Номера для водного Обработка электрода и строительство литий-ионный монет клеток

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Литий-ионные аккумуляторы представляют собой перспективный источник для выполнения постоянно растущих потребностей хранения энергии устройств ^1-4. Улучшения в качестве библиотеками не только улучшить эффективную дальность электрических транспортных средств ^5,6, но и улучшить их жизненный цикл, уменьшая глубину разряда, который в свою очередь увеличивает жизнеспособность библиотеки для использования в приложениях сетки хранения энергии ^7.

Первоначально используется для слуховых аппаратов в 1970-х годах ⁸ монет клетки сегодня широко используются в разработке и оценке новых и существующих электродных материалов. В качестве одного из самых маленьких форм-факторов для батарей, эти клетки представляют собой простой и эффективный способ создания аккумуляторов в академической обстановке исследования. Типичный литий-ионная батарея состоит из катода, анода, токоприемников и пористым разделителем, который предотвращает закорачивание анодом и катодом. Во время работы батареи Литий-ионный, и.о.нс и электроны с мобильного. Во время разряда, ионы перемещаются от отрицательного электрода (анода) через пористого сепаратора и в положительном электроде, или катода. Между тем, электроны движутся через токосъемника, через внешнюю цепь, наконец, рекомбинировать с ионами на катодной стороне. Для того чтобы уменьшить сопротивление любые связанные с ионной и электронной передачи, компоненты должны быть надлежащим образом ориентированных - расстояние ионы путешествия должно быть минимизировано. Как правило, эти компоненты объединены в конфигурации "сэндвич". Батареи, используемые в электрических транспортных средств, мобильных телефонов, бытовой электроники и состоят из крупных бутерброды, которые спирально намотанных или свернутых, в зависимости от форм-фактора батареи. Эти типы клеток может быть очень трудно изготовить в малых масштабах без высоких затрат. Тем не менее, в ячейке, существует только один сэндвич внутри клетки. Несмотря на то, специализированное оборудование по-прежнему необходимо, чтобы создать электроды я монет клетки N, сами клетки могут быть быстро собраны вручную и запечатанные в контролируемой среде.

Производительность батареи, независимо от типа, зависит от материалов, которые формируют положительные и отрицательные электродные, выбор электролита, и архитектура клеток ^4,9-13. Типичный LIB электрод состоит из комбинации литий-содержащий активный материал, проводящий добавку, полимерное связующее и пустот, который заполнен электролитом. Обработка электродов могут быть организованы в пять основных этапов: сухое смешивание порошка, мокрый смешивания, приготовления субстрата, применение пленки и сушки - шаг, который часто уделяется мало внимания. При изготовлении электрода, используя эти шаги обработки, конечной целью является достижение равномерного электродную пленку, состоящую из активного материала, проводящего добавки, связующего. Это равномерное распределение имеет решающее значение для оптимальной производительности библиотеками ^14-18.

нт "> Это руководство представляет шаги, используемые в Texas A & M в лаборатории энергетики и транспорта наук (ETSL) и в университете штата Техас в производстве монет клетки для оценки новых и существующих электродных материалов. Помимо основных шагов найденных описана во многих источниках , мы включили наш собственный опыт в критических шагов, отметив важные детали, которые часто остаются вне подобных методов документов и многих публикаций. Кроме того, первичные физические и электрохимические методы, используемые в нашей лаборатории (гальваностатический езда на велосипеде и электрохимического импеданса спектроскопия (EIS)) Освещены в.

протокол

Следует соблюдать осторожность при использовании любого из растворителей, реактивов, или сухих порошков, используемых в данном протоколе. Читать все листы MSDS и принять соответствующие меры безопасности. Стандартное оборудование безопасности включает в себя перчатки, защитные очки, и халат.

1. Катод Подготовка

Примечание: Схема обзор процесса изготовления катода представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема обзор шагов, используемых в ETSL создания катодов. Основной процесс включает в себя подготовку и литье электродов суспензии на очищенную алюминиевую подложку с последующей сушкой листа электрода и включения в монетных клеток. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы Просмотреть увеличенную веrsion этой фигуры.

1. Алюминий Подготовка основания
   1. Вырезать 4.5 "на 12" лист 15 мкм алюминия (Al) фольга, используя резак для бумаги или ножницы.
   2. Спрей ацетон на поверхности чистый пластиковый борту придерживаться фольгу к плате, а затем поместить лист фольги на борту.
   3. Спрей щедрое количество ацетона на поверхности фольги и начать мыть всю поверхность, используя скотч площадку с небольшими движениями полукруг. Спрей дополнительную ацетон на поверхности и протереть остатки бумажным полотенцем.
   4. Повторите шаги 1.1.2-1.1.3 для противоположной стороны, а затем еще раз повторить для литья стороны.
   5. Вымойте травления Al лист с деионизированной (DI) воды на кастинг сторону, а затем перевернуть и повторить с другой стороны. Re скраб поверхность алюминиевой фольгой в качестве дистиллированной воды отображает плохой смачиваемости и не течет от поверхности листа, не образуя капель. Повторите промывки изопропилалкоголь.
   6. Перевести очищенный Al листа между двумя бумажными полотенцами и дать высохнуть в течение приблизительно 20 мин при сжатии между двумя плоскими самолетов и бумажных полотенец.
2. Шлам Подготовка
   1. Выбрать веса активного материала, проводящего добавки и связующего на основе требуемого состава электродного листа. Выберите общий сухой вес порошка 1,25 г, 70% мас литий-марганцевых-кобальт-оксид, LiNi _1/3 Мп _{1/3 1/3} Со ₂ О (НМЦ, активного материала), 20 мас% сажи (проводящий Добавка) и 10% поливинилиденфторида (ПВДФ, связующее).
   2. Отмерьте 0,875 г NMC и 0,25 г сажи и место в агатовой ступки и пестика. Слегка перемешать материалы вместе без шлифования. После смесь начинает формироваться, мельницы вручную в ступке в течение 3-5 мин, до получения однородной порошок не визуально.
   3. Передача смешанного порошка в одноразовый смесительной трубыс куском бумаги вес. Добавить 16 стеклянные шарики (диаметр 6 мм) в порошок вместе с 5,5 мл 1-метил-2-пирролидинона (NMP), в неводном растворителе.
   4. Поместите одноразовый трубки на трубки приводной станции и заблокировать на месте. Поверните диск, и постепенно увеличивать до максимальной скорости. Разрешить содержимое перемешивали в течение 15 мин.
   5. Добавить 1,25 г 10% раствора PVDF в NMP непосредственно к трубе. Поместите пробирку обратно на диске и позволяет смешивать в течение 8 мин, следуя той же процедуре в 1.2.4. Если трубка выдерживают в течение более чем 5 мин перед заливкой (ниже), перемешивают содержимое в течение дополнительных 15 мин.
3. Литье и сушка
   1. Очистите металлическую поверхность автоматического аппликатора пленки с изопропилового спирта и бумажным полотенцем. Убедитесь, что ракель чист, и устанавливается на нужную высоту отливки (200 мкм).
   2. Нанесите слой изопропилового спирта с поверхности аппликатора пленки и поместите DRIред алюминиевую подложку блестящей стороной вниз на поверхность. Нажмите лишнюю изопропиловый спирт со сложенным бумажным полотенцем, пока все морщины и изопропиловый не удаляются. Позаботьтесь, чтобы избежать разрыва подложки, крепко держа одну из подложки на месте.
   3. Удалить смесительной трубы от привода трубки и открыть контейнер. Налейте суспензии на поверхность подложки в 2-3 дюйма линии приблизительно 1 дюйм от верхней (первоначальное боковой литья) подложки. Удалите любые стеклянные шарики из листа с чистыми металлическими щипцами.
   4. Установите скорость произнесения до 20 мм / сек, и активировать литья руку фильма аппликатора.
   5. Лифт отлитой электрод от поверхности аппликатора пленки с помощью тонкой кусок картона, чтобы гарантировать, что никакие складки не образуют на листе.
   6. Оставьте электрод листа высохнуть в течение 16 часов при комнатной температуре (~ 24 ° С) с последующей сушкой при 70 ° С в течение ~ 3 ч или пока лист высохнет. Убедитесь, что электрод является экологически изолированные в фумне капот или закрытой камерой сгорания, чтобы предотвратить неравномерное высыхание.
4. Катодный электрод Штамповка
   1. Поместите высушенный электрод лист на очищенную листа металлического алюминия. Выньте ½ "дырокола и осторожно на область листа с однородной поверхностью (края могут появиться неоднородная). Медленно надавливайте на удар (вручную) и" рулон "давление по краям перфоратор для обеспечения чистый срез.
   2. (Альтернатива) Вырежьте электрод диск с использованием точного резак диска вместо ручного штамповки.
   3. Выньте электрод из листа с очищенные, пластиковых пинцеты и поместите его в маркированную емкость, с поверхности электрода вверх. Повторите дважды.
   4. (Необязательно) Поставьте пробил электрод на поверхности лабораторного пресса. Применить давление примерно 4 МПа (оптимальное давление будет варьироваться в зависимости от используемого прессе). Повторите для остальных электродов.
   5. Поместите флаконы в Vacuгм печи и позволяют электроды дополнительно сушат при 120 ° С и -0.1 МПа в течение 12 ч, чтобы удалить остатки влаги. После, снять электроды и взвесить их в 0,0001 г.
   6. Откройте прихожую в перчаточном ящике и поместить флаконы на лоток. Закрыть камере дверь и обеспечения герметичности с помощью двух пальцев, чтобы затянуть прихожей люк.
   7. Принесите вакуум вниз до -0,1 МПа, а затем заполнить аргоном. Повторите этот процесс более 1-2 раз, в зависимости от образцов, перевозимых в перчаточном ящике.

2. Анод лист для полного Cell

1. Повторить сегмент 1, за исключением использования медной фольги толщиной 9 мкм в качестве субстрата вместо алюминиевой фольги. Состав листа может быть изменена, чтобы соответствовать конкретным потребностям.

3. Монета сотовый Предварительная сборка

Внимание: Строительство монет клеток осуществляется в течение инертного (аргона) среды в бардачке. ЕXtreme осторожность должны быть приняты, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду в внутренней внешней атмосферы. Работа с острыми материалов в перчаточном боксе должно быть минимизировано, если это возможно. Как правило, задача в перчаточном ящике должен принять в 3 раза дольше, чем скорость, с которой задача будет выполняться за пределами. Перчатки также должны быть надеты на перчаточный ящик перчатки, чтобы минимизировать воздействие при работе с различными веществами.

Примечание: компоненты, необходимые для строительства монеты клетки, в том числе крышки, случай, волновых пружин, прокладки, прокладки, лития лентой, электролита и оставшиеся инструментов, таких как пластиковые пинцетом (для размещения компонентов), содержатся внутри заполненной аргоном перчаточного ящика с _O 2 и _H 2 O уровни поддерживают ниже 0,5 частей на миллион. Все компоненты, вставленные в бардачке (в том числе безворсовые салфетки задач) должна быть нагрета O / N в вакуумной печи при 120 ° С при давлении -0,1 МПа для удаления любойвлажность.

1. Подготовка Counter-электрод
   1. В перчаточном боксе, удалить лития ленту (толщиной 0,75 мм) из закрытой посуде и раскатать часть на поверхность пластиковой блока. Использование лезвие бритвы, тщательно соскрести любой черный цвета окисление с поверхности фольги. Возьмите крайнюю осторожность, чтобы избежать сокращения перчатки.
   2. Возьмите 9/16 "дырокола и выбивать диск ленты лития. Используйте палец (отделенный от лития резиновые перчатки в перчаточном ящике) или другой тупой инструмент, чтобы подтолкнуть лития диск из пунша.
   3. Возьмем толщиной 0,5 мм прокладку и осторожно применять диск лития на поверхности между пальцами. Убедитесь, что литий дисковые палки в центре прокладки и плоская - Неровная поверхность может вызвать неравномерные распределения токов.
2. Электролит Подготовка
   1. Храните электролит выбора (в данном случае 1 М LiPF ₆ в EC / DEC 1: 1 по объему) св перчаточном ящике на все времена в алюминиевый контейнер, в качестве электролита является светочувствительная.
   2. Удалить небольшое количество электролита из контейнера источника в рабочую емкость.
3. Celgard Сепаратор Подготовка
   1. Поместите лист сепаратора мембраны между сложенным листом бумаги принтера. Место сложенный лист бумаги и мембраны на листе алюминиевой металла.
   2. Поставьте амортизационный слой в верхней части дыроколом и использовать молоток, чтобы выбивать на ¾ "разделитель диаметр мембраны.
   3. Перевести перфорированные диски разделительные в перчаточном ящике с использованием процедур, описанных в 1.4.6-1.4.7.
      Примечание: Рекомендуется выполнять этот шаг в объеме, чтобы избежать того, чтобы выбивать отдельные сепараторы для каждого монеты клетки строится.

4. Монета сотовый Ассамблея

Примечание: Конфигурация ячейке, составляетпредставлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Компоненты литиевой отображаются в порядке размещения в клетке. Размещение катода с последующим сепаратора, прокладка, счетчик электрода и волны весной, с последующей герметизацией ячейки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры ,

1. Откройте внутреннюю прихожую дверь. Потяните каких-либо компонентов в прихожей в бардачке и запечатать интерьер прихожей дверь.
2. Поставьте случай монета клеток в небольшой лодке весят. Поместите катод в центре корпуса монета клеток. Нанесите 1-2 ~ 30 мкл капель электролита к центру электрода и применить 1 каплю на противоположных сторонах обода корпуса.
3. Поместите один ¾ "разделитель нана поверхности электрода. Сила любые пузыри, которые становятся попавшие с помощью плоского края пинцетом, и повторно центр катод, захватывая по делу губы и слегка постукивая электрод на место. Применение дополнительных 1-2 капли электролита для обеспечения лучшего движения электрода, если он прилипает к своей первоначальной позиции.
4. Поместите прокладку в случае с плоской стороной вниз и губы стороной вверх. Подтвердите ориентацию прокладки путем проведения на свет до введения клеток.
5. Нанесите 2-3 ~ 30 мкл капель электролита в центре ячейки, и поместить подготовленную противоположный электрод на центр с литий вниз. Поместите волнистую пружину сверху противоположного электрода с центром.
6. Заполните ячейки до краев (~ 0,7 мл) с электролитом, пока она не образует изогнутую выпуклую мениск, который охватывает большую часть волны весеннего поверхности.
7. Осторожно положите монету, крышку в верхней части ячейки, использующей тон пинцет, чтобы держать крышку вертикально над центром клетки. Позаботьтесь, чтобы центр крышку, чтобы избежать чрезмерной потери электролита.
8. Надавите на крышку (вручную), пока она не устанавливает в губы прокладки. Передача ячейку обжимного устройства, убедитесь, что ячейка находится в центре канавки обжимного штампа. Обжимные ячейку до давления ~ 6,2 МПа (900 фунтов на квадратный дюйм) и выпуска.
9. Удалить ячейку из обжимного устройства (вручную), и очистить излишки электролита. Повторите шаги 4,2 -н 4,9 до все желаемые клетки не строятся. Очистите пролитое электролит, поместите мусор в соответствующий контейнер. Передача клетки из перчаточного ящика и пометьте их.

5. Электрохимический Оценка

1. Подключите очищенные клетки батареи циклере. Обеспечить терминалы подключены правильно путем измерения потенциала разомкнутой цепи. Если не положительный, обратный соединений.
2. Рассчитать необходимый ток в расчете на массу высушенных ElecTrode на поверхности алюминиевой подложки, известной массы алюминия, активного процент материала по массе и номинальную удельной мощности активного материала, используемого.
   1. С измеренной электрода массы 0,0090 г, алюминиевый диск массой 0,0054 г, и мощностью 155 мАч / г, определить требуемый ток в (0,0090 г - 0,0054 г) × 0,70 × 155 мАч / г = 0.3906 мАч. Для разряда в ток, необходимый для полностью разрядить ячейку в 1 ч (1С), приложенное ток 0,3906 мА.
3. Установите график на циклера для зарядки / разрядки ячейки между верхними и нижними уровнями напряжения 4,2 В и 2,8 В. цикла клеточной 4 раза со скоростью С / 10 (гальваностатическим, постоянный ток). Затем зарядите ячейку один раз в С / 10.
4. После ^5-го C / 10 заряда, удалить ячейку из циклере (если необходимо) и выполнить электрохимический импеданс-спектроскопии ¹⁹ (EIS) на ячейку, после отдыха в течение 1 часа. Поместите ячейку назадна циклере и разряда в C / 10. Выполните EIS еще раз после отдыха в течение 1 часа.
5. Поместите ячейку обратно на циклере и цикла клеточных 5 раз по ставкам C / 5, С, 2С, 5С, и 10С, а затем 100 1С циклов.
6. Определить удельную емкость клеток в каждой C-скорости путем деления мощности в мАч массой активного материала, присутствующего в катоде. Рассчитайте сохранения емкости путем деления средней удельной мощности за последние 5 1C циклов по средней удельной мощностью первых 5 циклов 1С.

Результаты

Правильно бросить электрод лист должен появиться в форму внешнего вида поверхности и правильно придерживаться нынешнего коллектора. Обычно шелушение электрода листа вызвано либо плохой травления подложки, или того, чтобы мало NMP в начальной стадии смешивания. Кроме ...

Обсуждение

Оптимизация влажных этапов смешивания имеют решающее значение для способности суспензии вязкости и покрытие, которое влияет на равномерность и адгезии электрода. Здесь метод смешения с большим усилием сдвига используется, где растворитель, добавку, связующее и активный материал сме?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
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