Zpět
Enhancement of the wettability of graphite-based lithium-ion battery anodes by selective laser surface modification using low energy nanosecond pulses
| Citace: |
KLEEFOOT, M. ENDERLE, S. SANDHERR, J. BOLSINGER, M. MAISCHIK, T. SIMON, N. MARTAN, J. RUCK, S. KNOBLAUCH, V. RIEGEL, H. Enhancement of the wettability of graphite-based lithium-ion battery anodes by selective laser surface modification using low energy nanosecond pulses. INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY, 2022, roč. 118, č. 5-6, s. 1987-1997. ISSN: 0268-3768
|
|---|---|
| Druh: | ČLÁNEK |
| Jazyk publikace: | eng |
| Anglický název: | Enhancement of the wettability of graphite-based lithium-ion battery anodes by selective laser surface modification using low energy nanosecond pulses |
| Rok vydání: | 2022 |
| Autoři: | Max-Jonathan Kleefoot , Sebastian Enderle , Jens Sandherr , Marius Bolsinger , Thomas Maischik , Nadine Simon , doc. Ing. Jiří Martan Ph.D. , Simon Ruck , Volker Knoblauch , Harald Riegel |
| Abstrakt CZ: | roces plnění elektrolytů v bateriových článcích je jedním z časově kritických překážek při výrobě článků. Zvláště důležité je zde smáčení, protože fungují pouze zcela smáčené části elektrod. Aby se tento proces urychlil a usnadnil, autoři této studie vyvinuli metodu, která významně zvyšuje smáčivost anod na bázi grafitu úpravou povrchu pomocí nízkoenergetických nanosekundových laserových pulzů. Mikrostruktura povrchu anody byla hodnocena pomocí interferometrie s bílým světlem a skenovací elektronové mikroskopie. Hodnocení smáčivosti bylo provedeno kapkovým testem a testem kapilárního vzestupu kapalného elektrolytu. Výsledky ukazují, že pro laserové energetické vstupy pod 2 J/m existuje převážně selektivní ablační proces, při kterém aktivní grafitový materiál zůstává nedotčen a pojivový materiál se rozkládá. Pozorovaný nárůst drsnosti povrchu koreluje s rostoucí smáčitelností. Vyšetřování pomocí Ramanovy spektroskopie ukázalo, že laserové zpracování vede k poškození krystalické struktury povrchu částic grafitu. Zpracování celé anody zahrnující 6% hmotnostních pojiva a vodivých sazí však ukázalo, že celkový amorfní obsah povrchu anod lze snížit o 32% zpracováním povrchu laserovou energií 1,29 J/m. Až do toho bodu, což je výsledný rozsah parametrů pro selektivní proces, je možné provádět ablaci amorfního pojiva a fáze sazí současně, a tím vystavovatgrafitové částice laseru při zachování jejich krystalické struktury. Při překročení tohoto rozsahu dominuje ablace celého anodového kompozitu a dochází k amorfizaci povrchu grafitu. Kapacita elektrody byla testována na polovičních článcích ve formátu knoflíkových článků. Pro celý zkoumaný rozsah laserových parametrů se kapacita anod shoduje se ztrátou hmotnosti způsobenou laserovou |
| Abstrakt EN: | The electrolyte filling process of battery cells is one of the time-critical bottlenecks in cell production. Wetting is of particular importance here, since only completely wetted electrode sections are working. In order to accelerate and facilitate this process, the authors of this study developed a method to significantly increase the wettability of graphitebased anodes by a laser surface modification using low energy nanosecond laser pulses. The anode surface microstructure was evaluated by means of white-light interferometry and scanning electron microscopy. The assessment of wettability was done by drop test and capillary rise test of the liquid electrolyte. The results show that there is a predominantly selective ablation process for laser energy inputs below 2 J/m by which the graphite active material remains unaffected and the binder material is decomposed. The observed increase in surface roughness correlates with the increasing wettability. Investigations using Raman spectroscopy showed that laser treatment leads to a damage on the crystalline structure of the graphite particle surface. However, treating an entire anode including 6 wt% binder and conductive carbon black has shown that the overall amorphous content of the anodes surface can be reduced by 32% through treating the surface with a laser energy of 1.29 J/m. Up to that point, which is the resulting parameter range for the selective process, it is possible to ablate the amorphous binder and carbon black phase coevally exposing graphite particles while keeping their crystalline structure. Exceeding that range, ablation of the whole anode composite dominates and amorphization of the graphite surface occurs. The electrode?s capacity was tested on half-cells in coin cell format. For the whole laser parameter range investigated, the anodes capacity matches the mass loss caused by laser ablation. No additional capacity loss was observed due to amorphization of the exterior graphite particle?s surface. |
| Klíčová slova |
Zpět