Melhores práticas na preparação e avaliação de células de bateria de lítio

Materiais de comunicação volume 3, número do artigo: 64 (2022) Citar este artigo

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Baterias de lítio melhoradas estão em alta demanda para eletrônicos de consumo e veículos elétricos. Para avaliar com precisão novos materiais e componentes, as células da bateria precisam ser fabricadas e testadas em um ambiente controlado. Para as células tipo moeda e bolsas pequenas comumente usadas, certos fatores-chave e parâmetros influenciam substancialmente a qualidade e o desempenho da célula final. Portanto, para obter dados precisos e confiáveis ​​sobre novos materiais para baterias, a repetibilidade e a qualidade da fabricação de células são essenciais para garantir resultados reprodutíveis. Aqui, discutimos os principais fatores e parâmetros que influenciam a fabricação e o teste da célula, incluindo uniformidade do eletrodo, secagem do componente, alinhamento do eletrodo, pressão interna e externa, controle da quantidade de eletrólito e fixação da célula com controle de pressão. Também fornecemos diretrizes gerais para preparação confiável de células.

As baterias de íons de lítio (LIBs) foram bem reconhecidas e aplicadas em uma ampla variedade de aplicações eletrônicas de consumo, como dispositivos móveis (por exemplo, computadores, smartphones, dispositivos móveis, etc.), ferramentas elétricas, bem como dispositivos de manutenção da saúde1. Devido à demanda emergente do mercado de transporte eletrificado, o desenvolvimento de baterias mais avançadas com alta densidade de energia e baixa perda também foi altamente exigido2,3,4,5,6. Além dos estudos e desenvolvimentos de LIBs tradicionais baseados na intercalação de lítio (Li) entre o ânodo de grafite e o cátodo de óxido de metal de transição de lítio, o sistema de bateria de metal Li, no qual o ânodo de lítio metálico é usado contra óxido de metal de lítio ou outros cátodos não contendo Li também chamaram muita atenção devido ao seu potencial com maior densidade de energia ou menor custo de material em comparação com o sistema tradicional5. Como as baterias de íon de lítio e de metal de lítio utilizam materiais ativos contendo Li e dependem da química redox associada ao íon de lítio, preferimos o termo "baterias de lítio" (LBs) para se referir a ambos os sistemas no seguinte contexto.

Na última década, todos os principais componentes dos LBs, incluindo materiais ativos, agentes de ligação, aditivos condutores, eletrólitos e membranas, foram minuciosamente investigados e documentados por inúmeras quantidades de resultados de pesquisas publicados7,8,9,10,11,12,13. Além da caracterização química e física do nível do material, células eletroquímicas devem ser preparadas e testadas para investigar melhor o desempenho desses componentes. Idealmente, células feitas em linha de produção comercial, independentemente do formato de bolsa, cilíndrica ou prismática, fornecem melhor resultado reprodutível6. No entanto, a maioria dos laboratórios de pesquisa ainda utiliza células de pequeno formato, como a moeda, para avaliação devido à limitação de recursos e custos14,15. Embora alguns institutos usem células de formato de bolsa de camada única ou multicamadas de tamanho pequeno para avaliação, a maioria dessas amostras ainda era "feita manualmente" a partir do pó de material ativo (em contraste com a linha de fabricação automática ou semi-automática) . Até recentemente, a comunidade de pesquisa começou a prestar atenção à confiabilidade da fabricação de células, pois a avaliação posterior é altamente baseada na qualidade e consistência das células obtidas. Para células em formato de moeda, vários fatores-chave foram identificados ao longo de todo o processo de fabricação da célula que têm muita influência no desempenho final da célula14,15,16,17,18,19,20. Infelizmente, estudos sobre fatores-chave para preparação e avaliação de células em formato de bolsa ainda são raros21.

Neste artigo, os principais fatores que afetam o desempenho da célula final ao longo do processo de fabricação são identificados e discutidos para formato de moeda e formato de bolsa, respectivamente. Alguns parâmetros importantes que têm influência significativa sobre esses fatores também são apresentados e discutidos. Ao final, também são apresentadas algumas expectativas sobre um estudo sistemático sobre o processo de fabricação de células, bem como a necessidade de um protocolo padrão para fabricação e teste de células. Desejamos que a discussão sobre esses fatores-chave e parâmetros importantes forneça uma diretriz geral sobre fabricação e teste de células confiáveis ​​e reprodutíveis para a comunidade de pesquisa de baterias.