In Situ diffraction de poudre, l'utilisation des batteries au lithium-ion sur mesure

L’objectif général de cette procédure est de préparer une pile électrochimique rechargeable adaptée aux expériences de diffraction des neutrons in situ. Pour ce faire, il faut d’abord préparer une électrode négative de feuille de lithium, deux séparateurs et une feuille d’aluminium ou de cuivre. La deuxième étape consiste à étaler une boue de matériau d’électrode positive sur la feuille d’aluminium ou de cuivre qui agira comme un collecteur de courant de la pile.

Ajoutez ensuite des fils aux électrodes. Ensuite, empilez les séparateurs et les électrodes en couches alternées, puis roulez les couches dans un cylindre. Les dernières étapes consistent à insérer la cellule laminée dans une boîte de vanadium, à ajouter de l’électrolyte et à sceller la boîte avec les fils accessibles finalement in situ par diffraction des neutrons.

Les données collectées avec la pile électrochimique sont utilisées pour montrer les changements structurels en temps réel de plusieurs composants de la batterie pendant le cycle électrochimique ou le fonctionnement de la batterie. Les principaux avantages de l’utilisation d’expériences de diffraction des neutrons in situ sont que la majeure partie de la batterie est sondée de manière non destructive avec plusieurs composants étudiés simultanément, et un potentiel de suivi des changements structurels d’éléments plus légers tels que le lithium et l’oxygène. Les cellules chimiques à noyau U permettent cette expérience et permettent aux chercheurs d’utiliser du matériel synthétisé à l’échelle du gramme lié aux quantités nettement plus importantes requises dans la construction des cellules de commissure.

D’une manière générale, les personnes qui débutent dans la technique auront du mal à construire une cellule in situ de haute qualité qui permet à la fois la collecte de données de diffraction des neutrons de haute qualité tout en optimisant les propriétés électrochimiques, de sorte qu’il y a souvent un équilibre à trouver entre les propriétés électrochimiques et la capacité de collecter des données de diffraction des neutrons de haute qualité. Le mélange de matériau d’électrode positive a été préparé à l’avance et contient du polyvinyl-difluorure, du noir de carbone et un matériau actif pour le collecteur de courant. Utilisez une feuille d’aluminium ou de cuivre de 20 microns d’épaisseur, coupée à environ 200 millimètres sur 70 millimètres.

Obtenez une surface de verre propre, plane et lisse plus grande que la feuille collectrice actuelle et posez-la à plat pour faire adhérer la feuille. Appliquez quelques gouttes d’éthanol sur la surface, puis placez le collecteur de courant sur les gouttes. Ajoutez quelques gouttes supplémentaires d’éthanol sur le papier d’aluminium.

Lissez la feuille pour qu’il n’y ait pas de plis. Obtenez une flaque d’eau en forme d’hémisphère de la boue d’électrode positive et placez-la à une extrémité de la feuille à l’aide d’une barre d’encoche d’une hauteur d’encoche de un à 200 micromètres. Répartissez la boue sur le collecteur de courant.

Une fois que la boue a été étalée sur la surface du collecteur, elle sera séchée dans un four sous vide. Retirez délicatement le film de la surface en verre et transférez-le dans le four pour le séchage pendant la nuit à température élevée Après le séchage pendant la nuit, placez le collecteur et l’électrode positive sur une surface plane. Pour continuer, découpez une région de l’électrode pour qu’elle corresponde aux dimensions de la feuille de l’électrode négative.

La région doit inclure une languette d’un centimètre de film collecteur non revêtu à une extrémité. De plus, coupez un morceau du matériau du collecteur actuel de la même taille. Amenez le collecteur revêtu dans une presse à plaques plates.

Placez-le sur la presse, côté enduit vers le haut, et couvrez-le de papier. Appliquez une pression de 100 kilonewtons pendant 30 à 60 minutes pour améliorer les performances de la batterie. Après avoir récupéré le collecteur couché de la presse, déplacez-le avec le matériau du collecteur non couché sur une balance.

Mesurez la masse de chacun et comparez-les. Utilisez la différence pour déterminer la masse du mélange d’électrodes, et à partir de là, la masse du matériau actif, les différents composants de la cellule et le boîtier de la cellule doivent maintenant être recueillis. Le boîtier est un tube entièrement fait de vanadium, qui est utilisé parce qu’il ne produit pratiquement aucun signal dans les données de diffraction de poudre de neutrons.

Le tube est scellé à une extrémité et l’extrémité ouverte a un bouchon en caoutchouc avec des encoches pour permettre le passage des fils. Travaillez ensuite avec la feuille qui sera utilisée pour l’électrode négative. Pour les expériences, l’électrode est fabriquée à partir d’une feuille de lithium métal et travaillée dans une boîte à gants.

Pour cette démonstration, du papier d’aluminium est utilisé. Choisissez l’épaisseur pour minimiser l’absorption de neutrons et utilisez une feuille appropriée à l’enveloppe ici. 120 millimètres sur 35 millimètres.

Une fois la feuille prête, sélectionnez le séparateur de la cellule. Deux feuilles de polyéthylène sont utilisées dans cette vidéo. Ils sont coupés pour être légèrement plus grands que l’électrode négative d’environ 140 millimètres sur 40.

Ensuite, déplacez le collecteur de courant et l’électrode positive sur une surface de travail plane. Après l’avoir posé à plat, procurez-vous une tige ou un fil d’aluminium d’un diamètre inférieur à deux millimètres et placez-le sur l’extrémité découverte du collecteur. Enroulez la feuille de la languette fermement autour de la tige.

Ne roulez pas la région de l’électrode positive. Passez au travail avec l’électrode négative, la feuille de métal et un morceau de fil de cuivre et roulez les deux de la même manière. Voici les électrodes terminées.

Les derniers composants nécessaires à la construction de la cellule sont la solution électrolytique pour la batterie et la cire dentaire. Pour sceller le boîtier, les séparateurs d’électrodes positives, l’électrolyte et la cire du boîtier sont prêts à être transférés dans une boîte à gants remplie d’argonne pour la construction de cellules. Pour cette vidéo, la construction de la cellule aura lieu à l’extérieur de la boîte à gants avant de continuer.

Assurez-vous que la surface de travail est non métallique en empilant les composants en commençant par l’une des bandes de séparateur sur le dessus du séparateur. Placez le collecteur de courant avec l’électrode positive vers le haut et la tige d’aluminium à une extrémité. Placez ensuite la deuxième bande de séparateur.

Enfin, placez l’électrode négative sur le dessus avec son fil de cuivre enroulé à la même extrémité que la tige d’aluminium. Commençons maintenant par la fin de la pile avec le fil d’aluminium et de cuivre. Commencez à rouler toutes les couches ensemble en roulant fermement.

Maintenez l’alignement des couches et assurez-vous que les deux électrodes n’entrent pas en contact. Une fois le roulage terminé, vérifiez la pièce extérieure du séparateur. Il doit s’enrouler complètement autour du rouleau afin que les électrodes soient couvertes et ne touchent pas le boîtier en vanadium.

Insérez la pile roulée dans la boîte de vanadium avec les fils dépassant du haut, le fil de cuivre et la tige d’aluminium doivent s’étendre de deux à trois centimètres au-delà de l’ouverture. Ajoutez de l’électrolyte goutte à goutte dans la boîte de manière à ce qu’un total de 1,5 millilitres soit utilisé. Après avoir ajouté le joint d’électrolyte, la boîte avec le bouchon en caoutchouc et faites fondre la cire dentaire sur son dessus et autour de la gaine en plastique du fil.

Une fois la boîte scellée, la construction est terminée. Stockez la cellule horizontalement et laissez-la vieillir pendant 12 à 24 heures. Ces données de diffraction in situ de la poudre de neutrons montrées en croix noires proviennent d’une cellule contenant du cuivre LSTN et du lithium.

Avant la décharge de la cellule, la cellule a été modélisée à l’aide d’un raffinement en plusieurs phases et l’ajustement est représenté par la ligne rouge dans les données. La courbe verte en bas montre la différence entre les données et le modèle. Les barres verticales sont des marqueurs de réflexion pour le lithium en bleu, le cuivre en rouge et le LSTN en noir.

La longueur d’onde des neutrons était d’environ 1,4 angstrum. Ces données concernent la réflexion 1 1 5 dans LSTN pendant le cyclisme. Dans le premier cadre se trouve la largeur totale à la moitié du maximum en degrés.

Dans le second se trouve la hauteur maximale en unités arbitraires. Dans le troisième est l’angle de diffusion. Tous sont donnés en fonction du temps.

Notez que la mesure de la largeur et la hauteur du pic changent à l’opposé l’une de l’autre lorsque la teneur en lithium varie. L’élargissement réversible observé indique le potentiel d’un comportement diphasique et peut également être indicatif d’une symétrie réversible. Des graphiques supplémentaires montrent la variation du paramètre du réseau et du potentiel de la batterie en fonction du temps.

Les zones de surbrillance de la barre de bronzage étaient inférieures à un volt. Cela correspond au début de la région biphasique. La barre rouge met en évidence l’intervalle pendant lequel la cellule a pu se détendre et son potentiel d’équilibre.

L’aspect le plus important de la procédure est de ne pas oublier de s’assurer qu’il y a un bon contact entre les différentes couches de la batterie, tout en veillant à ce que les électrodes n’entrent pas en contact les unes avec les autres ou avec le boîtier de la cellule. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de construire une cellule électrochimique in situ laminée de haute qualité pour une utilisation dans des expériences de diffraction des neutrons. Bonne chance.