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

Communications Materials 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 à pièces et les petites poches couramment utilisées, certains facteurs et paramètres clés influencent considérablement la qualité et les performances finales des cellules. Par conséquent, pour obtenir des données précises et fiables sur les nouveaux matériaux pour les 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 de 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 lithium-ion (LIB) étaient bien reconnues et utilisées dans une grande variété d’applications électroniques grand public, telles que les appareils mobiles (p. ex. ordinateurs, téléphones intelligents, appareils mobiles, etc.), les outils électriques, ainsi que les appareils de maintien de la santé1. En raison de l’émergence de la demande du marché du transport électrifié, le développement de batteries plus avancées avec une densité d’énergie élevée et une faible perte a également été très demandé2,3,4,5,6. Outre les études et les développements de LIBs traditionnelles basées sur l’intercalation au lithium (Li) entre l’anode en graphite et la cathode d’oxyde métallique de transition au lithium, le système de batterie métal Li, dans lequel l’anode métallique au lithium est utilisée contre l’oxyde de lithium métal ou d’autres cathodes non contenant du Li, a également attiré beaucoup d’attention en raison de leur potentiel avec une densité d’énergie plus élevée ou un coût de matériau inférieur à celui du système traditionnel5. Comme les batteries Li-ion et Li-métal utilisent des matériaux actifs contenant Li et reposent sur la chimie redox associée à l’ion Li, nous préférons que le terme de « batteries au lithium » (LB) fasse référence aux 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 fait l’objet d’une étude approfondie et ont été documentés par de nombreux résultats de recherche publiés7,8,9,10,11,12,13. Outre la caractérisation chimique et physique au niveau du matériau, des cellules électrochimiques doivent être préparées et testées pour étudier plus avant la performance de ces composants. Idéalement, les cellules fabriquées à la chaîne dans le commerce, 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, comme les piles boutons, pour l’évaluation en raison des ressources limitées et des coûts14,15. Bien que certains instituts utilisent des cellules de poche multicouches à couche unique ou 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 automatique ou semi-automatique à la chaîne). 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 repose fortement sur la qualité et 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 beaucoup d’influence sur les performances finales de la cellule14,15,16,17,18,19,20. Malheureusement, les études sur les facteurs clés de la préparation et de l’évaluation des cellules sous forme de poche sont encore rares21.

Dans cet article, les facteurs clés qui affectent la performance finale des cellules 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 de 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 essais 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 LIBs en utilisant la cathode NMC111 comme exemple, qui est une référence pour l’application de liant PVDF18. Dans une publication récente, Jiangtao et coll. ont fourni un exemple de préparation d’anode en graphite, qui utilise un liant carboxyméthylcellulose à base aqueuse15. (Fig. 1.) Dans les deux exemples, un bon mélange de la boue a été mis en évidence avec une configuration appropriée de l’équipement de mélange et un contrôle du temps, car l’uniformité de la boue est un facteur clé qui influencerait la performance finale 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 une solution liante. En outre, le contenu solide doit être cohérent entre les différents lots pour un meilleur contrôle de la qualité.

une étape de mélange du lisier; b Refroidissement du lisier après mélange; c contrôle de la porosité dans le processus de calendrier; d Alignement des électrodes pendant la fabrication de cellules complètes; e Contrôle du rapport N/P pour la cellule complète; f Mouillage de l’électrolyte sur les électrodes. (Réimpression avec la permission de la réf. 15. Copyright 2021 Presse cellulaire).

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 sur la variation de l’épaisseur du revêtement des électrodes, qui se situe généralement dans plusieurs pourcentages. Cependant, la plupart des laboratoires de recherche s’appuient encore sur des outils à main ou de petits équipements de revêtement motorisés pour répandre la boue sur la feuille pour le revêtement de petites surfaces. Afin d’obtenir une meilleure qualité de revêtement, certains paramètres seraient pris en compte pour le fonctionnement du revêtement à l’échelle du laboratoire. L’un des paramètres importants est la vitesse de revêtement. Selon la viscosité de la boue, la vitesse d’épandage peut affecter l’épaisseur finale du revêtement même avec le même réglage d’espace. Compte tenu de la méthode d’alimentation du lisier à la lame de revêtement, ainsi que du taux d’évaporation du solvant, l’épaisseur du revêtement peut avoir des variations au début et à la fin. Cependant, une vitesse de revêtement constante fournira une épaisseur de revêtement relativement uniforme le long de la direction du revêtement. D’autre part, l’espace de la lame de revêtement doit être soigneusement calibré avant utilisation, car cela 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 à la performance des cellules. Il est bien connu qu’une teneur en humidité incontrôlée dans les batteries peut entraîner une structure instable du matériau actif, une libération de gaz, ainsi que d’autres problèmes de sécurité8,24,25. Par conséquent, il est nécessaire de vérifier périodiquement la teneur en humidité et de maintenir la sécheresse des solvants organiques et des sels Li. Par exemple, certains solvants à base d’éther sont très hygroscopiques en raison de la formation de liaison 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 récipient moins isolé et un long temps de stockage. Dans la plupart des cas, un 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, le LiTFSI peut être séché à nouveau sous vide (par exemple, séchage sur la ligne Schlenk), tandis que le LiPF6 n’a pas de méthodes de séchage ou de récupération faciles en 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. Un moyen courant de 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. Au cours des dernières années, de nouveaux séparateurs de type dotés de nouveaux composants polymères ou de revêtements de surface spéciaux ont été introduits dans la zone des batteries. Pour ces nouveaux séparateurs, l’utilisation de conditions de séchage suggérées par le fabricant ou le fournisseur est fortement recommandée.

Les pièces de 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 processus du fabricant, peuvent contenir des résidus métalliques et organiques. Un rinçage à l’eau acétone / alcool et DI avec l’aide d’un bain à ultrasons aiderait à éliminer ces résidus avant un séchage supplémentaire. D’autres composants cellulaires, tels que les matériaux de poche et les onglets / rubans, doivent également être pré-séchés avant chaque fabrication de cellules de lot pour éviter l’accumulation de la teneur en humidité.

La pile de format pièce est le format dominant utilisé dans l’étude de la batterie en raison de sa configuration simple, de sa préparation facile et de son coût matériel relativement faible. Plusieurs paramètres clés ont été identifiés qui pourraient affecter 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 des cycles longs28. Idéalement, la zone de la cathode et de l’anode devrait être la même avec un chevauchement de 100%14. Cependant, cette conception a toujours un désalignement des électrodes qui conduit à un dépôt direct de Li, ce qui entraîne des résultats incohérents. Par conséquent, la surface de l’anode doit être légèrement plus grande que la cathode, ce qui contribue à un meilleur alignement15. Cette conception de surdimensionnement 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 devrait remplir tous les pores des électrodes et de la membrane séparatrice. Une étude systématique sur les cellules pleines NMC/graphite a suggéré qu’un excès approprié d’électrolyte apporte une meilleure capacité cellulaire20. Pour obtenir une meilleure reproductibilité des données provenant de différents lots expérimentaux, il convient d’utiliser exactement la même quantité d’électrolyte dans toutes les préparations cellulaires. D’autre part, l’utilisation de beaucoup d’électrolyte en excès doit être prudente car la quantité totale dans chaque cellule peut varier, car l’électrolyte peut être « pressé » 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 diagramme en coupe transversale d’une pile bouton typique. Contrairement à la cellule de format poche dans laquelle la pression appliquée provient principalement d’une source externe, la pression interne appliquée à la pile 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 les piles boutons de type 2032), la compression du ressort est déterminée par l’épaisseur totale des autres composants et le choix de l’épaisseur de l’espaceur. Par conséquent, lorsque vous utilisez une épaisseur d’électrode similaire dans différents lots, la même épaisseur d’espacement doit être utilisée afin d’obtenir une compresse de ressort cohérente, qui se lie à la pression interne appliquée. Pendant ce temps, lorsque l’épaisseur du revêtement de l’électrode ou la charge massique change, ou que l’épaisseur de l’électrode du compteur Li change, un ajustement correspondant de l’épaisseur de l’espaceur est nécessaire pour fournir des conditions raisonnables de pression interne fermée.

Schéma de section transversale de la cellule de format pièce avec différentes pressions internes, en supposant que tous les composants sont les mêmes, à l’exception d’une épaisseur d’espacement différente. une pression interne plus élevée avec une compression de ressort plus importante en raison d’un espaceur plus épais et d’un espace de ressort plus petit; b Pression interne plus faible avec une compression de ressort plus faible en raison de l’entretoise plus mince et de l’écart de ressort plus grand qui en résulte.

Outre la pression interne appliquée, une 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 trop serrée 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 de l’outil de sertissage varient. Cependant, une configuration cohérente, y compris un réglage approprié de la pression et un temps de maintien, pourrait réduire considérablement le taux de défaillance de la fabrication des cellules et améliorer considérablement la reproductibilité des données des piles boutons.

Comme discuté dans la section précédente, le processus de fabrication principalement manuel de la cellule de format de pièce a une grande déviation du système. Pour de tels systèmes, l’analyse statistique des données avec un nombre suffisant de cellules d’échantillon pour chaque lot pourrait être plus appropriée et significative. Brandon et coll. ont publié une étude systématique utilisant le test à 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 est plus vers la statistique mathématique qui dépasse le cadre de cet article, nous n’aurons pas d’autres discussions. Cependant, il faudrait encourager la recherche à l’échelle du laboratoire à avoir suffisamment de nombre d’échantillons pour chaque lot (p. ex., 3 à 10 cellules par lot) dans la recherche à l’échelle du laboratoire lors de l’utilisation de piles de format pièce.

Au cours des dernières années, des cellules de poche monocouches et de petite taille multicouche (généralement <3 Ah) ont été introduites dans la recherche avancée sur la LB, car elles étaient considérées comme plus fermées à leur homologue commerciale que les cellules au format pièce21,29,30. Cependant, comme la plupart des cellules de 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 au cours de l’opération, comme la cellule de format pièce. Un procédé général de fabrication de cellules de poche comprend la découpe / coupe d’électrodes, l’empilement d’électrodes, le soudage par onglets, le scellage de poche, l’injection d’électrolyte, la formation et le dégazage final et le refermage. Ce processus de fabrication de cellules de poche contient plus d’étapes de fonctionnement que la fabrication de piles à pièces, introduisant ainsi plus d’erreurs système et humaines.

Quel que soit le processus de fabrication, la cellule de format poche partage les mêmes facteurs clés qui sont liés aux performances finales de la cellule. Par exemple, l’alignement des électrodes est toujours très critique, peu importe 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 au désalignement est très faible. Outre le placement initial des électrodes, des précautions doivent être prises lors du réglage de l’alignement des électrodes lors des processus d’enroulement du séparateur, de soudage par languettes et de scellage des poches. Dans le processus d’empilage, les électrodes peuvent être facilement déplacées pendant le processus d’enroulement des électrodes en raison de l’électricité statique. Dans le processus de soudage par onglets, le désalignement se produirait en raison de la distorsion de la zone de la languette due à la pression exercée par les têtes de soudage. Un désalignement similaire induit par la pression se produirait également sur l’étanchéité de la poche, 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 de batteries, l’injection d’électrolyte et le mouillage suivant sont soigneusement contrôlés par une conception technique appropriée à la fois sur le traitement et 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 suffisamment de temps de trempage avec des conditions de vide pourrait être une solution plus pratique. Bien qu’il n’y ait aucune preuve étayée par des données publiées ou des résultats suggérant que la condition de vide peut aider à augmenter le taux de mouillage des électrolytes, une poche scellée sous vide peut empêcher l’évaporation de l’électrolyte et l’humidité externe / impureté 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 de format pochette a moins d’espace « mort » que la cellule de format pièce. Cependant, la quantité d’espace « mort » ou libre de la cellule de format poche dépend fortement de la conception de la cellule. En général, la cellule de poche monocouche a toujours plus d’espace libre que la conception multicouche (p. ex., >5 couches), tandis que la cellule de petite taille (p. ex., 0,5 Ah) a plus d’espace libre que la cellule de grande taille (p. ex., 30 Ah). À des fins de recherche, pour obtenir des résultats reproductibles sur une cellule de format poche, la quantité d’électrolyte doit être contrôlée et mesurée avec précision. Pour obtenir la quantité exacte d’électrolyte, plusieurs mesures séparées sont nécessaires avant et après le processus de formation / refermeture, car l’électrolyte sera consommé pendant la formation et éliminé partiellement avec refermeture de la poche.

Le facteur de sécheresse, qui a été généralement discuté dans la section ci-dessus, doit être souligné de nouveau pour les cellules de format de 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 cellule de poche peuvent absorber plus d’humidité et d’impuretés pendant la fabrication, selon les conditions de fonctionnement. Par conséquent, l’utilisation immédiate des composants pré-secs et un temps de fonctionnement plus court sont fortement recommandés pour réduire l’impact de l’humidité.

Contrairement à la pile de 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 ont suggéré que la pression d’empilement externe a une influence sur l’impédance de la cellule et la distribution du courant, affectant ainsi les performances de cyclage dans les LIB. Pour les batteries Li-metal, l’influence de la pression d’empilement externe est encore plus due à la nature sensible à la pression de l’état de dépôt de Li31,32. Par conséquent, la pression de jalonnement qui est généralement fournie par le dispositif de cellule est un autre facteur critique pour les performances de la cellule et la reproductibilité des données. La plupart des appareils cellulaires 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 Fig. 3 montre que les appareils cellulaires courants utilisent soit deux plaques avec une cellule prise en sandwich entre les deux, soit 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 massique sur la plaque supérieure. tandis que la majorité de ces appareils cellulaires repose sur la compression des ressorts sur les boulons, ce qui peut être estimé par la loi de Hook29. Ces appareils cellulaires à chargement à ressort peuvent bien fonctionner sur des cellules de poche de petite taille (c.-à-d. < 5 Ah). Cependant, deux paramètres doivent être pris en compte lors de la fabrication et de l’utilisation de ces luminaires: la texture de la plaque et l’étalonnage de la compression du ressort. D’après notre expérience, des métaux tels que les textures en alliage d’aluminium ou 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 pression élevée sur les coins. Outre la texture de la plaque, les ressorts doivent également être soigneusement sélectionnés et calibrés. Si nécessaire, un étalonnage de pression multipoint sur différents endroits (comme indiqué 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, le contrôle de pression multipoint avec 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 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 transversale du dispositif de la cellule et de la cellule, avec les emplacements d’étalonnage suggérés dans des cercles rouges; b Vue de bas de l’appareil de la cellule et de la cellule (plaque inférieure non montrée 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 utilisent la « température ambiante » pour le dépistage initial et le travail 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 des piles au format pièce qui ont un échange de chaleur rapide avec l’environnement. Pour les cellules de format poche, l’échange de chaleur est plus lent avec les appareils cellulaires. Par conséquent, un certain temps de repos dans la chambre thermique est nécessaire pour stabiliser la température de la cellule.

La communauté des chercheurs a compris 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 de cellules devrait attirer davantage l’attention des chercheurs. Comme nous en avons discuté 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 sont consommables en temps, dépendent de l’expérience / de l’installation, et ne correspondent pas toujours à la recherche universitaire et aux intérêts d’étude. Par conséquent, l’étude systématique des paramètres clés qui affectent la qualité et les performances des cellules est encore rare, par rapport à de nombreuses publications sur les études sur les matériaux ou l’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 recherches et des études dans ce domaine afin de fournir des preuves et des analyses solides qui profiteraient à l’ensemble de la communauté de recherche sur les batteries. D’autre part, 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, trouvant ainsi un processus, une méthode ou une solution appropriée pour obtenir des résultats reproductibles et fiables, basés sur les conditions de travail et 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 de l’électrode peut être liée à la viscosité de la boue et à la distribution granulométrique, qui peuvent être mesurées respectivement par viscosimètre/rhéomètre et analyseur de particules. Dans la préparation des électrolytes, la teneur en eau doit toujours être suivie par titrage de Karl-Fisher ou RMN. Pour ces paramètres physiques, les chercheurs peuvent choisir l’équipement et les 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 aussi de fournir une référence 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 cellules ciblant différentes applications doit également être prise en compte. Éliminer les erreurs qui peuvent être causées par certains processus ou composants est également un moyen efficace d’améliorer la reproductibilité et la fiabilité. Par exemple, dans certaines études, une cellule de format poche monocouche avec une très petite surface d’électrode peut ne pas montrer une meilleure cohérence des données qu’un groupe de cellules de format pièce avec analyse d’erreur, en raison de son processus de fabrication plus compliqué, ainsi que du contrôle difficile de la pression.

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 un processus de fonctionnement manuel. D’autre part, il pourrait être question et défi pour les fabricants d’équipements de fabriquer les instruments appropriés à l’échelle du laboratoire pour répondre à la fois aux exigences techniques et à la limite budgétaire. En outre, dans certaines études, l’utilisation d’électrodes provenant d’une source commerciale ou de toute installation compétente (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 le criblage et l’évaluation de l’électrolyte, du séparateur ou du revêtement de surface spécial, par rapport à 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 non seulement aider 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 aussi 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 des 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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Chevaux Fang Dai & Mei

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M.C. a proposé l’idée. F.D. et M.C. ont discuté et décrit le manuscrit. F.D. a effectué une recherche documentaire et rédigé la première ébauche. M.C. a révisé le projet. Les deux auteurs ont donné leur approbation à la version finale du manuscrit.

Correspondance avec Mei Cai.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Communications Materials remercie les évaluateurs anonymes pour leur contribution à l’évaluation par les pairs de ce travail. Principaux rédacteurs en chef : 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 en matière 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

Acceptée : 30 août 2022

Publication : 9 septembre 2022

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

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