Industrial research of carbon anodes

Energia elektryczna jest nierozłącznym elementem naszego życia. Za sprawą akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion) możemy korzystać z wielu urządzeń mobilnych. Ta nowatorska technologia posiada liczne zalety, które umożliwiły jej szybki rozwój i popularyzację, co przełożyło się na szeroki zakres zastosowań. Obecnie prowadzone badania nad ogniwami Li-ion stawiają na poprawę parametrów takich, jak: pojemność, wydajność czy żywotność. Niniejsza praca pozwoliła wykazać, że warunki procesowe podczas wytwarzania materiałów elektrodowych znacząco wpływają na charakterystykę pracy ogniw. Dzięki prowadzonym badaniom określono, że bardzo istotnym parametrem jest grubość materiału aktywnego na elektrodzie, która wprost przekłada się na parametry pojemnościowe i wydajnościowe ogniwa. W ramach przeprowadzonych badań wykonano gęstwy anodowe na bazie grafitu wraz z określonym lepiszczem, jakim była sól sodowa karboksylometylocelulozy (Na-CMC) oraz ekobinder (Eko-PNVF) bazujący na poli-N-winyloformamidzie. Z gęstwy zawierającej Na-CMC jako spoiwo (dodatek 2%), wykonano elektrody o grubościach 30 µm, 50 µm, 70 µm, 80 µm, 90 µm, 100 µm, 150 µm, 200 µm oraz 300 µm i zmontowano ogniwa. Przeprowadzone testy galwanostatycznego ładowania/rozładowania (GCDT) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) pokazały, że najlepszą pojemność rozładowania po 1 cyklu (o wartości 461 mAh/g), dobrą odwracalność w trakcie testów GCDT oraz niskie ubytki pojemności posiada elektroda o grubości 80 µm. Dodatkowo przeprowadzone testy długoterminowe potwierdziły stabilność i najlepszy odtwarzalny charakter pracy ogniwa dla tej grubości materiału elektrodowego. W przypadku drugiej gęstwy z użyciem ekobindera, lepiszcze dodano w dwóch ilościach 2% i 5% masowych. Na bazie tej gęstwy wykonano elektrody o grubości 70 µm, 80 µm i 90 µm, zmontowano ogniwa i poddano testom galwanostatycznym. Otrzymane wyniki pokazały, że użyta ilość bindera ma znaczenie przy otrzymywanych wartościach pojemności właściwej ogniw. W ramach podsumowania prowadzonych badań zmontowano pełne ogniwo guzikowe składające się z najbardziej efektywnej grubości węglowej elektrody (80 µm) przy zastosowaniu spoiwa Na-CMC oraz katody LKMNO (200 µm) i poddano je testom GCDT. Wartość pojemności ładowania dla 1 cyklu wyniosła około 300 mAh/g i malała stopniowo wraz ze zwiększającymi się obciążeniami prądowymi. Uzyskany wynik jest obiecujący i daje zielone światło do kontynuowania i dalszej optymalizacji tego typu badań w przyszłości.

Electricity is an inseparable element of our lives. Thanks to lithium-ion (Li-ion) batteries, we can use many mobile devices. This innovative technology has numerous advantages that have enabled its rapid development and popularization, which has translated into a wide range of applications. Currently conducted research on Li-ion cells focuses on improving parameters such as: capacity, efficiency and service life. This work showed that the process conditions during the production of electrode materials significantly affect the operating characteristics of the cells. Thanks to the conducted research, it was determined that the thickness of the active material on the electrode is a very important parameter, which directly translates into the capacitive and efficiency parameters of the cell. As part of the research, anode slurries based on graphite were made with a specific binder, which was sodium carboxylmethylcellulose (Na-CMC) and ecobinder (Eco-PNVF) based on poly-N-vinylformamide. From the slurry containing Na-CMC as a binder (2% addition), electrodes with thicknesses of 30 µm, 50 µm, 70 µm, 80 µm, 90 µm, 100 µm, 150 µm, 200 µm and 300 µm were made and the cells were assembled. The conducted tests of galvanostatic charge / discharge (GCDT) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) showed that the best discharge capacity after 1 cycle (461 mAh / g), good reversibility during GCDT tests and low capacity losses have an electrode with a thickness of 80 μm . Additionally, the long-term tests carried out confirmed the stability and the best reproducible nature of the cell's operation for this thickness of the electrode material. In the case of the second slurry using an ecobinder, the binder was added in two amounts, 2% and 5% by weight. On the basis of this slurry, electrodes with a thickness of 70 µm, 80 µm and 90 µm were made, cells were assembled and subjected to galvanostatic tests. The obtained results showed that the amount of binder used is important for the obtained values ​​of the specific capacity of the cells. As a summary of the research, a complete button cell consisting of the most effective thickness of a carbon electrode (80 µm) with the use of the Na-CMC binder and the LKMNO cathode (200 µm) was assembled and subjected to GCDT tests. The value of the charging capacity for 1 cycle was about 300 mAh / g and it decreased gradually with increasing current loads. The obtained result is promising and gives the green light to continue and further optimize this type of research in the future.