בנייה ובדיקה של תאים מטבע של סוללות ליתיום יון
Summary
פרוטוקול לבנות ולבדוק תאים מטבע של סוללות ליתיום יון מתואר. הנהלים הספציפיים של ביצוע העבודה האלקטרודה, הכנת אלקטרודה נגדית, הרכבת התא בתוך שבתא הכפפות ובדיקה תא מוצגים.
Abstract
סוללות ליתיום יון נטענות יש יישומים רחב של מוצרי אלקטרוניקה, שם תמיד הלקוחות דורשים יכולת יותר חיים יותר. סוללות ליתיום יון גם נחשב לשימוש בכלי רכב חשמליים היברידיים או חשמליים 1 אפילו ייצוב מערכות הרשת 2. כל היישומים הללו לדמות עלייה דרמטית במחקר ופיתוח של חומרים סוללה 3-7, כולל חומרים חדשים 3,8, סימום 9, nanostructuring 10-13, ציפויים או שינויים על פני השטח 14-17 וקלסרים חדשות 18. כתוצאה מכך, מספר גדל והולך של פיסיקאים, כימאים ואנשי מדע חומרים העז לאחרונה בתחום זה. תאים מטבע נמצאים בשימוש נרחב במעבדות מחקר כדי לבדוק את הסוללה חומרים חדשים, גם למחקר ופיתוח יישומים, כי היעד בקנה מידה גדול ועוצמה גבוהה, תאים מטבע קטן משמשים לעתים קרובות כדי לבחון את יכולות ויכולות שיעורחומרים חדשים בשלב הראשוני.
בשנת 2010, התחלנו הקרן הלאומית למדע (NSF) בחסות פרויקט מחקר כדי לחקור את פני השטח ספיחה ו disordering בחומרי הסוללה (לא מענק. DMR-1006515). בשלב הראשון של פרויקט זה, אנו התקשו ללמוד את הטכניקות של הרכבת ובדיקת תאים מטבע, אשר לא ניתן להשיג ללא עזרה של חוקרים רבים אחרים באוניברסיטאות אחרות (באמצעות שיחות תכופות, חילופי דואר אלקטרוני ושני הביקורים באתר). לפיכך, אנו חשים כי זה מועיל כדי לתעד, לפי טקסט וגם וידאו, פרוטוקול של הרכבת ובדיקת תא מטבע, אשר יסייע לחוקרים חדשים נוספים בתחום זה. מאמץ זה מהווה את "הרחבות" השפעת הפעילות של הפרויקט שלנו NSF, וזה גם יעזור לחנך ולהעניק השראה לתלמידים.
במאמר זה וידאו, אנחנו לתעד בפרוטוקול להרכיב תא מטבע CR2032 עם אלקטרודה LiCoO 2 עובדים, אלקטרודה נגדית לי,ו (בעיקר נפוץ) polyvinylidene פלואוריד (PVDF) קלסר. על מנת להבטיח תלמידים חדשים בקלות לחזור על הפרוטוקול, אנחנו ממשיכים את הפרוטוקול כפי ספציפית ומפורשת ככל שנוכל. עם זאת, חשוב לציין כי במחקר ספציפי עבודות פיתוח, פרמטרים רבים אימצו כאן יכולים להיות מגוונים. ראשית, אפשר להפוך תאים מטבעות בגדלים שונים ולבדוק את האלקטרודה פועלת נגד אלקטרודה נגדית מלבד לי. שנית, סכומי C שחור קלסר נוסף לתוך האלקטרודות העבודה הן מגוונות לעיתים קרובות כדי להתאים למטרה מסוימת של מחקר, למשל, כמויות גדולות של C שחור או אפילו אבקת אינרטי נוספו האלקטרודה פועלת כדי לבדוק את הביצועים "מהותי" חומרים קטודה 14. שלישית, קלסרים טובים יותר (למעט PVDF) פיתחו גם בשימוש 18. לבסוף, סוגים אחרים של אלקטרוליטים (במקום LiPF 6) יכול לשמש גם: למעשה, מסוימים מתח גבוה חומרים אלקטרודה ידרוש את השימוש electrol מיוחדytes 7.
Protocol
Discussion
מניסיוננו, השלב הקריטי ביותר בהכנת האלקטרודה עובד עושה slurries טובים עם עקביות. כפי שמוצג באיור 4, עודף NMP ב slurry יכול לגרום ציפוי סדוק, בעוד מספיק NMP יכול לגרום ציפוי נקבובי. בעבודה המוצגת כאן, מטבע CR2032 סלולריים מקרים שהם 20 מ"מ קוטר משמשים. יש לציין כי התא מטבע המ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו בתודה להכיר תמיכה מתוכנית קרמיקה באגף של חומרי מחקר של המוסד האמריקני למדע, תחת מתן לא. DMR-1006515 (מנהל התוכנית, ד"ר Lynnette ד מדסן).
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).
