT2143 |
References
- Cairns, E. J., Albertus, P. Batteries for Electric and Hybrid-Electric Vehicles. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 1, 299-320 (2010).
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. -. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334, 928-935 (2011).
- Goodenough, J. B. Cathode materials: A personal perspective. J. Power Sources. 174, 996-1000 (2007).
- Yamada, A., Chung, S. C., Hinokuma, K. Optimized LiFePO4 for lithium battery cathodes. Journal of the Electrochemical Society. 148, A224-A229 (2001).
- Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104, 4271-4301 (2004).
- Tarascon, J. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
- Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chemical Materials. 22, 587-603 (2010).
- Ceder, G. Identification of cathode materials for lithium batteries guided by first-principles calculations. Nature. 392, 694-696 (1998).
- Chung, S. Y., Bloking, J. T., Chiang, Y. M. Electronically conductive phospho-olivines as lithium storage electrodes. Nature Materials. 1, 123-128 (2002).
- Bruce, P. G., Scrosati, B., Tarascon, J. M. Nanomaterials for rechargeable lithium batteries. Angewandte Chemie-International Edition. 47, 2930-2946 (2008).
- Arico, A. S., Bruce, P., Scrosati, B., Tarascon, J. M., Van Schalkwijk, W. Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices. Nature Materials. 4, 366-377 (2005).
- Hochbaum, A. I., Yang, P. D. Semiconductor Nanowires for Energy Conversion. Chemical Reviews. 110, 527-546 (2010).
- Wang, Y., Cao, G. Z. Developments in nanostructured cathode materials for high-performance lithium-ion batteries. Advanced Materials. 20, 2251-2269 (2008).
- Kang, B., Ceder, G. Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature. 458, 190-193 (2009).
- Liu, J., Manthiram, A. Improved Electrochemical Performance of the 5 V Spinel Cathode LiMn1.5Ni0.42Zn0.08O4 by Surface Modification. Journal of the Electrochemical Society. 156, A66-A72 (2009).
- Kayyar, A., Qian, H. J., Luo, J. Surface adsorption and disordering in LiFePO4 based battery cathodes. Applied Physics Letters. 95, (2009).
- Sun, K., Dillon, S. J. A mechanism for the improved rate capability of cathodes by lithium phosphate surficial films. Electrochemistry Communications. 13, 200-202 (2011).
- Kovalenko, I. A Major Constituent of Brown Algae for Use in High-Capacity Li-Ion Batteries. Science. 333, 75-79 (2011).
