بروتوكول الكهروكيميائية اختبار وتوصيف ابروتوني لي-O

يتمثل الهدف العام من هذا الإجراء في توضيح ترتيب منهجي وفعال للاختبارات الروتينية لبطارية الليثيوم-أكسجين غير البروتونية، بما في ذلك الاختبار الكهركيميائي وتوصيف مواد البطارية. يتضمن هذا البروتوكول دراسة آلية عمل بطارية الليثيوم-أكسجين غير البروتونية، وتطوير مواد البطارية، مثل المواد النشطة أو المحفزات الكهربائية، والمهابط، والإلكتروليتات غير البروتونية، ومواد المصعد. وتكمن الميزة الرئيسية لهذا البروتوكول في أنه يتناول المكونات التي يمكن أن تؤثر على التفاعلات الكهركيميائية في بطارية الليثيوم-أكسجين، مثل النيتروجين، وثاني أكسيد الكربون، والرطوبة الجوية.

كما أنه يقلل من النواتج الثانوية مثل هيدروكسيد الليثيوم وكربونات الليثيوم. لبدء هذا الإجراء، اخلط مادة المهبط المُحضرة مسبقاً وبولي فينيليدين فلوريد، أو PVDF، بنسبة وزنية تبلغ أربعة إلى واحد. أضف MP بكمية تعادل حوالي ثلاثة أضعاف وزن الخليط.

قلب الخليط للحصول على ملاط متجانس القوام. افرد الملاط بسمك يبلغ حوالي 100 micrometers على ورق كربوني باستخدام شفرة دكتور (doctor blade). بعد ذلك، جفف الرقاقة طوال الليل في فرن تفريغ عند 100 degrees Celsius.

في اليوم التالي، يتم ثقب الرقائق لتحويلها إلى أقراص باستخدام ثاقبة ورق ثم وزنها. ولتحضير الإلكتروليت غير البروتوني، يُجفف تريفلات الليثيوم طوال الليل في فرن تفريغ عند 100 degrees Celsius. وفي صندوق قفازات مملوء بغاز الأرجون، يتم تحضير محلول بتركيز one mole per liter من تريفلات الليثيوم المجففة في tetraethylene glycol dimethyl ether.

قم بتقليب المحلول باستخدام التقليب المغناطيسي حتى يذوب الملح. ولتحضير المصعد، استخدم خرامة الثقوب لقص رقائق الليثيوم إلى أقراص. ثم قم بتجميع خلية Swagelok كما هو موضح هنا.

أحكم ربط طرف المصعد وقم بفك طرف المهبط. بعد ذلك، ضع أحد أقراص الليثيوم فوق قضيب الفولاذ المقاوم للصدأ في طرف المصعد. ضع فاصلاً من الألياف الزجاجية فوق مصعد معدن الليثيوم.

أضف من خمس إلى سبع قطرات من الإلكتروليت لترطيب فاصل الألياف الزجاجية بالكامل. بعد ذلك، اضغط بلطف على الفاصل لإزالة الفقاعات. تلى ذلك بوضع قطعة من الكاثود فوق الفاصل المبلل بحيث تكون المادة النشطة مواجهة للأنود.

قم بتغطية الكاثود بقطعة من شبكة الألومنيوم. اضغط الطبقات باستخدام أنبوب الألومنيوم، وأحكم ربط طرف الكاثود. أغلق خلية Swagelok بالكامل داخل غرفة زجاجية وثبت الغرفة باستخدام مشبك.

بعد إخراج الخلية من صندوق القفازات، قم بتوصيل الغرفة الزجاجية بأسطوانة أكسجين فائقة النقاء. قم بتطهير الغرفة بتدفق مستمر من الأكسجين عند ضغط جوي واحد لمدة 30 دقيقة. في هذه المرحلة، تأكد من ضبط منظم الحرارة على 25 درجة Celsius.

ضع الخلية والأقطاب الكهربائية في المنظم الحراري وثبتهما، ثم قم بتوصيل الكاثود والأنود بغرفة الزجاج باستخدام المشابك الإلكترونية المقابلة. بعد ذلك، افتح برنامج التشغيل الخاص بنظام اختبار البطارية واختر القناة (Channel) المتصلة بالكابل. اضبط جهد قطع التفريغ (Discharge Cutoff Voltage) على 2.2 volts لاختبار التفريغ.

اضبط وقت خطوة الشحن والتفريغ على 10 hours لاختبار الدورة التي يتم التحكم فيها عن طريق السعة. بعد ذلك، اضبط جهد قطع التفريغ على 2.2 volts، وجهد قطع الشحن على 4.5 volts لاختبار الدورة التي يتم التحكم فيها عن طريق الجهد. عقب ذلك، ابدأ تشغيل الإجراء بالنقر على زر التشغيل في واجهة البرنامج.

بمجرد اكتمال عملية التشغيل، قم بتفكيك الخلية داخل صندوق القفازات. ضع الأقطاب الكهربائية في قوارير زجاجية لإجراء المزيد من التوصيف. بعد إخراج أجزاء الخلية المتبقية من صندوق القفازات، ضع أجزاء Swagelok، والقضيب المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ، وأنابيب الألمنيوم، وشبكات الألمنيوم، في بيكر يحتوي على ماء منزوع الأيونات.

بعد ذلك، قم بتنظيفها باستخدام الموجات فوق الصوتية لمدة تتراوح بين 15 إلى 30 دقيقة. وأخيرًا، جفف أجزاء الخلية والغرفة الزجاجية في منظم حراري مضبوط على 60 إلى 80 درجة Celsius. وتظهر صور SCM لمسحوق الكربون قبل تحميل العامل الحفاز وبعده الحفاظ على بنية السطح المسامية.

تظهر صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) الجسيمات النانوية للمحفز الكهربائي وهي موزعة بانتظام على ركيزة الكربون، كما تظهر الجسيمات النانوية متبلورة جيداً في صورة المجهر الإلكتروني النافذ عالية الدقة. وتكشف أطياف XANES أن الجسيمات النانوية للمحفز الكهربائي مؤكسدة جزئياً، وذلك بسبب تحضير الكاثودات في الهواء. وتظهر هنا منحنيات الجهد النموذجية لدورات التفريغ ودورات الشحن والتفريغ.

في صورة المجهر الماسح الموصل (SCM) للكاثود المفرغ، تظهر النواتج بشكل حلقي، وهو الأمر المقبول على نطاق واسع كشكل مورفولوجي أساسي لبيروكسيد الليثيوم في خلية ليثيوم-أكسجين. وتظهر قمم بيروكسيد الليثيوم والكربون في نمط حيود الأشعة السينية (XRD) للكاثود المفرغ، مما يشير إلى تقليل التفاعلات الجانبية في الخلية. وتوضح أطياف الأشعة السينية الضوئية للإلكترونات (XPS) تكون بيروكسيد الليثيوم وهيدروكسيد الليثيوم على سطح الكاثود بعد التفريغ.

يتم اختزال بيروكسيد الليثيوم، ولكن يبقى هيدروكسيد الليثيوم بعد عملية الشحن. كما تم اكتشاف كمية ضئيلة من سوبر أكسيد الليثيوم بواسطة مطيافية رامان. وتشير إشارات اهتزاز الهيدروكسيد والكربونيل في أطياف FTIR إلى وجود إلكتروليت الإيثر، بالإضافة إلى أنواع أخرى من الهيدروكسيد أو الكربونات أو الكربونيل التي تتكون نتيجة تفاعلات جانبية.

بمجرد إتقان هذه العملية، يمكن تجميع هذا النوع من الخلايا في غضون خمس دقائق إذا تم تنفيذ ذلك بشكل صحيح. وقد مهدت هذه التقنية بعد تطويرها الطريق للباحثين في مجال بطاريات المعدن-هواء لاستكشاف أداء البطارية في كل من الاختبارات الكهروكيميائية وتصنيف مواد البطاريات. وعند محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر العمل داخل صندوق قفازات مملوء بغاز argon لتجنب التفاعلات الجانبية والنواتج الثانوية.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية دراسة بطاريات الليثيوم-أكسجين بشكل منهجي وفعال. لا تنسَ أن التعامل مع المعادن القلوية والمذيبات العضوية يمكن أن يكون خطيراً للغاية، لذا يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة مثل ارتداء القفازات، والعمل داخل صندوق قفازات (glove box)، والعمل في خزانة استخلاص الغازات الكيميائية (chemical fume hood) أثناء تنفيذ هذا الإجراء.