Migliori pratiche nella preparazione e valutazione delle celle delle batterie al litio

Materiale di comunicazione volume 3, numero articolo: 64 (2022) Citare questo articolo

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Le batterie al litio migliorate sono molto richieste per l’elettronica di consumo e i veicoli elettrici. Per valutare accuratamente nuovi materiali e componenti, le celle della batteria devono essere fabbricate e testate in un ambiente controllato. Per le celle a bottone e a sacchetto di piccole dimensioni comunemente utilizzate, alcuni fattori e parametri chiave influenzano sostanzialmente la qualità e le prestazioni finali della cella. Pertanto, per ottenere dati accurati e affidabili sui nuovi materiali per le batterie, la ripetibilità e la qualità della fabbricazione delle celle sono fondamentali per garantire risultati riproducibili. Qui discutiamo i fattori e i parametri chiave che influenzano la fabbricazione e i test delle celle, tra cui uniformità degli elettrodi, secchezza dei componenti, allineamento degli elettrodi, pressione interna ed esterna, controllo della quantità di elettrolita e fissaggio della cella con controllo della pressione. Forniamo anche linee guida generali per una preparazione cellulare affidabile.

Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono state ben riconosciute e applicate in un'ampia varietà di applicazioni elettroniche di consumo, come dispositivi mobili (ad esempio, computer, smartphone, dispositivi mobili, ecc.), utensili elettrici e dispositivi per il mantenimento della salute1. A causa della crescente richiesta del mercato dei trasporti elettrificati, è stato molto richiesto anche lo sviluppo di batterie più avanzate con elevata densità di energia e bassa perdita2,3,4,5,6. Oltre agli studi e agli sviluppi delle LIB tradizionali basate sull'intercalazione del litio (Li) tra l'anodo di grafite e il catodo di ossido di metallo di transizione del litio, anche il sistema di batterie al litio metallico, in cui l'anodo di litio metallico viene utilizzato contro l'ossido di litio metallico o altri catodi non contenenti Li hanno attirato molta attenzione grazie al loro potenziale con una maggiore densità energetica o un costo del materiale inferiore rispetto al sistema tradizionale5. Poiché sia ​​le batterie agli ioni di litio che quelle al litio metallico utilizzano materiali attivi contenenti litio e si basano sulla chimica redox associata agli ioni di litio, preferiamo il termine "batterie al litio" (LB) per riferirci a entrambi i sistemi nel seguente contesto.

Negli ultimi dieci anni, tutti i principali componenti degli LB, inclusi materiali attivi, agenti leganti, additivi conduttivi, elettroliti e membrane, sono stati studiati a fondo e documentati da numerosi risultati di ricerca pubblicati7,8,9,10,11,12,13. Oltre alla caratterizzazione chimica e fisica a livello di materiale, le celle elettrochimiche devono essere preparate e testate per studiare ulteriormente le prestazioni di tali componenti. Idealmente, le celle realizzate in linea di produzione commerciale, indipendentemente dal formato della busta, cilindrica o prismatica, forniscono risultati riproducibili migliori6. Tuttavia, la maggior parte dei laboratori di ricerca utilizza ancora celle di piccolo formato, come quelle a bottone, per la valutazione a causa delle risorse e dei costi limitati14,15. Sebbene alcuni istituti utilizzino per la valutazione celle in formato busta monostrato o multistrato di piccole dimensioni, la maggior parte di questi campioni erano ancora "prodotti manualmente" a partire dalla polvere di materiale attivo (a differenza della produzione in linea di produzione automatica o semiautomatica). . Fino a poco tempo fa, la comunità di ricerca ha iniziato a prestare attenzione all'affidabilità della fabbricazione delle cellule, poiché l'ulteriore valutazione dipende fortemente dalla qualità e dalla consistenza delle cellule ottenute. Per le celle formato moneta, sono stati identificati diversi fattori chiave lungo l'intero processo di fabbricazione delle celle che hanno molta influenza sulle prestazioni finali della cella14,15,16,17,18,19,20. Sfortunatamente, gli studi sui fattori chiave per la preparazione e la valutazione delle cellule in formato sacchetto sono ancora rari21.

In questo articolo vengono identificati e discussi i fattori chiave che influenzano le prestazioni finali della cella durante il processo di fabbricazione, rispettivamente per il formato moneta e il formato busta. Vengono inoltre introdotti e discussi alcuni parametri importanti che hanno un'influenza significativa su tali fattori. Alla fine, vengono presentate anche alcune aspettative su uno studio sistematico sul processo di fabbricazione delle cellule, nonché la necessità di un protocollo standard per la produzione e il test delle cellule. Ci auguriamo che la discussione su questi fattori chiave e parametri importanti fornisca una linea guida generale sulla fabbricazione e sui test di celle affidabili e riproducibili per la comunità di ricerca sulle batterie.