Methodenartikel

Drei-Elektroden-Münze Zelle Vorbereitung und Galvanisierung Analytics für Lithium-Ionen-Batterien

DOI:

10.3791/57735

⸱

22. Mai 2018

 ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Texas A&M University, 2School of Mechanical Engineering, Purdue University, 3Battery Management Systems, Texas Instruments Inc.

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Drei-Elektroden-Zellen eignen sich bei der Untersuchung der Elektrochemie Lithium-Ionen-Batterien. Solch eine elektrochemische Setup ermöglicht die Erscheinungen, die mit der Kathode und Anode entkoppelt und unabhängig geprüft werden. Hier stellen wir eine Anleitung für Bau und Betrieb von einer drei-Elektroden-Knopfzelle mit Schwerpunkt auf Lithium plating-Analytik.

Zusammenfassung

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

Als Lithium-Ionen-finden Batterien Verwendung in hoher Energie und Power-Anwendungen, wie z. B. Elektro- und Hybrid-Elektro-Fahrzeuge, Überwachung der Abbau und die anschließende Sicherheitsfragen zunehmend an Bedeutung gewinnt. In einem Lithium-Ionen-Zelle-Setup enthält die Spannungsmessung über die positiven und negativen Terminals von Natur aus die Wirkung der Kathode und Anode die gekoppelt sind und Summe der Ergebniszelle Leistung. Dementsprechend ist die Möglichkeit, den Abbau Aspekte im Zusammenhang mit einer bestimmten Elektrode überwachen äußerst schwierig, weil die Elektroden grundlegend gekoppelt sind. Eine drei-Elektroden-Setup kann dieses Problem überwinden. Durch die Einführung eines dritten (Bezugselektrode), der Einfluss jeder Elektrode entkoppelt werden kann, und die elektrochemischen Eigenschaften unabhängig voneinander gemessen werden. Die Referenzelektrode (RE) müssen eine stabile Potenzial, das dann zum Beispiel vor einer bekannten Referenz kalibriert werden kann, lithiummetall. Die drei-Elektroden-Zelle kann verwendet werden, um elektrochemische Tests wie Radfahren, zyklische Voltammetrie und elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS). Drei-Elektroden-Zelle EIS Messungen können den Beitrag der einzelnen Elektrode Impedanz auf die vollständige Zelle aufzuklären. Darüber hinaus ermöglicht die Überwachung der Anode potenzielle die Erkennung der Galvanisierung durch Lithium-Beschichtung, die Sicherheitsbedenken verursachen können. Dies ist besonders wichtig für das Schnellladen von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen. Um zu überwachen und zu charakterisieren, die Sicherheit und Abbau Aspekte eine elektrochemische Zelle, kann eine drei-Elektroden-Setup von unschätzbarem Wert. Dieses Papier soll eine Anleitung zum Bau einer drei-Elektroden-Münze-Zelle-Setup mit 2032 Knopfzelle Architektur, die leicht zu produzieren, zuverlässig und kostengünstig ist.

Einleitung

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Obwohl der Ursprung von Lithium-Batterien beliebig weit in die Vergangenheit, die groß angelegte Produktion und Vermarktung von vielen der heutigen häufig zurückführen lassen begann gefundenen Lithium-Ionen-Batterien in den 1980er Jahren. Viele Materialien entwickelt während dieser Ära, zum Beispiel Lithium-Cobalt-oxid (LiCoO2), sind noch im Einsatz heute1verbreitet. Viele aktuelle Studien konzentrierten sich auf die Entwicklung der verschiedenen anderen Metall-Oxid-Strukturen, mit einigem Nachdruck gelegt zu reduzieren oder zu eliminieren die Verwendung von Kobalt anstelle von anderen kostengünstiger und umweltfreundlicher gutartige Metalle, wie z. B. Mangan oder Nickel2. Die ständig wechselnde Landschaft von Materialien in Lithium-Ionen-Batterien erfordert eine effektive und genaue Methode der Charakterisierung ihrer Leistung und Sicherheit. Da der Betrieb der Akku die gekoppelte elektrochemische Reaktion der positiven und negativen Elektroden verbunden ist, zurückbleiben typisch zwei Elektroden Batterien in der Lage, selbständig die Elektroden zu charakterisieren. Schlechte Charakterisierung und das anschließende Unverständnis führen dann zu gefährlichen Situationen oder schlechte Gesamtleistung Batterie wegen des Vorhandenseins des Abbaus Phänomene. Die bisherige Forschung hat abzielen, Standardisierung der Verarbeitungstechniken für typische zwei-Elektroden-Zellen3. Eine Methode, die auf die Mängel der Standardzelle Konfigurationen verbessert ist die drei-Elektroden-Zelle.

Eine drei-Elektroden-Setup ist eine Methode, um die beiden Elektroden Antworten zu entkoppeln und bieten einen besseren Einblick in die grundlegende Physik der Akku-Betrieb. In einem drei-Elektroden-Setup ist eine Referenzelektrode neben der Kathode und Anode eingeführt. Diese Referenzelektrode wird dann verwendet, um das Potenzial der Anode und Kathode dynamisch während des Betriebs zu messen. Kein Strom wird durch die Bezugselektrode geleitet und bietet daher eine singular und im Idealfall stabile Spannung. Mithilfe von einem drei-Elektroden-Setup können die volle Zellspannung, das Potential der Kathode und Anode Potenzial gleichzeitig während des Betriebs erhoben. Neben den möglichen Messungen können die Impedanz-Beiträge der Elektroden in Abhängigkeit von den Zellstatus kostenlos4charakterisiert werden.

Drei-Elektroden-Setups sind sehr nützlich für das Studium Abbau Phänomene in Lithium-Ionen-Batterien, wie die Galvanisierung von lithiummetall, auch bekannt als Lithium-Beschichtung. Andere Gruppen haben vorgeschlagen, drei-Elektroden-Setups5,6,7,8,9,10,11,12, 13 aber sie oft inhärent instabil lithiummetall als Referenz verwenden und Benutzerdefiniert, schwer zu Setups führt zu verringerte Zuverlässigkeit zu montieren. Lithium-Beschichtung erfolgt bei statt in der Host-Elektrodenstruktur verschuppen, Lithium lagert sich auf der Oberfläche der Struktur. Diese Einlagen übernehmen häufig die Morphologie der entweder eine (relativ) einheitliche metallische Schicht (Beschichtung) oder kleine dendritischen Strukturen. Beschichtung kann Auswirkungen von Sicherheitsfragen zu behindern, Radfahren Leistung verursacht haben. Aus Sicht der phänomenologischen tritt Lithium Beschichtung aufgrund einer Unfähigkeit von Lithium, effektiv in der Host-Elektrodenstruktur einzulagern. Überzug neigt dazu, bei niedrigen Temperaturen, hohe Aufladung Rate, hohe Elektrode Zustand der Aufladung (SOC) oder eine Kombination dieser drei Faktoren12auftreten. Bei niedrigen Temperaturen ist die Solid-State-Diffusion im Inneren der Elektrode durch die Arrhenius diffusivität Abhängigkeit von Temperatur reduziert. Die unteren Solid-State-Diffusion führt zu einer Ansammlung von Lithium an der Elektrode-Elektrolyt-Schnittstelle und eine anschließende Ablagerung von Lithium. Bei einem hohen Ladestrom tritt ein ähnliches Phänomen. Das Lithium versucht, sehr schnell in der Elektrodenstruktur einzulagern aber nicht und so ist vernickelt. Bei einer höheren SOC gibt es im Durchschnitt weniger Speicherplatz für das Lithium in die Struktur einzulagern, und somit günstiger, auf der Oberfläche ablagern.

Lithium Dendriten sind von besonderer Bedeutung aufgrund von Sicherheitsbedenken, die sie verursachen. Dendriten in einer Zelle zu bilden, gibt es ein Potential für sie zu wachsen, den Separator durchbohren und verursachen einen internen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode. Dieser interne Kurzfilm kann zu sehr hohen lokalisiert Temperaturen in den brennbaren Elektrolyten, was häufig in thermischen Instabilität und sogar in einer Explosion der Zelle führen. Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit Dendrit Bildung ist die vergrößerte Oberfläche der reaktiven Lithium. Neu hinterlegte Lithium reagiert mit dem Elektrolyten und verursachen erhöhte festen Elektrolyt Interphase (SEI) Bildung, was zu erhöhten Kapazitätsverlust und Radsport Leistungseinbußen führt.

Ein Problem mit dem Design eines drei-Elektroden-Systems ist die Auswahl der geeigneten Bezugselektrode. Logistik in Bezug auf die Position und Größe des Verweises, können positive und negative Elektroden spielen eine wichtige Rolle beim Erwerb von genaue Ergebnisse aus dem System. Ein Beispiel dafür ist, dass die Fehlausrichtung der positiven und negativen Elektroden während der Zelle-Bau und die daraus resultierende Randeffekte Fehler in der Referenz lesen14,15einführen kann. In Bezug auf die Materialauswahl sollte die Bezugselektrode haben eine stabile und zuverlässige Spannung und eine hohe nicht-Polarisierbarkeit. Lithiummetall, das oft als Referenzelektrode durch viele Forschungsgruppen verwendet wird, hat ein Potenzial, das hängt von der passiven oberflächenfilm. Dies kann Fragen zu produzieren, weil gereinigt und im Alter von Lithium Elektroden zeigen unterschiedliche Potenziale16. Dies wird zum Problem, wenn langfristige Alterungseffekte studiert werden. Forschung durch Solchenbach Et Al. hat versucht, einige dieser Instabilität Probleme durch Legierungsmetall Gold mit Lithium und benutze es als ihre Referenz11zu beseitigen. Andere Forschung hat schaute auf verschiedenen Materialien einschließlich Lithium-Titanat, das wurde experimentell untersucht und zeigt eine große elektrochemische Plateau Potentialbereich rund um 1,5-1,6 V17 (~ 50 % SOC). Dieses Plateau hilft, um eine stabile Potenzial, vor allem im Falle einer zufälligen Störung an der Elektrode Staat unentgeltlich zu halten. Die mögliche Stabilität des LTO, einschließlich Kohlenstoff basierenden leitfähige Additive, bleibt auch bei verschiedenen C-Preise und Temperaturen. 18 ist es wichtig zu betonen, die die Auswahl der Bezugselektrode ein wichtiger Schritt in der drei-Elektrode Zellendesign ist.

Viele Forschungsgruppen haben experimentelle drei-Elektroden-Zelle Setup vorgeschlagen. Dolle Et Al. verwendet dünne Kunststoff Zellen mit einer Lithium-Titanat Kupferdraht Referenzelektrode, um Veränderungen der Impedanz durch Radfahren und Lagerung bei hohen Temperaturen19zu studieren. McTurk Et Al. verwendet eine Technik, wobei ein Lithium vergoldet Kupferdraht in einer kommerziellen Beutel-Zelle mit dem wichtigsten Ziel, zu zeigen, wie wichtig es ist, nicht-invasive Einfügung Techniken9eingefügt wurde. Solchenbach Et al. verwendet eine modifizierte Swagelok-Typ T-Zelle und gold Mikro-Referenzelektrode (erwähnt) für Impedanz und möglichen Messungen. 11 Waldmann Et Al. Elektroden aus kommerziellen Zellen geerntet und ihre eigenen drei-Elektroden-Pouch-Zellen für den Einsatz im Studium Lithium Ablagerung12rekonstruiert. Costard Et Al. entwickelt eine eigene experimentelle drei-Elektroden-Zelle Gehäuse um die Wirksamkeit der verschiedenen Referenz-Elektrode Materialien und Konfigurationen13zu testen.

Die meisten dieser Forschungsgruppen verwenden reines lithiummetall als Referenz, die Bedenken mit Stabilitäts- und SEI haben kann, besonders bei Langzeitanwendung. Andere Themen beinhalten komplizierte und zeitraubende Änderungen an bestehenden oder kommerziellen Installationen. In diesem Papier wird eine zuverlässige und kostengünstige Technik für den Bau von drei-Elektrode Lithium-Ionen-Knopfzellen für elektrochemische Tests vorgestellt, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieses drei-Elektroden-Setup kann mit standard-Münze Zellbestandteile, Kupferdraht und Lithium-Titanat-basierte Referenzelektrode (siehe Abbildung 2) konstruiert werden. Diese Methode erfordert spezielle Ausrüstung oder aufwendigen Modifikationen und folgt standardlabor Skala elektrochemische Verfahren und Materialien von kommerziellen Anbietern.

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Protokoll

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(1) Referenz-Elektrode und Separator Vorbereitung

  1. Referenz-Elektrode-Vorbereitung
    1. Draht Vorbereitung
      1. Ein 120-mm Schnittlänge Größe 32 AWG (0,202 mm Durchmesser) emaillierten Kupferdraht.
        Hinweis: Jeder Draht werden 1 Referenzelektrode und 1 drei-Elektroden Zelle verwendet werden.
      2. Platzieren Sie ein Ende des Drahtes in eine Laborpresse. Drücken Sie vorsichtig ca. 10 mm Draht an einem Ende mit einem Druck von etwa 4 MPa. Schneiden Sie den überstehenden Draht ab die Drahtspitze, so dass der abgeflachte Abschnitt ~ 2 mm in der Länge ist.
        Hinweis: Die durchschnittliche Dicke der Spitze ist ca. 0,1 mm. Achten Sie nicht um die abgeflachte Spitze als es biegen können Müdigkeit und brechen ab.
      3. Legen Sie den Draht auf ein Schneidebrett Polytetrafluorethylen (PTFE). Verwenden Sie vorsichtig ein Skalpell, um die äußere Isolierung auf der abgeflachten Drahtspitze zu entfernen. Achten Sie darauf, die Isolierung von beiden Seiten zu entfernen; Das Endprodukt sollte eine flache, glänzende freigelegte Kupfer sein.
      4. Wiegen Sie den Draht mit einem Labormaßstab.
        Hinweis: Diese Masse wird verwendet werden, nachdem der Schlamm zur Bestimmung der genauen Menge von aktivem Material in jeder Bezugselektrode vorhanden geworfen wurde.
      5. Wiederholen Sie die Schritte 1.1.1.1 - 1.1.1.5. für eine typische Losgröße 36 Drähte. Legen Sie die Drähte auf einen Behälter für die Lagerung. Eine gute Möglichkeit ist, kleben Sie die Drähte am Rand des kleinen weckglas.
    2. Gülle-Vorbereitung
      1. Bereiten Sie die 10 %-WT Polyvinylidene Fluorid (PVDF) Lösung in N-Methyl-2-Pyrrolidinone (NMP).
        1. Mit einem kleinen rechteckigen wiegen-Papier, eine Edelstahl-Kugel und Labormaßstab, abmessen der gewünschten Mass PVDF Pulver (0,1 g).
        2. Übertragen Sie PVDF Pulver aus dem Papier wiegen in einen 500-mL-Kunststoff-Flasche. Messen Sie und übertragen Sie die entsprechenden Masse des NMP Flüssigkeit (0,9 g) in die Flasche mit einer 1-mL-Kapazität Labor-Pipette.
        3. Stecken Sie einen magnetischen Rührstab in die Lösung. Stellen Sie die Flasche auf einer Magnetplatte rühren und lassen Sie es auf unbestimmte Zeit mischen. Lassen Sie die Lösung für mindestens 24 h vor dem ersten Gebrauch Mischen. Es wird empfohlen, die PVDF-Lösung in der Masse zu verhindern, dass kleinere Chargen für jede Charge Gülle zu bereiten.
      2. Vor dem wiegen mehr Pulver, reinigen Sie die Edelstahl-Kugel, die Stößel und Mörser mit Isopropyl-Alkohol um jegliche Kontamination zu vermeiden.
      3. Mit einem Papier wiegen, Messen im Labormaßstab und die Edelstahl-Kugel, den entsprechenden Betrag (0,8 g) Lithium-Titanat (Li4Ti5O12) Pulver. Übertragen Sie das Pulver sorgfältig auf den Mörser und Stößel. Reinigen Sie die Schaufel mit Isopropyl-Alkohol nach Gebrauch.
      4. In ähnlicher Weise den entsprechenden Betrag (0,03 g) KS-6 synthetischer Graphit und leitfähige Additive (0,09 g) wiegen. Übertragen Sie das Pulver sorgfältig auf den gleichen Mörser und Stößel. Reinigen Sie die Schaufel mit Isopropyl-Alkohol als vor.
      5. Leicht Mischen der drei Pulver im Mörser, bis sie gleichmäßig verteilt werden. Schleifen Sie die Pulver-Mischung mit dem Stößel, bis die Mischung homogen ist. Übertragen Sie die Pulver-Mischung sorgfältig auf eine 20-mL-Einweg-Mischrohr.
        Hinweis: Dies dient als ein High-Shear-Mischbehälter für die homogene Verteilung aller Materialien in die Gülle zu gewährleisten.
      6. Das Mischrohr mit einer Labor-Pipette fügen Sie die entsprechende Menge an NMP (2,2 mL hinzu). Fügen Sie sechzehn 6 mm Durchmesser-Silikat Glas mischen Kugeln und Schrauben Sie die Kappe. Legen Sie das Mischrohr auf die High-Shear-Mischvorrichtung, schloss das Rohr in legen, und mischen Sie die Suspension für 15 min auf die Maximaleinstellung (ca. 6000 u/min).
      7. Das Mischrohr fügen Sie 0,8 g der PVDF-Lösung (früher in Schritt 1.1.2.1 vorbereitet hinzu). Weiter mischen, die Gülle für weitere 5 min. um eine gleichmäßige Verteilung des Bindemittels zu gewährleisten. Sofort warf die Gülle auf den Drähten. Wenn die Gülle für länger als 5 min sitzt, mischen Sie die Gülle für eine zusätzliche 15 min vor verwenden, um eine homogene Mischung zu gewährleisten.
    3. Gießen und Trocknen der Referenzelektrode
      1. Tauchen von hand die freigelegte Kupfer an der Spitze jeder Referenz-Elektrode in der gemischten Brei. Alternativ Drop-Besetzung der Gülle aus einer Pipette auf den Draht tip. Achten Sie darauf, nur die abgeflachte, exponierten Abschnitt des kupfernen Drahtes zu beschichten.
      2. Legen Sie die Besetzung RE Drähte auf eine Basis mit Besetzung Ende zum Trocknen aufgehängt. Kleben Sie die Besetzung wieder auf einen Halter, Kontakt von der nassen Brei mit jeder Oberfläche zu vermeiden (siehe Abbildung 3ein). Trocknen Sie die Elektroden für mindestens 8 Stunden in einem Labor-Ofen bei 70 ° C.
      3. Messen Sie der Bezugsmasse Elektroden nach dem Trocknen und schätzen Sie die getrocknete Masse des Schlickers (0,1 mg durchschnittliche über mehr als 100 Proben).
      4. Übertragen Sie die Referenzelektroden in das träge Argon Handschuhfach für den Einsatz in der Zelle Herstellungsverfahren.
  2. Kathode und Anode Elektrode-Vorbereitung
    1. Wählen Sie die gewünschte Elektrode untersucht werden.
      Hinweis: Für diese Tests werden vorgefertigte Elektrode Blätter zu Demonstrationszwecken verwendet werden. Hauseigene gemacht Elektroden oder Elektroden aus kommerziellen Zellen geerntet können auch verwendet werden.
    2. Eine kreisförmige Scheibe mit einem hohlen 1,27 cm (1/2-Zoll) Schlag Kathodenmaterial Ausstanzen. Die Elektrode Scheibenform kann mechanisch nach den gewünschten Test geändert werden (siehe Abbildung 4). Wiegen Sie die Elektroden und Berechnung des Prozentsatzes des aktiven Materials.
    3. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.1-1.2.2 für die anodenmaterial, und die zusätzlichen Zellen gewünscht. Legen Sie jede Elektrode Scheibe in ein kleines Glas-Fläschchen und übertragen Sie sorgfältig die Fläschchen in der trägen Argon Glovebox wo sie während des Bauprozesses Zelle verwendet werden.
  3. Separator-Vorbereitung
    1. Falten Sie ein Blatt Papier (22,6 x 28 cm / 8,5 in X 11 in) in der Mitte längs. Schneiden Sie etwa ein Stück von 25 cm x 8,5 cm von Polypropylen (PP) Trennzeichen, und legen Sie sie vorsichtig in das gefaltete Papier.
      Hinweis: Das Papier enthält einige Schutz und Steifigkeit, wenn das Trennzeichen ist von hand ausgestanzt werden.
    2. Legen Sie das Papier und Separator Sandwich auf der Oberseite eine selbstheilende Schneidematte. Dies sorgt für eine feste Oberfläche und vermeiden Sie Mattieren von den hohlen Stempel. Mit einem hohlen 1,905 cm (3/4-in) Schlag, Ausstanzen von einer kreisförmigen Separator Disc für jede 3-Elektroden-Zelle. Bereiten Sie die Separatoren in loser Schüttung und in eine Glasflasche für die spätere Verwendung speichern.
    3. Darüber hinaus schneiden Sie mehrere kleine Quadrate von Separatoren ca. 5 mm x 8 mm; einer der diese Separatoren wird für jede Zelle verwendet werden. Speichern Sie diese in ein kleines Glas-Fläschchen. Übertragen Sie die Fläschchen der Separatoren in träge Argon Glovebox für den Einsatz in der Zelle Bauprozess.

2. Aufbau der Vorbereitung Zelle

  1. Bereiten Sie die Bezugselektrode, indem mit einer Zange um zu biegen Sie den Draht in Form einer Spirale (siehe Abbildung 3b). Stellen Sie sicher, dass die endgültige Spiralform in die Dichtung von der Knopfzelle (ca. 1,58 cm Durchmesser) passen wird. Legen Sie jede Elektrode Spirale in einem kleinen wiegen-Boot und legen Sie sie beiseite.
    Hinweis: Der zusätzliche Drahtspirale sorgt für Stabilität und Willen auch entfaltet und später in der Zelle arbeiten verwendet werden.
  2. Reinigen Sie beide Seiten von einem Lithium-Metall-Band mit einem Skalpell oder einer Rasierklinge. Kratzen Sie Oberflächenoxidation bis glänzende Lithium durchscheint. Achten Sie darauf, beide Seiten der Lithium zu reinigen. Beachten Sie äußerste Vorsicht beim Einsatz von scharfer Gegenständen innerhalb der Glovebox.
  3. Zwei 1,58 cm (5/8 Zoll) Scheiben für jede Zelle über die gereinigten Lithium-Multifunktionsleiste mit der hohlen Punch Ausstanzen.
  4. Legen Sie eine Disc von Lithium in der Mitte von einem 0,5 mm Edelstahl-Abstandhalter. Die lithiummetall mit Abstandhalter fest zusammendrücken; in der Regel genügt ein Daumen drücken. Sicherstellen Sie, dass die Lithium-Scheibe an der Abstandhalter klebt.
  5. Das Münzfach Zelle in einem kleinen Ort wiegen Boot. Passen Sie die zweite Scheibe von Lithium im Inneren der Zelle Münzfach. Stellen Sie sicher, dass das Lithium zentriert ist und fest drücken Sie an, so dass das Lithium an der Unterseite des Gehäuses klebt. Legen Sie einige Tropfen des Elektrolyts [1,0 M LiPF6 im EG/DEC (1:1 nach Volumen)] auf der Lithium-DVD und einige Tropfen am Rand von Lithium, die außen Lücke zu füllen.
    Hinweis: Wenn nicht genügend Elektrolyt hinzugefügt wird, werden Luftblasen unter dem Separator und innerhalb der Zelle, die was unerwünscht ist.
  6. Legen Sie ein 1,905 cm (3/4-in) PP Trennzeichen am Anfang der benetzten Lithium-Disc. Stellen Sie sicher, dass Separator vollständig benetzt ist und es keine Luftblasen gibt unter gefangen. Legen Sie die Dichtung in der Zelle mit der Dichtung Lippe nach oben; Diese Lippe ist wo die GAP in Platz wird. Drücken Sie fest auf die Dichtung in das Gehäuse passen.
  7. Legen Sie die Referenz-Elektrode Spirale Kunststoff Pinzette verwenden, vorsichtig in der Mitte der Zelle. Tropfen Sie ein paar Elektrolyt um die Referenzelektrode. Legen Sie ein klein, Rechteck-Trennzeichen am Anfang wo der Draht über die Dichtung und der Zelle Fall kreuzt.
    Hinweis: Der Separator verhindert Kurzschlüsse zwischen dem Draht und Metall Zellenabdeckung.
  8. Legen Sie ein 1,58 cm (5/8 Zoll) Trennzeichen am Anfang der Referenz-Elektrode Spirale. Stellen Sie sicher, dass das Trennzeichen ist vollständig benetzt und gibt es keine Luftblasen unter gefangen. Legen Sie die Lithium-Spacer-Disk auf die Referenzelektrode mit dem Lithium-beschichteten Seite nach unten.
  9. Setzen Sie die Wellenfeder auf die Abstandhalter. Stellen Sie sicher, dass alle Komponenten im Inneren der Zelle zentriert sind. Füllen Sie die Zelle bis zum Rand mit Elektrolyt. Wenn die Zelle gewellt ist, wird das zusätzliche Elektrolyt ausgepresst werden.
  10. Pinzette aus Kunststoff, legen Sie vorsichtig die Zellenabdeckung am Anfang der Versammlung. Drücken Sie fest, um die Kappe in die Lippe der Dichtung zu setzen. Biegen Sie den Referenz-Elektrode-Draht, so dass es über den oberen Rand der Kappe flach aufliegt. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass der Draht ist nicht kurz geschnitten, wenn die Zelle Crimpen (siehe Abbildung 2).
  11. Übertragen Sie sorgfältig die Zelle auf die Münze-Zelle-Crimp-Gerät mithilfe von Kunststoff Pinzette. Halten Sie beim Transport der Zelle flach auf den Verlust von jedem zusätzlichen Elektrolyt zu vermeiden. Crimp-Knopfzelle ca. 5 MPa (750 Psi).
  12. Entfernen Sie die Knopfzelle aus den Crimper und biegen Sie sich die freiliegenden Draht sichern Weg am oberen Rand der Zelle. Damit soll verhindert jede mögliche kurzschließen zwischen Kappe und die Referenzelektrode.
  13. Entfernen Sie die abgeschlossene Knopfzelle aus Argon Glovebox. Mit Isopropyl-Alkohol und einem fusselfreien Aufgabe Wischer, sorgfältig äußerlich Zelle. Achten Sie darauf, nicht zu stören, den Draht oder der Ort, wo der Draht die Zelle Austritt.
  14. Zelle Abdichtung
    1. Trocknen Sie sorgfältig die Knopfzelle mit einem fusselfreien Aufgabe Wischer. Seien Sie besonders vorsichtig die Lage Trocknen wo der Draht die Knopfzelle verlässt.
    2. Mischen Sie gleiche Teile Harz und härter, ein nichtleitendes Epoxy zu bilden. Mit einem Zahnstocher oder einer bohrenden Kleingerät, sorgfältig anzuwenden Sie eine kleine Menge von Epoxy an die Stelle, wo der Draht die Knopfzelle verlässt. Dies ist der Ort, wo die Zelle am ehesten undicht ist.
    3. Lassen Sie 1 h für das Epoxid trocknet, bevor alle Prüfgeräte der Knopfzelle herstellen. Beachten Sie, dass es, bis zu 24 h für das Epoxidharz dauern kann zu heilen und zu Härten.
      Hinweis: Das Epoxidharz dient zur Abdichtung der Zelle (siehe Abbildung 5) und keine mechanischen Festigkeit bieten.

(3) Lithiation Verfahren

  1. Die Einrichtung der Internetverbindung
    1. Mit einem handheld Feuerzeug, verbrennen von ca. 2 cm der Isolierung am Ende der Referenz-Elektrode-Draht ragt aus der Zelle; Dies ist, wo der Draht um das Testgerät verbinden wird. Biegen Sie die freiliegenden Draht wieder auf sich selbst, die Verbindung zu verbessern, bei der Verbindung der drei-Elektroden-Zelle zum Testen.
    2. Legen Sie ein kleines Quadrat Isolierband (2 x 2 cm) am oberen Rand der Zelle Münzfach; Dies sollte keinen elektrischen Kontakt zwischen dem oberen Rand der Knopfzelle und die Münze Küvettenhalter verhindern. Ort der Vorbereitung Zelle in der Küvettenhalter.
      Hinweis: Am oberen Rand der Zelle sollte von jedem Anschluss isoliert sein und sollte am unteren Rand der Zelle an die negative Antwort auf den Küvettenhalter angeschlossen werden.
    3. Mit einer Krokodilklemme verbinden Sie die Bezugselektrode auf den oberen Clip auf der Küvettenhalter (Formschluss).
      Hinweis: Die Zelle sollte eingerichtet werden, mit der Referenzelektrode als die positive Elektrode und die unterst Lithium Scheibe (Zelle Fall) als die negative Elektrode zu testen.
  2. Referenzspannung Kalibrierung
    1. Berechnen Sie die Menge von aktivem Material für die Referenzelektrode.
      Hinweis: Für eine typische Elektrode Masse von 0,1 mg und eine 80 % aktive Materialzusammensetzung kommt dies zu 0,08 mg.
    2. Mit der aktiven Materialmasse und die theoretische spezifische Kapazität des Lithium-Titanat-20, bestimmen Sie die entsprechende aktuelle Zelle am C/16 zu berechnen.
    3. Zyklus die Bezugselektrode mehrmals innerhalb der entsprechenden Spannungsbereich (1,25-2,25 V vs. Li/Li+) bei C/16; Dieser Bereich ändert sich abhängig von der Bezugselektrode verwendet. Achten Sie auf der Hochebene Spannungsreferenz/Spannung, die beim sowohl das Laden bzw. entladen Prozesse auftreten sollte.
      Hinweis: Für eine Li4Ti5O12 Elektrode ist dieser Wert in der Regel rund 1,56 V vs. Li/Li+.
    4. Notieren Sie die Referenzspannung und der entsprechenden Zelle, mit der es verbunden ist. Verwenden Sie diese Spannung später, um das Potenzial der Elektroden bei Verwendung in einer Zelle arbeiten zu kalibrieren.
    5. Ruhen Sie die Zelle für 24 h und überwachen Sie, dass potenzielle Referenzelektrode stabil ist.
    6. Übertragen Sie die lithiated Zelle in die träge Argon-Umgebung für den Einsatz im Bereich arbeitenden Zelle. Vermeiden Sie möglich Kontakt zwischen die Bezugselektrode und die Kappe oder der Zelle Fall; kurz die Bezugselektrode und sein Potenzial zu verändern könnte.

4. Bau der Zelle arbeiten

  1. Das Münzfach Zelle in einem kleinen Ort wiegen Boot. Legen Sie die Kathode-CD in der Mitte der Zelle-Fall. Legen Sie einige Tropfen des DEC-Elektrolyten auf der Kathode und einige Tropfen um den Rand der äußeren Lücke.
  2. Legen Sie ein 1,905 cm (3/4-in) Trennzeichen am Anfang der Elektrode. Stellen Sie sicher, dass das Trennzeichen ist vollständig benetzt und gibt es keine Luftblasen unter gefangen. Legen Sie die Dichtung mit der kleinen Lippe für die Zelle GAP nach oben. Drücken Sie fest auf die Dichtung in das Gehäuse passen. Die Münze Zelle Baugruppe beiseite und suchen Sie die lithiated Vorbereitung Zelle.
  3. Extraktion der lithiated Bezugselektrode
    1. Ein kleines Quadrat Isolierband an die Spitze der lithiated Vorbereitung Zelle anwenden. Auf diese Weise verhindert Kurzschlüsse zwischen Gehäuse und Kappe während der Demontage.
    2. Halten Sie die Vorbereitung Zelle fest, mit der GAP-Seite nach oben, durch die Verwendung der dünnen Nase Zange. Achten Sie darauf, dass Sie nicht die Zelle mit der Metall Zange kurz. Verwenden Sie Ende-Vornschneider vorsichtig, aber bestimmt, offenen Hebeln die Knopfzelle entlang der Kante. Achten Sie darauf, nicht die oberen und unteren Rand der Zelle mit der Metall Zange kurz.
    3. Nach ca. 70 % der Zelle öffnen aufgebrochen hat, halten des Falls mit dem Ende-Vornschneider und sorgfältig das Handy-Gehäuse abnehmen und Kappe mit der dünnen Nase Zange. Extrahieren Sie sorgfältig die lithiated Bezugselektrode. Die andere Zellbestandteile zu verwerfen.
  4. Mit einer Zange, unbend spiralförmigen Referenz-Elektrode-Draht und glätten. Wieder beugen Sie den Draht, so dass die Spitze in der Mitte der Elektrode sitzt und der Draht erstreckt sich über den Rand der Zelle. Die exponierten, unisoliert Draht abgeschnitten.
  5. Fügen Sie einige Tropfen des Elektrolyts auf und rund um die Referenzelektrode. Legen Sie ein kleiner, rechteckiger Trennzeichen auf der Dichtung und Zelle Fall wo das Kabel überkreuzt. Dies verhindert Kurzschlüsse zwischen den Draht und Metall-Gehäuse und Kappe.
  6. Legen Sie ein 1,58 cm (5/8 Zoll) Trennzeichen am Anfang der Referenzelektrode; Dies hilft um zu verhindern Kurzschlüsse zwischen der Referenzelektrode und die Anode. Setzen Sie die vorbereiteten Anode Scheibe auf die Bezugselektrode in der Zelle. Achten Sie darauf, die Form der Kathode mit der Anode richtig auszurichten.
    Hinweis: Die Referenz Elektrodenspitze sollte in der Mitte und der Draht sollten in den rechteckigen Spalt verlassen.
  7. Legen Sie vorsichtig den 1,0 mm Edelstahl-Abstandhalter auf der Anode. Setzen Sie die Wellenfeder auf die Abstandhalter. Stellen Sie sicher, dass alle Komponenten in der Zelle zentriert sind. Füllen Sie die Zelle bis zum Rand mit Elektrolyt.
  8. Pinzette aus Kunststoff, legen Sie vorsichtig die Zellenabdeckung am Anfang der Versammlung. Drücken Sie fest nach unten, um Platz für die Kappe in die Lippe der Dichtung. Falten Sie sorgfältig den restlichen Draht zurück über die Zelle Kappe vor dem Crimpen. Dadurch wird verhindert, dass den Draht beim Crimpen abgeschnitten zu sein.
  9. Übertragen Sie sorgfältig die Zelle auf der Münze Zelle Crimp Gerät mithilfe der Kunststoff Pinzette. Wenn Sie die Zelle übertragen, halten Sie es flach auf den Verlust der zusätzlichen Elektrolyt zu vermeiden. Crimp-die Zelle etwa 5 MPa (750 Psi).
  10. Entfernen Sie die Knopfzelle aus Argon Glovebox. Reinigen Sie sorgfältig die Zelle mit Isopropyl-Alkohol und einem fusselfreien Aufgabe Wischer.
  11. Zelle Abdichtung
    1. Trocknen Sie sorgfältig die Knopfzelle mit einem fusselfreien Aufgabe Wischer. Seien Sie besonders vorsichtig die Lage Trocknen wo der Draht die Knopfzelle verlässt.
    2. Mischen Sie gleiche Teile Harz und härter, ein nichtleitendes Epoxy zu bilden. Mit einem Zahnstocher, sorgfältig anzuwenden Sie eine kleine Menge von Epoxy an die Stelle, wo der Draht die Knopfzelle verlässt. Dies ist der Ort, wo die Zelle am ehesten undicht ist.
    3. Lassen Sie 1 h für das Epoxid trocknet, bevor alle Prüfgeräte der Knopfzelle herstellen.
      Hinweis: Es dauert bis zu 24 h für das Epoxidharz zu heilen und zu Härten. Allerdings ist der Zweck von Epoxy hier um die Zelle zu versiegeln und nicht für jede mechanische Stärke.

5. elektrochemische Versuche

  1. Leistung und Radfahren
    1. Berechnen Sie die theoretische Kapazität für die Kathode und Anode Elektroden.
      1. Das trockene Gesamtgewicht der Elektrode Scheibe bestimmen die Masse des Substrats Aluminium/Kupfer und der Gewichtsanteil des aktiven Materials, die Masse des aktiven Materials für jede Elektrode.
      2. Bestimmen Sie die Kapazität jeder Elektrode durch Multiplikation der Mass des aktiven Materials durch seine jeweiligen theoretischen Kapazität. Bestimmen Sie die meisten einschränkende Elektrode-Kapazität (in der Regel die Kathode), die Gesamtkapazität der Zelle.
    2. Verbinden Sie die Zelle mit der elektrochemischen Messgerät, kümmert sich um die positive Kraft und positive Sensor mit der Kathode und die negative Kraft und Sensor an der Anode zu verbinden. Den Verweis auf die Referenzelektrode über den Kupferdraht zu verbinden (siehe Abbildung 6b).
    3. Überprüfen Sie, dass die Zelle angeschlossen ist und ordnungsgemäß funktioniert, anhand der Leerlaufspannung und Potenziale. Verwenden Sie die Referenzspannung, während das Lithiation-Verfahren aufgenommen, um die Kathode und Anode potenzielle Lesungen zu kalibrieren.
    4. Radeln Sie die vollständige Zelle mit der gewünschten C-Rate, z. B. C/10, und Messen Sie gleichzeitig die vollständige Zelle, Kathode und Anode Potenziale zu. Wiederholen Sie die Schritte 5.1.1 - 5.1.4 für andere Zellen und C-Preise beliebig, je nach den Spezifikationen und Anforderungen für jede Zelle.
  2. Elektrochemische Impedanz Spektroskopie
    1. Vollständige Zelle Impedanz
      1. Verbinden Sie die Zelle, die EIS-Messgerät. Verwenden Sie die folgende Konfiguration: die positive Kraft und positive Sensor an der Kathode, die negative Energie und negative Sensor zur Anode.
        Hinweis: Der Referenzsensor sollte an die Anode angeschlossen werden. Die Bezugselektrode sollten getrennt bleiben.
      2. Wählen Sie das potentiostatischer-Steuerelement für das EIS mit einer Amplitude von 10 mV. Wählen Sie einen Frequenzbereich von 1 MHz bis 1 mHz. Sammeln Sie die Impedanz der vollständige Zelle. Handlung eine Ortskurve und Bode-Plot, die Reaktion der Zelle zu analysieren.
        Hinweis: Der Frequenzbereich möglicherweise nicht immer erforderlich und kann geändert werden, nach den vorläufigen Ergebnissen zu sammeln.
    2. Kathode Impedanz
      1. Verbinden Sie die Zelle, die EIS-Messgerät mit folgendem: die positive Kraft und positive Sensor an der Kathode, die negative Energie und negative Sensor an der Anode und der Referenzsensor an die Referenzelektrode über den Kupferdraht.
      2. Wiederholen Sie die gleichen Schritte für die vollständige Zelle Impedanz (Schritte 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    3. Anode Impedanz
      1. Verbinden Sie die Zelle, die EIS-Messgerät mit folgendem: die positive Kraft und positive Sensor an der Anode und der negative macht negative Sensor zur Kathode und Referenzsensor an die Referenzelektrode über den Kupferdraht.
      2. Wiederholen Sie die gleichen Schritte für die vollständige Zelle Impedanz (Schritte 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    4. Impedanz in Abhängigkeit von der Ladezustand
      1. Verbinden Sie die Zelle, die EIS-Messgerät entsprechend der gewünschten Impedanzmessung: vollständige Zelle, Kathode oder Anode. Verwenden Sie Schritte 5.2.1.1, 5.2.2.1 oder 5.2.3.1., jeweils für die entsprechende Verbindung.
      2. Laden Sie die Zelle mit einem Konstantstrom bei c/2, bis die Zelle die obere Spannungsgrenze erreicht. Halten Sie die Spannung an der oberen Grenze mit einer Konstantspannung Kontrollmethode bis die angewandte aktuelle Tropfen unter C/100. Die Zelle sollte nun voll geladen werden.
      3. Entlastung der Zelle am c/2 für 3 min; die Zelle sollte jetzt bei 90 % SOC erlauben der Zelle 1 h ruhen, thermische und elektrochemische Gleichgewicht zu erreichen.
      4. Sammeln Sie die Impedanz mit dem gleichen Verfahren in Schritten 5.2.1.2 - 5.2.1.3 vorgestellt. Wiederholen Sie die Schritte 5.2.4.3 und 5.2.4.4. zu sammeln, die Impedanz in Abhängigkeit von der SOC.

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Ergebnisse

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Typische Ergebnisse für die Spannung und möglichen Profile für die drei-Elektroden-Zelle sind in Abbildung 7ersichtlich. In einer idealen Setup sollte die volle Zellspannung, hergestellt aus einer zwei-Elektroden-Zelle mit den gleichen Elektrode paar identisch sein. Dies ist eine Methode, um festzustellen, ob die Einfügung der Bezugselektrode die Leistung der Zelle ändert. Besteht ein signifikanter Unterschied zwischen den zwei - und drei-Elektroden voll Zell...

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Diskussion

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Zelle Crimpen Druck spielt eine wichtige Rolle in die Erfolgsrate bei der Vorbereitung und arbeitenden Zellen. Wenn die Zelle mit einem zu hohen Druck gewellt ist (> 800 Psi), die Bezugselektrode kann mit der Zelle Kappe aufgrund der Referenz kurzgeschlossen werden Draht Position zwischen der Kappe und der Dichtung. Beachten Sie, dass der Draht über diese Schnittstelle eine Voraussetzung, um die Bezugselektrode lesen, ein externes Messgerät anschließen. Wenn die Zelle-Druck zu niedrig ist (< 700 Psi), die Zelle kann Prob...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Finanzieller Unterstützung von dem Partnerprogramm von Texas Instruments (TI) Universität Forschung wird dankbar anerkannt. Die Autoren erkennen auch dankbar die Hilfe der Chien-Fan Chen aus der Energie und Transport Sciences Laboratory, Maschinenbau, Texas A & M University, in der Anfangsphase dieser Arbeit.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Achat-Mörser und StößelVWR89037-492Zoll Durchmesser
MatrizensatzMayhew66000
LaborpresseMTIYLJ-12
AnalysenwaageOhausAdventurer AX
High-Shear-MischgerätIKA3645000
Mit Argon gefülltes HandschuhfachMBraunLABstar
Hydraulische CrimpzangeMTIMSK-110
BatteriecyclerArbin InstrumentsBT2000
Potentiostat/Galvanostat/EISBio-LogicVMP3
Vakuumofen und PumpeMTI-Kupferdraht
RemingtonPN15532 AWG
GlaskugelnMcMasterr-Carr8996K256 mm Borosilikatglaskugeln
RührrohrIKA370300020 ml
Celgard 2500 SeparatorMTIEQ-bsf-0025-60C25 μ m dick; Polypropylen-Edelstahl
CR2032 Knopfzellen-KitPred-MaterialienKnopfzellen-Kit enthält: Gehäuse, Kappe, PP-Dichtung
Edelstahl-AbstandshalterPred-Materialien15,5 mm Durchmesser und 0,5 mm Dicke
Edelstahl-Wellenfeder-Pred-Materialien15,0 mm Durchmesser und mal 1,4 mm Höhe
Li-Ionen-Batterieanode - GraphitMTIbc-cf-241-ss-005Cu-Folie, einseitig beschichtet mit CMS Graphite (241 mm L x 200 mm B x 50 mm; m Dicke)
Li-Ionen-Batteriekathode - LiCoO2MTIbc-af-241co-ss-55Al-Folie einseitig beschichtet mit LiCoO2 (241 mm L x 200 mm B x 55 μM; m Dicke)
Polyvinylidendifluorid (PVDF)KynarFlex 2801
N-Methyl-2-pyrrolidinon wasserfrei (NMP), 99,5%Sigma Aldrich328634
CNERGY Super C-65Timcal
Elektrolyt (1,0 m LiPF6 in EC/DEC, 1:1 μm)BASF50316366
Lithiumtitanat (Li4Ti5O12)Sigma Aldrich702277
KS6 Synthetischer GraphitTimcal
Lithium-MetallbandSigma Aldrich3200800,75 mm Dicke
Epoxid Mehrzweck-Loctit
IsolierbandScotch 3M Super 88 
Isopropylalkohol (IPA), ACS-Reagenz &ge 99.5%Sigma Aldrich190764
5

Referenzen

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Three electrode Coin CellLithium ion BatteriesReference ElectrodeElectrochemical Impedance SpectroscopyCyclic VoltammetryElectrodeposition AnalysisAnode Cathode MonitoringLithium Plating DetectionCoin Cell AssemblyElectrolyte Filling

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