بناء واختبار خلايا كوين من بطاريات ليثيوم ايون

Summary

يوصف بروتوكول لبناء واختبار خلايا عملة من بطاريات ليثيوم أيون. وتعرض لإجراءات محددة لجعل القطب العمل، وإعداد القطب المضاد، وتجميع خلية داخل صندوق قفازات واختبار الخلية.

Abstract

قابلة للشحن بطاريات ليثيوم أيون لها تطبيقات واسعة في مجال الالكترونيات، حيث الزبائن يطالبون دائما أكثر قدرة وأطول عمرا. كما تم بطاريات ليثيوم ايون نظرت لاستخدامها في السيارات الكهربائية والهجين ¹ أو حتى الأنظمة الكهربائية استقرار الشبكة ^2. كل هذه التطبيقات محاكاة زيادة هائلة في مجال البحث والتطوير من المواد البطارية ^3-7، بما في ذلك المواد الجديدة ^3،8، المنشطات ^9، nanostructuring ^10-13، والطلاء أو تعديلات سطح ^14-17 والاضبارات رواية ^18. وبناء على ذلك، فقد غامر عدد متزايد من الكيميائيين والفيزيائيين والعلماء مواد مؤخرا في هذا المجال. وتستخدم على نطاق واسع الخلايا عملة في مختبرات البحوث لاختبار المواد بطارية جديدة، وحتى للبحث والتطوير أن الهدف التطبيقات واسعة النطاق وعالية الطاقة، وغالبا ما تستخدم الخلايا عملة صغيرة لاختبار القدرات والإمكانات معدلمواد جديدة في المرحلة الأولية.

في عام 2010، بدأنا مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) برعاية المشروع البحثي للتحقيق في امتصاص المياه السطحية وdisordering في المواد بطارية (منحة لا. DMR-1006515). في المرحلة الأولى من هذا المشروع، لدينا صعوبة في تعلم التقنيات لتجميع واختبار خلايا عملة، والتي لا يمكن أن يتحقق من دون مساعدة العديد من الباحثين الآخرين في الجامعات الأخرى (من خلال النداءات المتكررة، وتبادل البريد الإلكتروني وزيارة المواقع 2). وهكذا، نرى أنه من المفيد لتوثيق، من قبل كل من النص والفيديو، وبروتوكولا للتجميع واختبار خلية عملة، والتي سوف تساعد الباحثين الجديدة الأخرى في هذا المجال. هذا الجهد يمثل "تأثير أوسع" أنشطة مشروع جبهة الخلاص الوطني لدينا، وسوف يساعد أيضا على تثقيف وإلهام الطلاب.

في هذه المقالة الفيديو، ونحن توثيق بروتوكول لتجميع خلية عملة CR2032 مع قطب كهربائي ₂ LiCoO العمل، والقطب المضاد لي،و (في الغالب تستخدم عادة) البولي فينيل الفلوريد (PVDF) الموثق. للتأكد من المتعلمين جديد لتكرار بسهولة البروتوكول، علينا أن نحافظ على بروتوكول كما محددة وصريحة بقدر ما نستطيع. ومع ذلك، فمن المهم أن نلاحظ أنه في مجال البحوث الخاصة وتطوير العمل، الكثير من العوامل التي اعتمدت هنا يمكن أن تختلف. أولا، يمكن للمرء أن جعل خلايا عملة من مختلف الأحجام واختبار قطب كهربائي يعمل ضد القطب المضاد بخلاف لي. الثاني، وأضاف مبالغ أسود C والموثق في أقطاب العمل وتتنوع في كثير من الأحيان لتتناسب مع غرض معين من البحوث، على سبيل المثال، تم إضافة كميات كبيرة من مسحوق أسود C أو حتى الخاملة إلى القطب العمل لاختبار "جوهري" الأداء المواد الكاثود ^14. وقد وضعت ثالث، أفضل الاضبارات (عدا PVDF) أيضا، وتستخدم ^18. أخيرا، يمكن أيضا أنواع أخرى من الشوارد (بدلا من LiPF ₆₎ يمكن استخدامها، في الواقع، بعض المواد الكهربائي عالية الجهد سيتطلب استخدامات electrol خاصytes ^7.

Protocol

1. إعداد العامل الكهربائي

1. تحضير خليط من وزن 6 ~. ٪ البولي فينيل الفلوريد (PVDF) الموثق في N-ميثيل pyrrolidone-2 (NMP).
2. وزن 80 بالوزن. ٪ من المواد النشطة (LiCoO ₂ في هذه الحالة)، ووزن 10. ٪ C الأسود (الأسيتيلين، 99.9٪ +)، ثم مزجها في دوامة لمدة 1 دقيقة.
3. إضافة NMP-الموثق خليط من هذا القبيل أن الموثق يشكل 10 بالوزن. ٪ من الوزن الكلي للخليط.
4. نقل الخليط فوق إلى قارورة زجاجية صغيرة وتخلط في الخلاط في دوامة دورة في الدقيقة كحد أقصى لنحو 30 دقيقة. ويمكن استخدام اثنين من الكرات زركونيا قطرها 5 ملم وسائل الإعلام من أجل تحسين الاختلاط. إذا لزم الأمر، إضافة المزيد من NMP من أجل الحصول على الطين من الاتساق المطلوب.
5. نشر احباط المعدنية للجامع الحالي (عادة الألومنيوم لالكاثود والنحاس القطب الموجب) على لوحة من الزجاج. استخدام الأسيتون والتأكد من عدم وجود فقاعات الهواء بين احباط ولوحة زجاجية. استخدام طبقتين من اخفاء الشريط لتشكيل المسار ومواطنهالمعهد الوطني للإحصاء في المنطقة تطلى.
6. تطبيق الطين إلى احباط المعدنية باستخدام ملعقة الفولاذ المقاوم للصدأ، ونشر الطين بشكل موحد على المسار باستخدام شفرة حلاقة.
7. يجف الطلاء في الهواء أو فراغ في ~ 90-120 درجة مئوية لمدة حوالي 2-8 ساعات (التي ينبغي تعديلها تعتمد على المواد والموثق المستخدمة).
8. وضع رقائق معدنية مغلفة بين ألواح الصلب اثنين (ورقتين وزنها لحماية الطلاء) واضغط تحت حمولة من رطل 3000 ~ باستخدام الضغط الهيدروليكي.
9. كمة المجففة رقائق المعدنية المغلفة بالمطاط في أقراص من 8 ملم وقطرها (ويفضل داخل الصندوق). وزن كاثودات والتفاف عليها قبل ان ينتقل في علبة القفازات.
10. لكمة احباط معدنية غير المصقول من نفس المادة إلى أقراص من 8 ملم في القطر وتزن هذه الأقراص.

2. إعداد المنحل بالكهرباء

1. كما المنحل بالكهرباء هو حساس، تخزين المنحل بالكهرباء (1M LiPF ₆ في المفوضية الأوروبية: DMC: ديسمبر في هذه الحالة) في bottl Nalgeneه ملفوفة من قبل رقائق الألومنيوم.

3. إعداد عداد الكهربائي (احباط ليثيوم في هذه الحالة)

1. تنظيف السطح من احباط الليثيوم باستخدام فرشاة النايلون / غير القابل للصدأ مشرط الصلب حتى سطح لامع فضي يظهر (داخل صندوق قفازات الأرجون).
2. لكمة احباط الليثيوم إلى أقراص من نصف قطرها بوصة (داخل صندوق قفازات الأرجون).

4. عملة خلية الجمعية

1. ويبين الشكل 2 التخطيطي لعملة والجمعية الخلية.
2. لكمة Celgard C480 الأغشية إلى أقراص من 19 ملم في القطر الفواصل واستخدامها على النحو.
3. نقل الحالات خلية عملة (CR2032)، والينابيع والفواصل (التي تم شراؤها من شركة MTI)، فواصل وأقطاب العاملين في علبة القفازات (بعد التنظيف مبادل خمس مرات مع الأرجون).
4. تجمع الخلايا عملة في علبة القفازات.
5. إضافة قطرتين من المنحل بالكهرباء إلى كأس الخلية ووضع قطب كهربائي تعمل على ذلك. إضافة ثلاثة اخرينقطرات من المنحل بالكهرباء ومكان فصل 2 مع قطرتين من المنحل بالكهرباء بينهما. إضافة اثنين من أكثر قطرات من المنحل بالكهرباء قبل وضع قطب كهربائي عداد الليثيوم على ذلك. مكان اثنين من الفواصل الفولاذ المقاوم للصدأ، وربيع على القرص الليثيوم.
6. إغلاق الخلية باستخدام غطاء الخلية و3-4 مرات تجعيد باستخدام آلة العقص المدمجة (التي تم شراؤها من شركة MTI).
7. بعد تجميع هذه الخلايا، والتعامل مع الخلايا المصنعة باستخدام ملاقط بلاستيكية (لتجنب تلامس في الدائرة).
8. تنظيف المنحل بالكهرباء الزائدة تتسرب من الجانبين للخلية باستخدام منديل ورقي.
9. الخلية على استعداد للاختبار والتي يمكن اتخاذها للخروج من صندوق قفازات.

5. عملة خلية اختبار

1. الحفاظ على عملة خلية مرتبطة اختبار البطارية في وضع الدائرة المفتوحة (OCV) التيار الكهربائي لمدة ساعة واحدة بمجرد ما يصبح جاهزا.
2. تحديد إطار الجهد لاختبار الخلية استنادا إلى المادة الفعالة المستخدمة في العمل القطب.
3. حساب للoretical قدرة للخلية باستخدام العمليات الحسابية المبينة أدناه.

وزن القرص الكهربائي مع المجمع الحالي = W _EO

وزن القرص جامع الحالية غير المصقول من نفس القطر = W _CC

وبالنظر إلى وزنها من المواد الكهربائي، W _م، من قبل

وبالنظر إلى وزنها من المواد النشطة في القطب، W _صباحا، من قبل

وتعطى القدرة النظرية لالقرص الكهربائي، C _{الضعف الجنسي،} من قبل

حيث C هو ق نظريpecific قدرة المادة الفعالة.

4. اختبار خلية عملة إلى المسؤول عن التفريغ في المطلوبة C-معدل.

6. ممثل النتائج

كمثال على ذلك، تم إنشاء عملة خلية باستخدام LiCoO _2، والمادة الفعالة للقطب كهربائي يعمل. بعد البناء، تم اختبار خلية في م / 5 معدل. يتم عرض الملف التي تم الحصول عليها في الشكل 3. تم تعيين إطار الجهد لتكون ما بين 3 و 4.3 الخامس لهذه الخلية عملة. وكانت قدرة 155 مللي أمبير / ز للدورة التهمة الأولى و 140 مللي أمبير / ز لدورة التصريف الأول.

الرسم البياني رقم 1 التدفق. من البناء الداخلي عملة الخلية. أولا، يتم إعداد القطب عمل من مسحوق من المادة الفعالة. ثم، يتم إعداد عداد كهربائي من احباط الليثيوم نظيفة واللكم الفواصل خارج. أخيرا، خلية هوتجميعها داخل صندوق قفازات الأرجون.

الشكل 2. تخطيطي لعملية التجميع عملة خلية تظهر كافة المكونات في الترتيب الذي يتم وضعها داخل عملة قضية الخلية.

الشكل 3. النتائج التي تم الحصول عليها من الممثل خلية عملة شيدت باستخدام قطب كهربائي يعمل مصنوعة من LiCoO ₍₂₎ والقطب احباط الليثيوم العداد. المؤامرة أن التهمة الأولى، ومنحنيات التفريغ الأول للعملة الخلية التي وجهت وتفريغها في م / 5 معدل.

الشكل 4. مقارنة الطلاءات الجيدة والسيئة بعد أن تم تجفف. وطلاء متصدع ينتج عادة من الطين الذي يحتوي NMP الزائدة وطلاء المسامية ينتج عادة من قlurry له NMP غير كاف.

الشكل 5. مقارنة خلية عملة مجعد بشكل جيد وخلية عملة مجعد بشدة، جنبا إلى جنب مع خلية من الامم المتحدة ومجعد. عادة، خلية عملة مجعد بشدة انشقاقات أفتح بعد بضع ساعات في المحيط بسبب تورم احباط الليثيوم بعد رد فعل مع رطوبة.

Discussion

في تجربتنا، فإن الخطوة الأكثر أهمية في التحضير للقطب كهربائي يعمل تبذل عجائن جيدة مع الاتساق. كما هو مبين في الشكل (4)، يمكن أن يزيد في الطين NMP يؤدي إلى تشقق الطلاء، في حين أن عدم كفاية NMP يمكن أن يؤدي إلى الطلاء التي يسهل اختراقها. في الأعمال المعروضة هنا، وتس?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
اسم كاشف	شركة	فهرس العدد
بولي (فلوريد الفينيليدين)	سيغما الدريخ	182702
1-ميثيل-2-pyrrolidinone، 99.5٪	ألفا Aesar	31903
LiCoO 2	ألفا Aesar	42090
أسود الكربون، والأسيتيلين، 99.9٪ +	ألفا Aesar	39724
LiPF 6 في المفوضية الأوروبية: DMC: ديسمبر	شركة MTI	EQ يكون بين LiPF6
Celgard الفاصل	Celgard	C480
التناظرية دوامة خلاط	VWR	58816-121
فراغ فرن
فراغضخ
هيدروليكي الصحافة
عملة خلية حالة	شركة MTI	EQ-CR2032-CASE-304
الربيع وهل	شركة MTI	EQ-CR20SprSpa-304
صندوق قفازات	mBraun	UNILAB
بطارية اختبار	Arbin الآلات	BT2143