Moneda de tres electrodos célula preparación y análisis de electrodeposición para baterías de iones de litio

El objetivo general de este estudio es demostrar la construcción de una configuración confiable de celdas de botón de tres electrodos para investigar los fenómenos de degradación en celdas de iones de litio y, al mismo tiempo, identificar la influencia del ánodo y el cátodo. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo del almacenamiento de energía y el cetro, como cuál es el papel del ánodo y el cátodo en los fenómenos de degradación de las celdas de iones de litio. La principal ventaja de esta técnica es la simplicidad de construcción de la celda, junto con la fiabilidad de la medición, de las propiedades electroquímicas.

Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia el monitoreo de las características electroquímicas del ánodo y el cátodo por separado durante el proceso de carga y descarga debido a la presencia del electrodo de referencia. Construya el electrodo de referencia con alambre de cobre esmaltado. Corte un alambre de 120 milímetros de longitud para cada celda de tres electrodos.

Coloque un extremo del alambre unos diez milímetros en una prensa de laboratorio y aplique cuatro megapascales de presión. Después de quitar el alambre, córtalo de modo que la sección aplanada tenga unos dos milímetros de largo. A continuación, utilice con cuidado un bisturí para eliminar el aislamiento exterior del extremo aplanado.

Deje el alambre a un lado y continúe para hacer la suspensión. Obtener una solución de PVDF y NMP al 10% de peso. Pesar y agregar por separado al mismo mortero polvo de titanato de litio, grafito sintético y un aditivo conductor.

Mezclar y triturar los polvos hasta que la mezcla sea homogénea. A continuación, transfiera la mezcla en polvo a un tubo de mezcla desechable de 20 mililitros. A continuación, utilice una pipeta para añadir la solución de NMP.

Continúe agregando 16 bolas mezcladoras de vidrio de silicato de seis milímetros de diámetro antes de enroscar la tapa. Utilice un dispositivo de mezcla de alta transparencia para mezclar la suspensión. Después de mezclar, trabaje con la lechada y el alambre expuesto previamente preparado.

A mano, sumerja la punta de cobre expuesta en la lechada mezclada. Al retirarlos, fije los cables a una base, con el extremo fundido hacia arriba, para que se sequen. Seque los electrodos en un horno de laboratorio a 70 grados centígrados durante al menos ocho horas.

Cuando todos los componentes y el electrolito estén listos, colóquelos en una guantera de argón. Aquí están la caja y la tapa, la junta, los separadores de polipropileno, el espaciador de acero inoxidable y el resorte ondulado. Haga que el electrodo de referencia se doble en forma de espiral con unos alicates.

Dentro de la guantera, prepare dos discos limpios de litio. Consigue un disco de litio y un espaciador de acero inoxidable. Coloque el disco de litio en el centro del espaciador y luego presione los dos juntos firmemente.

Comprueba que el litio se adhiera al espaciador. Ahora, trabaje con la caja de la pila de botón y un pequeño bote de pesaje y centre el segundo disco de litio dentro de la caja. Presiónelo firmemente y asegúrese de que se pegue.

Coloque varias gotas de electrolito en el disco de litio. Coloque varias gotas más alrededor del borde del litio para llenar el espacio exterior. A continuación, coloque un separador de polipropileno encima del disco de litio humedecido.

Cuando el separador esté completamente mojado, coloque la junta en la celda con el labio hacia arriba. Use un par de pinzas de plástico para colocar suavemente la espiral del electrodo de referencia en el centro de la celda. Agregue unas gotas de electrolito alrededor del electrodo de referencia.

Luego, coloque un pequeño separador cuadrado donde el cable cruza sobre la junta y la caja. Continúe colocando un separador de polipropileno encima del electrodo de referencia. Recupere el disco espaciador de litio y colóquelo encima del conjunto, con el litio hacia abajo.

A continuación, coloque el resorte ondulado encima del espaciador. Luego, use pinzas de plástico para colocar con cuidado la tapa en todo el conjunto. Emplee una engarzadora para engarzar la celda de moneda a unos cinco megapascales.

En este punto, la celda se puede quitar de la guantera. Limpie y seque la celda antes de continuar. Para sellarlo, use un palillo de dientes para aplicar una pequeña cantidad de epoxi no conductor donde el alambre sale de la celda de moneda.

Para la litiación, configure el dispositivo de prueba. Coloque un pequeño cuadrado de cinta aislante en la parte superior de la caja de la pila de botón y colóquelo en el soporte de la celda. Utilice una pinza de cocodrilo para conectar el electrodo de referencia a la conexión positiva del soporte de la celda.

Realice el ciclo del electrodo de referencia varias veces en el rango de voltaje apropiado. Tome nota del voltaje de referencia, que debe ocurrir durante los procesos de carga y descarga. Regrese la celda a la guantera de argón equipada con los materiales para hacer una celda de trabajo.

Coloque el disco catódico en el centro de la caja de la celda. Luego, coloque varias gotas del electrolito en la parte superior y alrededor del borde. A continuación, coloque un separador encima del electrodo humedecido.

Encima de eso, coloque la junta con el labio hacia arriba. Deje el ensamblaje a un lado y obtenga la celda de preparación litiada. Aplique cinta aislante en la parte superior de la caja y sujétela con unos alicates de punta fina.

Use alicates de punta cortante para abrir con cuidado pero con firmeza el borde de la celda de monedas. Cuando sea posible, separe la carcasa de la celda y la tapa y extraiga con cuidado el electrodo de referencia litiado. Con un par de alicates, desdoble la espiral del electrodo de referencia y enderécela.

Junte la celda de trabajo y el electrodo de referencia. Coloque la punta del electrodo de referencia en el centro del electrodo de trabajo. Se extenderá sobre el borde de la celda.

Vuelva a doblar el cable en el borde de la celda y coloque un pequeño separador rectangular donde el cable cruza la caja. A continuación, coloque un separador en la parte superior del electrodo de referencia. Cubra esto con el disco de ánodo preparado.

Coloque con cuidado un espaciador de acero inoxidable de un milímetro en el ánodo. A continuación, coloque el muelle ondulado en el conjunto. Ahora, llene la celda hasta el borde con electrolito.

Use pinzas de plástico para colocar con cuidado la tapa de la celda en el ensamblaje. Transfiera la celda a una engarzadora y engarce la celda a cinco megapascales. Después de retirar la celda de la caja de argón, límpiela y séllela.

Deje que la celda completa se seque durante al menos una hora. Lleve la celda a un dispositivo de medición electroquímico. Conecte la celda como en este esquema.

La potencia positiva y el sensor positivo se conectan al cátodo. La alimentación negativa y el sensor se conectan al ánodo. La referencia se conecta al electrodo de referencia.

Cicle la celda completa a la velocidad C deseada y mida simultáneamente los potenciales del cátodo y del ánodo de la celda completa. Mueva la celda al dispositivo de espectroscopia de impedancia electroquímica. Conecte la potencia positiva y el sensor al cátodo de la celda y la potencia negativa y el sensor y el sensor de referencia al ánodo.

Mantenga el electrodo de referencia desconectado. En el panel de control, seleccione una amplitud de diez milivoltios. Seleccione el rango de frecuencia de un megahercio a un milihercio.

Comience a recoger la impedancia de la celda completa. Aquí están las mediciones de voltaje a corriente constante para un ánodo, usando la escala de la derecha, y un cátodo, y una celda completa de dos y tres electrodos usando la escala de la izquierda. La velocidad de carga es 1/10 del máximo calculado.

Los voltajes de celda completa para las celdas de dos y tres electrodos son los mismos, lo que sugiere que el electrodo de referencia no modifica el comportamiento. Compare estos con las mediciones de voltaje durante la descarga. Durante la carga, el potencial del cátodo aumenta con respecto al litio que corta el litio plus a medida que el litio pasa del cátodo al ánodo.

El potencial en el ánodo disminuye. Las mediciones de voltaje durante la descarga demuestran que ocurre lo contrario en esas condiciones. Este es un ejemplo del espectro de impedancia recogido para la celda completa de tres electrodos en función del estado de carga.

Aquí hay espectros adicionales para el cátodo y el ánodo. Los datos son útiles para encontrar contribuciones individuales a la impedancia del electrodo a medida que cambia el estado de carga. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en cinco días, incluyendo ciclos y pruebas de impedancia, si se realiza correctamente.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que el cable del electrodo de referencia es delgado y puede romperse si no se maneja correctamente. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar pruebas de seguridad y de gráficos rápidos para responder a preguntas como ¿Es posible trazar un mapa rápido de una célula sin inducir ninguna degradación? ¿Y cuál es el papel del ánodo y el cátodo en los eventos de falla?

Tras su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo del almacenamiento de energía diagnosticaran fallos y mejoraran la vida útil de las baterías de iones de litio. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo construir una celda de tres electrodos estable y confiable utilizando componentes típicos que se encuentran en cualquier laboratorio electroquímico. No olvide que trabajar con compuestos de litio, electrolitos orgánicos y equipos eléctricos puede ser extremadamente peligroso, y siempre se deben tomar precauciones, como el uso de equipo de protección personal, al realizar este procedimiento.