Non acquoso Processing elettrodi e Costruzione di celle agli ioni di litio Coin
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
Le batterie al litio rappresentano una fonte promettente per soddisfare le sempre crescenti esigenze dei dispositivi di accumulo dell'energia 1-4. Il miglioramento della capacità di LIBS avrebbero non solo migliorare l'effettiva gamma di veicoli elettrici 5,6, ma anche migliorare il loro ciclo di vita, riducendo la profondità di scarico, che a sua volta aumenta la vitalità delle LIBS per l'utilizzo in applicazioni di storage di energia griglia 7.
Originariamente utilizzato per apparecchi acustici nel 1970 8, coin cells oggi sono comunemente utilizzati per lo sviluppo e la valutazione di nuovi ed esistenti materiali per elettrodi. Come uno dei più piccoli fattori di forma per le batterie, queste cellule rappresentano un modo semplice ed efficace per creare batterie in ambiente universitario. Una tipica batteria agli ioni di litio è costituito da un catodo, anodo, collettori di corrente, e un separatore poroso che impedisce il cortocircuito del anodo e catodo. Durante l'operazione di una batteria agli ioni di litio, ions e gli elettroni sono mobili. Durante la scarica, gli ioni viaggiano dall'elettrodo negativo (anodo) attraverso il setto poroso e nell'elettrodo positivo, o catodo. Nel frattempo, gli elettroni viaggiano attraverso il collettore di corrente, attraverso il circuito esterno, infine ricombinazione con gli ioni sul lato catodico. Al fine di ridurre eventuali resistenze associate a ioni e trasferimento di elettroni, i componenti devono essere correttamente orientata – corsa ioni distanza deve essere ridotto al minimo. Tipicamente queste componenti sono combinate una configurazione "sandwich". Le batterie utilizzate nei veicoli elettrici, telefoni cellulari e di elettronica di consumo sono costituite da grandi sandwich che sono avvolto a spirale o ripiegati, a seconda del fattore di forma della batteria. Questi tipi di cellule possono essere molto difficili da produrre su piccola scala senza costi elevati. Tuttavia, in una cella moneta è solo un singolo panino all'interno della cellula. Sebbene attrezzature specializzate è ancora necessario creare elettrodi i batterie a bottone n, le cellule stesse possono essere rapidamente assemblati a mano e sigillate in un ambiente controllato.
Le prestazioni delle batterie, indipendentemente dal tipo, dipende dai materiali che formano l'elettrodo positivo e negativo, la scelta di elettrolita, e l'architettura cellulare 4,9-13. Un elettrodo tipico lib è composto da una combinazione di Li-contenenti materiale attivo, Additivo conduttivo, legante polimerico, e lo spazio vuoto che viene riempito con un elettrolita. Lavorazione elettrodo può essere organizzato in cinque fasi principali: miscelazione a secco in polvere, miscelazione bagnato, preparazione del substrato, applicazione di film, e asciugatura – un passo che viene spesso dato poca attenzione. Quando si produce un elettrodo utilizzando queste fasi di lavorazione, l'obiettivo finale è quello di realizzare un film omogeneo elettrodo costituito dal materiale attivo, Additivo conduttivo, legante. Questa distribuzione uniforme è fondamentale per ottenere prestazioni ottimali di LIBS 14-18.
nt "> Questa guida rappresenta i passaggi utilizzati presso la Texas A & M nel Laboratorio per l'Energia e Scienze Trasporti (ETSL) e Texas State University per la produzione di pile a bottone per la valutazione di nuovi ed esistenti materiali per elettrodi. Al di là delle operazioni di base si trovano documentato in molte fonti , abbiamo inserito il nostro know-how a fasi critiche, rilevando importanti dettagli che vengono spesso lasciati fuori di metodi documenti simili e numerose pubblicazioni. Inoltre, i metodi fisici e elettrochimici primarie utilizzate nel nostro laboratorio (ciclismo galvanostatico e elettrochimica spettroscopia di impedenza (EIS)) sono chiarite all'interno.Protocol
Representative Results
Discussion
L'ottimizzazione delle fasi di miscelazione bagnati sono cruciali per la capacità viscosità della sospensione e rivestimento, che incide l'uniformità e adesione dell'elettrodo. Qui un metodo di miscelazione grande forza di taglio viene utilizzato, in cui il solvente, additivi, leganti, materiale attivo vengono miscelati utilizzando i movimenti cinetiche delle sfere di vetro presenti nelle fiale. Questa tecnica offre il vantaggio di miscelazione di molto più rapidi tempi di miscelazione rispetto ad un met…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è sostenuto finanziariamente da Texas A & M University borsa di iniziazione di ricerca della facoltà (Mukherjee) e Texas State University finanziamento di start-up (Rodi).
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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