Meilleures pratiques en matière de préparation et d'évaluation des cellules de batterie au lithium

Documents de communication volume 3, numéro d'article : 64 (2022) Citer cet article

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Les batteries au lithium améliorées sont très demandées pour l'électronique grand public et les véhicules électriques. Afin d'évaluer avec précision les nouveaux matériaux et composants, les cellules de batterie doivent être fabriquées et testées dans un environnement contrôlé. Pour les piles bouton et petites poches couramment utilisées, certains facteurs et paramètres clés influencent considérablement la qualité et les performances finales de la pile. Par conséquent, pour obtenir des données précises et fiables sur les nouveaux matériaux pour batteries, la répétabilité et la qualité de la fabrication des cellules sont essentielles pour garantir des résultats reproductibles. Ici, nous discutons des facteurs et paramètres clés qui influencent la fabrication et les tests des cellules, y compris l'uniformité des électrodes, la sécheresse des composants, l'alignement des électrodes, la pression interne et externe, le contrôle de la quantité d'électrolyte et la fixation de la cellule avec contrôle de la pression. Nous fournissons également des directives générales pour une préparation cellulaire fiable.

Les batteries au lithium-ion (LIB) étaient bien reconnues et utilisées dans une grande variété d'applications électroniques grand public, telles que les appareils mobiles (par exemple, les ordinateurs, les téléphones intelligents, les appareils mobiles, etc.), les outils électriques, ainsi que les appareils de maintien de la santé1. En raison de la demande émergente du marché des transports électrifiés, le développement de batteries plus avancées à haute densité d'énergie et à faible perte était également très demandé2,3,4,5,6. Outre les études et les développements de LIB traditionnels basés sur l'intercalation de lithium (Li) entre l'anode en graphite et la cathode d'oxyde de métal de transition au lithium, le système de batterie Li métal, dans lequel l'anode au lithium métallique est utilisée contre l'oxyde de lithium métallique ou d'autres cathodes ne contenant pas de Li également a attiré beaucoup d'attention en raison de leur potentiel avec une densité d'énergie plus élevée ou un coût de matériau inférieur par rapport au système traditionnel5. Comme les batteries Li-ion et Li-métal utilisent des matériaux actifs contenant du Li et reposent sur la chimie redox associée à l'ion Li, nous préférons le terme de "batteries au lithium" (LB) pour désigner les deux systèmes dans le contexte suivant.

Au cours de la dernière décennie, tous les principaux composants des LB, y compris les matériaux actifs, les agents liants, les additifs conducteurs, l'électrolyte et les membranes, ont été minutieusement étudiés et documentés par de nombreuses quantités de résultats de recherche publiés7,8,9,10,11,12,13. Outre la caractérisation chimique et physique au niveau du matériau, les cellules électrochimiques doivent être préparées et testées pour étudier plus avant les performances de ces composants. Idéalement, les cellules fabriquées à la chaîne de production commerciale, quel que soit le format de poche, cylindrique ou prismatique, fournissent un meilleur résultat reproductible6. Cependant, la plupart des laboratoires de recherche utilisent encore des cellules de petit format, telles que des piles bouton, pour l'évaluation en raison de la limitation des ressources et des coûts14,15. Bien que certains instituts utilisent une cellule au format de poche monocouche ou multicouche de petite taille pour l'évaluation, la plupart de ces échantillons étaient encore "fabriqués manuellement" à partir de poudre de matière active (contrairement à la fabrication en ligne automatique ou semi-automatique) . Jusqu'à récemment, la communauté de la recherche a commencé à prêter attention à la fiabilité de la fabrication des cellules, car l'évaluation ultérieure dépend fortement de la qualité et de la cohérence des cellules obtenues. Pour les cellules au format pièce, plusieurs facteurs clés ont été identifiés tout au long du processus de fabrication de la cellule qui ont une grande influence sur les performances finales de la cellule14,15,16,17,18,19,20. Malheureusement, les études sur les facteurs clés pour la préparation et l'évaluation des cellules en format poche sont encore rares21.

Dans cet article, les facteurs clés qui affectent les performances finales de la cellule tout au long du processus de fabrication sont identifiés et discutés pour le format de pièce et le format de poche, respectivement. Certains paramètres importants qui ont une influence significative sur ces facteurs sont également présentés et discutés. À la fin, certaines attentes concernant une étude systématique sur le processus de fabrication des cellules, ainsi que la nécessité d'un protocole standard pour la fabrication et les tests des cellules sont également présentées. Nous souhaitons que la discussion sur ces facteurs clés et paramètres importants fournisse une ligne directrice générale sur la fabrication et les tests de cellules fiables et reproductibles à la communauté de recherche sur les batteries.

Les électrodes sont le composant le plus important de la cellule LB. La qualité de l'électrode affecterait largement les performances finales de la cellule. En 2011, Mark et al ont publié une méthode générale pour la préparation des électrodes LIB en utilisant la cathode NMC111 comme exemple, qui est une référence pour l'application de liant PVDF18. Dans une publication récente, Jiangtao et al. a fourni un exemple de préparation d'anode en graphite, qui utilise un liant de carboxyméthylcellulose à base aqueuse15. (Fig. 1.) Dans les deux exemples, un bon mélange de la suspension a été souligné avec une configuration appropriée de l'équipement de mélange et un contrôle du temps, car l'uniformité de la suspension est un facteur clé qui influencerait les performances finales de la cellule. Afin de réduire l'agglomération, le pré-broyage et le tamisage des poudres solides (matières actives et additifs conducteurs) sont fortement recommandés avant le mélange humide avec la solution de liant. De plus, le contenu solide doit être cohérent entre les différents lots pour un meilleur contrôle de la qualité.

une étape de mélange du Slurry ; b Refroidissement du lisier après mélange ; c contrôle de la porosité dans le procédé de calandrage ; d Alignement des électrodes pendant la fabrication de la cellule complète ; e Contrôle du rapport N/P pour cellule pleine ; f Mouillage électrolytique sur les électrodes. (réimpression avec la permission de la réf. 15. Copyright 2021 Cell press).

L'uniformité de l'épaisseur de l'électrode, en particulier avec un revêtement d'électrode épais, est un facteur critique conséquent pour influencer la performance finale de la cellule22,23. Chaque fabricant a ses propres spécifications et exigences en matière de variation d'épaisseur de revêtement d'électrode, qui est généralement inférieure à plusieurs pourcentages. Cependant, la plupart des laboratoires de recherche s'appuient encore sur des outils manuels ou de petits équipements de revêtement motorisés pour étaler la suspension sur la feuille pour le revêtement de petites surfaces. Afin d'obtenir une meilleure qualité de revêtement, certains paramètres seraient pris en compte pour une opération de revêtement à l'échelle du laboratoire. L'un des paramètres importants est la vitesse de revêtement. En fonction de la viscosité de la suspension, la vitesse d'étalement peut affecter l'épaisseur finale du revêtement même avec le même réglage d'écart. Compte tenu de la méthode d'alimentation en suspension de la lame de revêtement, ainsi que du taux d'évaporation du solvant, l'épaisseur du revêtement peut présenter des variations à la fois au début et à la fin. Cependant, une vitesse de revêtement stable fournira une épaisseur de revêtement relativement uniforme le long de la direction de revêtement. D'autre part, l'espace de la lame de revêtement doit être soigneusement calibré avant utilisation car il affectera la variation d'épaisseur le long de la largeur du revêtement.

La sécheresse de tous les composants tels que l'électrolyte et la membrane séparatrice est également essentielle pour les performances de la cellule. Il est bien connu qu'une teneur en humidité non contrôlée dans les batteries peut entraîner une structure de matériau actif instable, un dégagement de gaz, ainsi que d'autres problèmes de sécurité8,24,25. Par conséquent, il est nécessaire de vérifier périodiquement la teneur en humidité, ainsi que de maintenir la sécheresse des solvants organiques et des sels de Li. Par exemple, certains solvants à base d'éther sont hautement hygroscopiques en raison de la formation de liaisons hydrogène avec l'eau. Même en étant stocké dans la boîte à gants Ar, la teneur en humidité sera augmentée, en particulier avec des utilisations fréquentes, un conteneur moins isolé et une longue durée de stockage. Dans la plupart des cas, le tamis moléculaire A4 activé aiderait à maintenir la sécheresse des solvants avec un faible niveau d'humidité initial (~ 10–20 ppm). Contrairement aux solvants organiques, les sels de Li doivent être traités au cas par cas. Par exemple, LiTFSI peut être re-séché sous vide (par exemple, séchage sur ligne Schlenk), tandis que LiPF6 n'a pas de méthodes de séchage ou de récupération faciles dans des conditions générales de laboratoire. Pour l'électrolyte préparé, même l'électrolyte commercial, il est fortement recommandé de vérifier périodiquement la pureté et la teneur en humidité par titrage Karl Fischer et RMN26,27, car le tamis moléculaire A4 ne peut pas être utilisé en raison de l'échange d'ions.

Le séchage du séparateur avant utilisation est également fortement recommandé compte tenu de sa nature très poreuse. Une méthode courante pour le séchage régulier du séparateur consiste à utiliser un processus sous vide à basse température (par exemple, <60 °C) avec un temps contrôlé pour éviter la déformation thermique. Ces dernières années, de nouveaux types de séparateurs dotés de nouveaux composants polymères ou de revêtements de surface spéciaux ont été introduits dans la zone des batteries. Pour ces nouveaux séparateurs, il est fortement recommandé d'utiliser les conditions de séchage suggérées par le fabricant ou le vendeur.

Les pièces de la pile bouton, telles que les boîtiers de cathode et d'anode, les entretoises et les ressorts, doivent être soigneusement nettoyées avant le séchage. Ces pièces métalliques, selon le contrôle du procédé du fabricant, peuvent contenir des résidus métalliques et organiques. Un rinçage à l'acétone/alcool et à l'eau DI avec un bain à ultrasons aiderait à éliminer ces résidus avant un séchage supplémentaire. Les autres composants de la cellule, tels que les matériaux des sachets et les languettes/bandes, doivent également être pré-séchés avant la fabrication de chaque cellule de lot pour éviter l'accumulation de la teneur en humidité.

La cellule au format pièce est le format dominant utilisé dans l'étude des batteries en raison de sa configuration simple, de sa préparation facile et de son coût matériel relativement faible. Plusieurs paramètres clés ont été identifiés qui affecteraient la qualité de la préparation cellulaire et la répétabilité des données14,15. L'alignement de la cathode et de l'anode est très critique pour la stabilité à long cycle28. Idéalement, la zone de la cathode et de l'anode devrait être la même avec un chevauchement de 100 %14. Cependant, cette conception présente toujours un désalignement des électrodes qui conduit à un dépôt direct de Li, entraînant ainsi des résultats incohérents. Par conséquent, la zone de l'anode doit être légèrement plus grande que celle de la cathode, ce qui permet un meilleur alignement15. Cette conception surdimensionnée est également utilisée dans les cellules commerciales de plus grand format. Un autre facteur clé est la quantité d'électrolyte utilisée dans l'assemblage des piles boutons. En théorie, l'électrolyte doit remplir tous les pores des électrodes et de la membrane séparatrice. Une étude systématique sur des cellules pleines NMC/graphite a suggéré qu'un excès approprié d'électrolyte apporte une meilleure capacité cellulaire20. Pour obtenir une meilleure reproductibilité des données de différents lots expérimentaux, la même quantité exacte d'électrolyte doit être utilisée dans toutes les préparations cellulaires. D'un autre côté, l'utilisation d'un excès d'électrolyte doit être prudent car la quantité totale dans chaque cellule peut varier, car l'électrolyte peut être "éjecté" pendant le sertissage.

Outre les facteurs ci-dessus qui ont été soigneusement étudiés, la pression appliquée sur les pièces internes, y compris les électrodes et les séparateurs, est également un facteur critique qui affecterait les performances finales de la cellule. La figure 2 montre un schéma en coupe d'une pile bouton typique. Contrairement à la cellule au format poche dans laquelle la pression appliquée provient principalement d'une source externe, la pression interne appliquée à la cellule bouton sur les électrodes provient principalement de la compression du ressort. Malheureusement, aucune étude n'a été rapportée sur la pression interne appliquée. La variété de la conception et de la texture des ressorts rend difficile l'obtention d'un profil de pression de base. Comme la hauteur interne de la cellule est fixe (par exemple, ~ 3 mm pour une pile bouton de type 2032), la compression du ressort est déterminée par l'épaisseur totale des autres composants et la sélection de l'épaisseur de l'entretoise. Par conséquent, lorsque vous utilisez une épaisseur d'électrode similaire dans différents lots, la même épaisseur d'entretoise doit être utilisée afin d'obtenir une compression de ressort constante, qui est liée à la pression appliquée interne. Pendant ce temps, lorsque l'épaisseur du revêtement d'électrode ou la charge de masse change, ou que l'épaisseur de la contre-électrode Li change, un ajustement correspondant sur l'épaisseur de l'entretoise est nécessaire pour fournir une condition de pression interne fermée raisonnable.

Schéma en coupe d'une cellule au format pièce avec différentes pressions internes, en supposant que tous les composants sont identiques, à l'exception d'une épaisseur d'entretoise différente. une pression interne plus élevée avec une plus grande compression du ressort en raison d'une entretoise plus épaisse et d'un écart de ressort plus petit qui en résulte ; b Une pression interne plus faible avec une compression de ressort plus faible grâce à une entretoise plus fine et un écartement de ressort plus grand qui en résulte.

Outre la pression interne appliquée, la pression externe serait également appliquée par le processus de sertissage. La pression de sertissage varie de plusieurs centaines à plusieurs milliers de psi, selon la conception et la configuration de l'équipement. Bien que la lecture de la pression ne signifie pas la pression finale appliquée sur le composant interne, elle affecte toujours le composant interne avec une pression supplémentaire pendant le processus de sertissage. Par exemple, une configuration de pression de sertissage trop importante pourrait induire la déformation du séparateur, entraînant ainsi le court-circuit interne. Malheureusement, il est difficile d'avoir un protocole standard pour le réglage de la pression de sertissage, car la mécanique et la conception des outils de sertissage varient. Cependant, une configuration cohérente comprenant un réglage de pression et un temps de maintien appropriés pourrait réduire considérablement le taux d'échec de la fabrication de cellules et améliorer considérablement la reproductibilité des données de la pile bouton.

Comme indiqué dans la section précédente, le processus de fabrication principalement manuel de la cellule de format de pièce présente une grande déviation du système. Pour de tels systèmes, l'analyse statistique des données avec suffisamment de nombres de cellules d'échantillon pour chaque lot pourrait être plus appropriée et significative. Brandon et al. ont publié une étude systématique utilisant le test de 30 cellules20. Les auteurs ont suggéré que des ensembles d'échantillons plus petits peuvent être utilisés pour fournir une répartition raisonnable des données. Étant donné que ce domaine concerne davantage les statistiques mathématiques, ce qui dépasse le cadre de cet article, nous n'aurons pas d'autres discussions. Cependant, avoir suffisamment de nombre d'échantillons pour chaque lot (par exemple, 3 à 10 cellules par lot) devrait être encouragé dans la recherche à l'échelle du laboratoire lors de l'utilisation d'une cellule au format pièce.

Ces dernières années, des cellules au format poche monocouche et multicouche (généralement <3 Ah) ont été introduites dans la recherche avancée sur la LB, car elles étaient considérées comme plus proches de leur homologue commercial que les cellules au format pièce21,29,30. Cependant, comme la plupart des cellules au petit format de poche à l'échelle du laboratoire ont été préparées manuellement, la qualité et la reproductibilité des données sont également fortement affectées par toutes les erreurs pendant l'opération, comme pour la cellule au format pièce. Un processus général de fabrication de cellules de poche comprend la coupe/ébarbage des électrodes, l'empilement des électrodes, le soudage des languettes, le scellage de la poche, l'injection d'électrolyte, la formation et le dégazage final et le rescellage. Ce processus de fabrication de cellules de poche contient plus d'étapes de fonctionnement que la fabrication de piles boutons, introduisant ainsi plus d'erreurs système et humaines.

Quel que soit le processus de fabrication, la cellule au format poche partage les mêmes facteurs clés liés à la performance finale de la cellule. Par exemple, l'alignement des électrodes est toujours très critique, que ce soit dans les cellules monocouches ou multicouches. Dans la plupart des configurations à l'échelle du laboratoire, l'anode est environ 1 à 2 mm plus grande que la cathode sur chaque bord, donc la tolérance pour le désalignement est très faible. En plus du placement initial des électrodes, des précautions d'ajustement de l'alignement des électrodes doivent être prises lors des processus suivants d'enroulement du séparateur, de soudage des languettes et de scellement des sachets. Dans le processus d'empilement, les électrodes peuvent être facilement déplacées pendant le processus d'enroulement des électrodes en raison de l'électricité statique. Dans le processus de soudage des onglets, le désalignement se produirait en raison de la distorsion de la zone des onglets due à la pression exercée par les têtes de soudage. Un désalignement similaire induit par la pression se produirait également sur le scellement des sachets, en particulier le bord avec des languettes. Dans la plupart des cas, un support ou un gabarit personnalisé qui peut appliquer une certaine pression et confiner géométriquement le rouleau de gelée (pile d'électrodes/séparateurs) et la cellule aiderait beaucoup à l'alignement.

De plus, le temps de mouillage de l'électrolyte, en particulier pour les cellules utilisant une électrode à revêtement épais, doit être contrôlé pour permettre une diffusion complète de l'électrolyte. Dans la fabrication industrielle des batteries, l'injection d'électrolyte et le mouillage qui suit sont soigneusement contrôlés par une conception technique appropriée à la fois du traitement et de l'équipement. De nombreux facteurs critiques sont pris en compte dans la conception globale, tels que la viscosité de l'électrolyte, le taux de diffusion en vrac, la pression de vapeur et le taux d'évaporation. Dans la plupart des conditions de laboratoire de recherche, fournir un temps de trempage suffisamment long avec une condition de vide pourrait être une solution plus pratique. Bien qu'il n'y ait aucune preuve étayée par des données ou des résultats publiés suggérant que la condition de vide puisse aider à augmenter le taux de mouillage de l'électrolyte, une poche scellée sous vide peut empêcher l'évaporation de l'électrolyte et l'humidité/impureté externe pendant le processus de mouillage.

Le contrôle de la quantité d'électrolyte est un autre facteur pour la performance globale de la cellule. La cellule au format pochette a moins d'espace "mort" que la cellule au format pièce. Cependant, la quantité d'espace "mort" ou libre de la cellule au format poche dépend fortement de la conception de la cellule. Généralement, la cellule de poche monocouche a toujours plus d'espace libre que la conception multicouche (par exemple,> 5 couches), tandis que la cellule de petite taille (par exemple, 0,5 Ah) a plus d'espace libre que la cellule de grande taille (par exemple, 30 Ah). À des fins de recherche, pour obtenir des résultats reproductibles sur une cellule au format poche, la quantité d'électrolyte doit être contrôlée et mesurée avec précision. Pour obtenir la quantité précise d'électrolyte, plusieurs mesures séparées sont nécessaires avant et après le processus de formation/refermeture, car l'électrolyte sera consommé pendant la formation et retiré partiellement lors de la rescellement de la poche.

Le facteur de sécheresse, qui a été généralement discuté dans la section ci-dessus, doit être souligné à nouveau pour la cellule au format poche. Compte tenu de la surface beaucoup plus grande de l'électrode et du séparateur, ainsi que du temps de fabrication beaucoup plus long que la pile bouton, les composants de la pile à poche peuvent absorber plus d'humidité et d'impuretés pendant la fabrication, selon les conditions de fonctionnement. Par conséquent, l'utilisation immédiate des composants de pré-séchage et un temps de fonctionnement plus court sont fortement recommandés pour réduire l'impact de l'humidité.

Contrairement à la cellule au format pièce, la pression appliquée sur les composants internes de la cellule de poche provient du vide à l'intérieur de la poche et de la pression d'empilement externe. Certains rapports précédents suggéraient que la pression d'empilement externe avait une influence sur l'impédance de la cellule et la distribution du courant, affectant ainsi les performances de cyclage dans les LIB. Pour la batterie Li-métal, l'influence de la pression d'empilement externe est encore plus due à la nature sensible à la pression des conditions de dépôt de Li31,32. Par conséquent, la pression de jalonnement qui est généralement fournie par la fixation de la cellule est un autre facteur critique pour les performances de la cellule et la reproductibilité des données. La plupart des appareils de cellule ont été personnalisés avec différentes conceptions pour le contrôle de la pression, car il n'y a pas de produits disponibles dans le commerce avec une conception universelle. Comme le montre la figure 3, les appareils de cellule courants utilisent soit une conception à deux plaques avec une cellule intercalée, soit une conception à trois plaques avec une carte « flottante » pour une meilleure répartition et un meilleur contrôle de la pression. Les deux conceptions utilisent des boulons situés aux coins pour aider à fixer la position des plaques. Dans certains cas, la pression était contrôlée par une certaine charge de masse sur la plaque supérieure. tandis que la majorité de ces fixations cellulaires repose sur la compression des ressorts sur les boulons, qui peut être estimée par la loi de Hook29. Ces montages de cellule avec chargement par ressort peuvent bien fonctionner sur une cellule de poche de petite taille (c'est-à-dire < 5 Ah). Cependant, deux paramètres doivent être pris en compte lors de la fabrication et de l'utilisation de ces fixations : la texture de la plaque et l'étalonnage de la compression du ressort. D'après notre expérience, les métaux tels que les alliages d'aluminium ou les textures en acier inoxydable peuvent fournir une meilleure répartition de la pression. En revanche, les textures en plastique ou en fibre de verre sont plus flexibles, ce qui se plie lors de l'application d'une forte pression sur les coins. Outre la texture de la plaque, les ressorts doivent également être soigneusement sélectionnés et calibrés. Si nécessaire, un étalonnage de la pression multipoint à différents endroits (comme illustré à la Fig. 4) est recommandé pour obtenir une meilleure répartition de la pression en plus du contrôle de la compression du ressort. En fait, dans le cas pratique, la compression du ressort en mesurant l'écart de la plaque, ou directement à partir de la mesure de la longueur du ressort, ne peut pas fournir une détermination précise de la pression en raison de l'erreur de mesure, de la qualité du ressort, de la texture de la plaque et du frottement entre le boulon et le trou de la plaque. . Par conséquent, un contrôle de pression multipoint avec un capteur de pression de forme plate contribuera davantage à la précision du contrôle de la pression avec une alimentation en pression externe, quel que soit le type de ressort ou les cellules de charge.

une conception à deux plaques avec une cellule de batterie placée au milieu entre les plaques ; b Conception à trois plaques avec cellule de batterie placée au milieu entre deux plaques inférieures.

une vue latérale en coupe de l'appareil de cellule et de la cellule, avec les emplacements d'étalonnage suggérés indiqués dans des cercles rouges ; b vue de dessous de la fixation de la cellule et de la cellule (plaque inférieure non illustrée pour une vue claire) avec les emplacements d'étalonnage suggérés indiqués dans des cercles rouges.

Lors du test de la cellule LB, une chambre thermique dédiée avec un contrôle précis de la température est nécessaire pour fournir un environnement de test stable. Dans les premières études, de nombreux chercheurs utilisaient la "température ambiante" pour le travail initial de dépistage et d'étude. Étant donné que le cycle de la batterie est un test à long terme, la fluctuation de la température ambiante affecterait les performances globales de la cellule, en particulier avec les systèmes sensibles à la température utilisant une cellule au format pièce qui ont un échange de chaleur rapide avec l'environnement. Pour les cellules au format poche, l'échange de chaleur est plus lent avec les fixations de cellule. Par conséquent, un certain temps de repos dans la chambre thermique est nécessaire pour stabiliser la température de la cellule.

La communauté de recherche a réalisé la signification critique de la fabrication fiable de cellules pour l'étude de batterie précieuse et reproductible. En tant que bonne base de l'ensemble du domaine de recherche sur les batteries, la fabrication des cellules devrait attirer davantage l'attention des chercheurs. Comme nous l'avons vu dans cet article, de nombreux facteurs ont un impact important sur la reproductibilité de la fabrication des cellules. Certains d'entre eux, tels que le contrôle de l'épaisseur du revêtement des électrodes, la sécheresse des composants ou l'alignement des électrodes, relèvent de la stratégie de contrôle technique dans la définition de la fabrication. Il y a des significations scientifiques et techniques derrière chaque détermination de paramètre. Cependant, ces études prennent du temps, dépendent de l'expérience / des installations et ne sont pas toujours alignées sur la recherche universitaire et les intérêts d'étude. Par conséquent, une enquête systématique sur ces paramètres clés qui affectent la qualité et les performances des cellules est encore rare, en comparaison avec de nombreuses publications sur les études de matériaux ou d'électrochimie dans le domaine de la recherche sur les batteries.

D'une part, nous espérons que davantage d'équipes de recherche pourront s'engager dans des enquêtes et des études dans ce domaine pour aider à fournir des preuves et des analyses solides qui profiteront à l'ensemble de la communauté de recherche sur les batteries. D'un autre côté, nous espérons également que cet article pourra attirer l'attention des chercheurs sur ces facteurs et mieux comprendre les paramètres physiques et chimiques liés aux facteurs, ainsi, trouver un processus, une méthode ou une solution appropriée pour obtenir des résultats reproductibles et fiables, en fonction des conditions de travail et de la capacité de l'installation. Certains de ces facteurs peuvent être liés à certains paramètres physiques qui peuvent être mesurés et surveillés. Par exemple, l'uniformité du contrôle des électrodes peut être liée à la viscosité de la suspension et à la distribution granulométrique, qui peuvent être mesurées respectivement par un viscosimètre/rhéomètre et un analyseur de particules. Dans la préparation des électrolytes, la teneur en eau doit toujours être suivie soit par titrage Karl-Fisher, soit par RMN. Pour ces paramètres physiques, les chercheurs peuvent choisir des équipements et des outils de caractérisation appropriés à l'échelle du laboratoire. Ici, nous suggérons même aux chercheurs d'ajouter ces données de caractérisation à leur publication, ce qui permet non seulement de mieux comprendre les propriétés des matériaux et les détails du processus, mais également de fournir des références pour une étude plus approfondie.

En outre, lorsque les chercheurs étudient de nouveaux matériaux ou composants, la sélection du format de cellule approprié et de la conception de cellule ciblant différentes applications doit également être prise en considération. Éliminer les erreurs pouvant être apportées par certains processus ou composants est également un moyen efficace d'améliorer la reproductibilité et la fiabilité. Par exemple, dans certaines études, une cellule au format sachet monocouche avec une très petite surface d'électrode peut ne pas présenter une meilleure cohérence des données qu'un groupe de cellules au format pièce avec analyse d'erreur, en raison de son processus de fabrication plus compliqué, ainsi que d'un contrôle de pression difficile.

Afin d'améliorer encore la reproductibilité de la fabrication des cellules dans l'étude de la batterie, les groupes de recherche et les instituts devraient essayer d'impliquer davantage d'équipements automatiques ou semi-automatiques dans le processus de fabrication des cellules afin d'éliminer en grande partie les erreurs du système par le processus de fonctionnement manuel. D'un autre côté, il pourrait être difficile pour les fabricants d'équipements de fabriquer les instruments appropriés à l'échelle du laboratoire pour répondre à la fois aux exigences techniques et aux limites budgétaires. En outre, dans certaines études, l'utilisation d'électrodes provenant d'une source commerciale ou de toute installation capable (par exemple, revêtement d'électrode en grande quantité, équipement et installation de niveau pilote) peut aider à réduire beaucoup d'efforts tout en obtenant une meilleure cohérence dans l'électrolyte, le séparateur ou le criblage de revêtement de surface spécial et évaluation, en comparant avec la fabrication manuelle de l'électrode en interne.

Dans cet article de perspective, nous avons discuté de certains facteurs clés dans la préparation et l'évaluation des cellules LB. Nous espérons que cet article pourra aider non seulement à attirer l'attention de la communauté de recherche sur les batteries sur l'impact de ces facteurs et paramètres sur la reproductibilité et la fiabilité du résultat final, mais également à fournir une solution initiale et une réflexion pour répondre aux questions. Outre les efforts d'étude prolongés, nous espérons également qu'il y aura d'autres discussions sur les protocoles complets de préparation et d'évaluation des cellules afin de fournir une norme de fonctionnement et une base de comparaison pour la recherche et le développement futurs des batteries. Tous ces efforts peuvent aider à combler le fossé entre l'étude fondamentale et l'application pratique de la technologie LBs.

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Fang Dai et Mei Cai

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MC a proposé l'idée. FD et MC ont discuté et décrit le manuscrit. FD a effectué une recherche documentaire et rédigé le premier projet. MC a révisé le projet. Les deux auteurs ont donné leur approbation à la version finale du manuscrit.

Correspondance à Mei Cai.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Communications Materials remercie les examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail. Rédacteurs en chef de la manipulation principale : Jie Xiao et John Plummer. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

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Réimpressions et autorisations

Dai, F., Cai, M. Meilleures pratiques de préparation et d'évaluation des cellules de batterie au lithium. Commun Mater 3, 64 (2022). https://doi.org/10.1038/s43246-022-00286-8

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Reçu : 07 janvier 2022

Accepté : 30 août 2022

Publié: 09 septembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s43246-022-00286-8

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