方法文章

原位锂化参考电极: 四原位阻抗谱的电极设计

DOI：

10.3791/57375

⸱

2018年9月12日

 ,  , 
1Chemical Sciences and Engineering Division, Argonne National Laboratory

本文内容

摘要

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锂离子电池中的参考电极的加入, 为阐明高电压下的降解机理提供了有价值的信息。在本文中, 我们提出了一个单元设计, 可容纳多个参考电极, 连同组装步骤, 以确保最大的准确性, 获得的电化学测量数据。

摘要

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延长锂离子电池的工作电压会导致这些器件产生更高的能量输出。但是, 高电压可能会触发或加速多个过程, 导致长期性能衰减。考虑到在细胞内发生的物理过程的复杂性, 要充分理解这种性能退化的根本原因, 通常是有挑战性的。这一困难的部分原因是, 电池的任何电化学测量都将返回单元格中所有元件的组合贡献。加入参考电极可以解决问题的一部分, 因为它允许阴极和阳极的电化学反应被单独探测。例如, 阴极所经历的电压范围的变化可以指示全细胞内 cyclable 锂离子池的改变。通过测量每个电极对整体细胞阻抗的贡献, 也可以监测电池中存在的许多 interphases 的结构演化。这种丰富的信息放大了锂离子电池的诊断分析的范围, 为单个细胞组件的优化提供了宝贵的投入。在这项工作中, 我们介绍了能够容纳多个参考电极的测试单元的设计, 并提出了适用于每种特定测量类型的参考电极, 详细说明了装配过程, 以便最大限度地提高实验结果。

引言

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锂离子电池对高能密度的需求正在推动研究, 以了解限制锂离子电池性能1的基本因素。含有新一代层状过渡金属氧化物阴极、石墨阳极和有机碳酸盐电解质的细胞的高压运行与几种寄生反应2、3有关。其中一些反应消耗了锂离子库存, 并且经常导致细胞4、5、6、7的显著阻抗上升。锂离子的损耗也导致电极表面电位的净转移。在3电极电池设计8、9、10、11中, 对一个完整细胞与参考电极 (RE) 中单个电极的电压变化进行监测。,12,13,14. 有关电压剖面的信息和单个电极上的....

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方案

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1. 剥铜/锡线

  1. 热商业获得剥离溶液。
    1. 将商用工业级溶出液倒入不锈钢烧杯 (直径7.6 厘米, 高度8.5 厘米), 从底部到深度约5毫米。把烧杯放到热盘子上。开始加热速度约5°c/分钟。
    2. 将便携式热电偶浸入溶液中, 密切监测溶液的温度坡道, 调整热板的加热速率以保持所需的加热速率。
  2. 在准备参考线的夹具上设置铜/锡线。
    1. 风一个粗铜线的形式的夹具 (4 厘米宽, 7 厘米长)。安装商用铜/锡 (或纯铜) 线 (25.4 µm 直径), 镀一层薄薄的锡和电子绝缘的聚氨酯涂层) 到夹具, 如图 1a所示。
      注意: 这些导线非常细腻, 如果处理粗糙, 可能会断裂。
  3. 剥离聚合物
    1. 一旦溶出液的温度在热电偶上读数约85摄氏度, 停止加热溶液, 将导线安装夹具浸入溶液中。
    2. 将夹具留在十五年代的解决方案中, 然后在 DI 水中冲洗夹具, 另十五年代清洗吸附在导线上的多余剥离液。
    3. 检查电线的暴露锡 (显示为银色白颜色) 和重复步骤 1.3.2, 直到聚合物完全剥离。
      警告:长期暴露的导线到剥离溶液可以蚀刻锡涂层和暴露在下面的红棕色铜线。如果为阻抗谱分析准备了导线, 锡电镀的存在是必要的。
    4. 在 DI 水中....

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结果

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图 2是 LiPF6 (FEC) 中的单个电极的电压的典型描述: EMC (5:95 瓦特/瓦) 作为第一和第二个周期中的电解质。图 3显示了在三形成周期和周期寿命老化协议结束后细胞的 EIS 谱。在精确跟踪单个电极的阻抗变化时, 重新 lithiate 以获得 EIS 数据的能力。

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图1。参考导线制备和细胞组装的示意图和可视化表示法
(a) 铜夹具用于安装用于剥离聚合物涂层的参考线, (b) 在烧杯内指示夹具位置的剥离过程示意图, 以便于部分剥离导线以暴露 Sn 层。剥离溶液保持在85摄氏度。夹具没有完全浸.......

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讨论

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图 2a是全电池的电压剖面图 2b和2c显示对应于正负电极与锂/锂+情侣的电压剖面, 而整个细胞在3和 4.4 v 之间循环。可以看出, 当全细胞扫描在3和 4.4 v 之间时, 正极电极会经历3.65 伏和 4.45 v 之间的电压, 而负极与 0.65 v 和 0.05 v 之间的负电极和李/李分别。在充电过程中, lithiation 和负电极 (与锂/锂+) 的正向增加的电位 (与李/李+) 减少了指示 lithiation。在第一电荷中, 由于负极电极的电位达到 1.1 V, 有一个斜坡的变化和一个小的潜在的高原。这归因于在电解质18,19,20的 F.......

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者承认美国能源部, 能源效率和可再生能源办公室的财政支持。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Insulstrip 220Ambion Corporation081607-1
氢氧化钠 （23 wt%）Ambion Corporation1310-73-2Insulstrip 220
糠醇含量 （10 wt%）Ambion Corporation98-00-0Insulstrip 220
NCM523TODA AmericaNM4100
C-45 Timcal 公司
聚偏二氟乙烯 （PVdF）Sigma Aldrich427152
Sn over Cu wireKanthalMELT # 24633定制订购
电池循环仪Maccor USA系列 2300 
恒电位仪Solartron Analytical1470 E

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ma, D., Cao, Z., Hu, A. Si-Based Anode Materials for Li-Ion Batteries: A Mini Review. Nano-Micro Letters. 6 (4), (2014).
  2. Jung, S. -K., et al. Understanding the Degradation Mechanisms of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 Cathode Material in Lithium Ion Batteries. Advanced Energy Materials. 4 (1), 1300787(2014).
  3. Streipert, B., et al. Influence of LiPF6 on the....

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