3-אלקטרודה מטבע תא הכנה וניתוח Electrodeposition עבור סוללות ליתיום

סיכום

3-אלקטרודה תאים שימושיים בלימוד של אלקטרוכימיה של סוללות ליתיום. כזה התקנה אלקטרוכימי מאפשר את התופעות הקשורות עם קטודית, אנודת להיות decoupled ולא בדק באופן עצמאי. כאן, אנו מציגים מדריך בנייה ושימוש תא 3-אלקטרודה מטבע עם דגש על ליתיום יופיצ analytics.

תקציר

כמו ליתיום סוללות למצוא שימוש באנרגיה גבוהה וביישומים כוח, כגון רכב חשמלי היברידית חשמלי, ניטור פעולת השפלה ובעיות בטיחות העוקבים הופך חשוב יותר ויותר. במלכודת תא li-ion, מדידת מתח על פני המסופים חיוביים ושליליים כולל מיסודו את האפקט של הקתודה, אנודת אשר הם ביחד, סכום את הביצועים בתא סכום. בהתאם לכך, היכולת לפקח על ההיבטים השפלה המשויכים אלקטרודה ספציפי. קשה מאוד כי הם האלקטרודות ביסודה ביחד מלכודת 3-אלקטרודה ניתן להתגבר על בעיה זו. על ידי החדרת אלקטרודה (הפניה) השלישי, יכול להיות decoupled את השפעת כל אלקטרודה, המאפיינים אלקטרוכימי ניתן למדוד באופן עצמאי. האלקטרודה הפניה (RE) בטח יש פוטנציאל יציב אז התפקיד נגד הפניה ידוע, למשל, ליתיום מתכת. תא 3-אלקטרודה ניתן לבצע בדיקות אלקטרוכימי כגון רכיבה על אופניים, וולטמטריה עכבה אלקטרוכימי ספקטרוסקופיה (EIS). תא 3-אלקטרודה EIS מדידות יכול להבהיר את התרומה של עכבה אלקטרודה בודדים אל התא מלא. בנוסף, ניטור האנודה פוטנציאליים מאפשר הזיהוי של electrodeposition בשל ציפוי ליתיום, אשר יכול לגרום חששות בטיחות. זה חשוב במיוחד עבור טעינה מהירה של סוללות ליתיום של כלי רכב חשמליים. על מנת לפקח, לאפיין את ההיבטים בטיחות והשפלה של תא אלקטרוכימי, מלכודת 3-אלקטרודה יכול להוכיח שלא יסולא בפז. נייר זה נועד לספק מדריך בניית מלכודת תא 3-אלקטרודה מטבע באמצעות הארכיטקטורה תא 2032-מטבע, אשר קל לייצר, אמינה וחסכונית.

מבוא

למרות המקור של סוללות ליתיום יכול להיות נעוצים באורח שרירותי רחוק אל העבר, ייצור בקנה מידה גדול ואת המסחור של רבים של היום נפוץ סוללות ליתיום שנמצאו החל בשנות ה-80. רבים מן החומרים שפותחו במהלך תקופה זו, למשל להיות קובלט תחמוצת ליתיום (LiCoO₂), מצויים עדיין נפוץ השימוש היום¹. מחקרים רבים הנוכחי כבר התמקדו לקראת פיתוח שונות מבנים תחמוצת מתכת אחרים, עם כמה דגש לקראת צמצום או ביטול השימוש של קובלט במקום אחרים עלות נמוכה יותר, מתכות שפיר יותר לסביבה, כגון מנגן או ניקל². בנוף המשתנה ללא הרף של חומרים בשימוש בסוללות ליתיום מחייבת שיטה יעילה ומדויקת של אפיון שלהם ביצועים ובטיחות. כי הפעולה של הסוללה כל כרוך אלקטרוכימי התגובה בשילוב של שתי האלקטרודות חיוביים ושליליים, סוללות אלקטרודה שני טיפוסי נופל קצר של היכולת לאפיין את האלקטרודות באופן עצמאי. העדר הבנה עוקבות ואפיון עניים ואז עלול לגרום מצבים מסוכנים או העניים ביצועי הסוללה הכללית בשל נוכחותם של השפלה תופעות. מחקרים קודמים שמטרתן האחדת טכניקות עיבוד טיפוסי תאים שני-אלקטרודה³. שיטה אחת המשפרת על החסרונות של תצורות תא רגיל היא התא 3-אלקטרודה.

מלכודת 3-אלקטרודה היא שיטה אחת הזיווג שבין תגובות שתי אלקטרודות ולספק תובנות רבות יותר על הפיסיקה הבסיסיים של פעולת הסוללה. במלכודת 3-אלקטרודה, אלקטרודה הפניה הוא הציג בנוסף קטודית אנודת. אלקטרודה הפניה זה משמש לאחר מכן כדי למדוד את הפוטנציאל של אנודת ושל קטודית באופן דינמי במהלך המבצע. אין זרמי עבר דרך האלקטרודה הפניה ולפיכך, זה מספק יחיד ויציב אידיאלי, מתח. באמצעות מלכודת 3-אלקטרודה, מתח התא מלא, את הפוטנציאל קטודית, ואת הפוטנציאל אנודת ניתן לאסוף בו זמנית במהלך המבצע. בנוסף מדידות פוטנציאליים, ניתן לאפיין תרומות אימפדנס של האלקטרודות כפונקציה של מצב תא מטען⁴.

3-אלקטרודה setups שימושיים מאוד ללמוד השפלה תופעות בסוללות ליתיום יון, כגון electrodeposition ממתכת ליתיום, הידוע גם בשם ליתיום ציפוי. קבוצות אחרות יש הציע שלוש-אלקטרודה setups^{5,6,7,8,9,10,11,12, 13} אבל הם לעיתים קרובות להשתמש המתכת ליתיום יציב מטבעו כהפניה וכוללים מותאם אישית, קשה להרכיב setups שמוביל אמינות מופחת. ליתיום ציפוי מתקיים כאשר במקום intercalating לתוך מבנה אלקטרודה המארח, ליתיום נצבר על פני השטח של המבנה. הפקדות אלו בדרך כלל מניחים המורפולוגיה של שכבה מתכתי אחיד (יחסית) (ציפוי) או מבנים קטנים דנדריטים. ציפוי יכול להיות תופעות הנעות בין גרימת בעיות בטיחות הפגיעה רכיבה על אופניים ביצועים. מנקודת מבט הפנומנולוגי, ציפוי ליתיום מתרחש עקב יכולת של ליתיום intercalate לתוך מבנה אלקטרודה מארח ביעילות. ציפוי נוטה להתרחש בטמפרטורה נמוכה, גבוהה טעינה האלקטרודה גבוהה מדינה תשלום (SOC), קצב, או שילוב של שלושת הגורמים האלה¹². בטמפרטורה נמוכה, פעפוע של מצב מוצק בתוך האלקטרודה מופחת, עקב התלות diffusivity ארניוס טמפרטורה. פעפוע של מצב מוצק התחתונה התוצאה הצטברות של ליתיום-הממשק אלקטרודה-אלקטרוליט תצהיר עוקבות של ליתיום. בקצב ההטענה גבוה, מתרחשת תופעה דומה. ליתיום ניסיונות intercalate לתוך מבנה אלקטרודה מהר מאוד אבל לא הצליח, ובכך הוא מצופה. -ואת גבוהה יותר, יש בממוצע שטח קטן יותר עבור הליתיום intercalate לתוך המבנה, ובכך הוא הופך להיות נוח יותר להפקיד על פני השטח.

דנדריטים ליתיום יש חשיבות מיוחדת בשל חשש בטיחות שהם גורמים. אם דנדריטים טופס בתוך תא, קיים פוטנציאל להם לגדול, לנקב את המפריד, ולגרום של קצר פנימי בין אנודת הקתודה. זה קצר פנימי יכול להוביל טמפרטורות מאוד גבוהה מותאם לשפות אחרות האלקטרוליט דליק, שנרשמים runaway תרמי, אפילו פיצוץ של התא. בעיה נוספת הקשורה דנדריט היווצרות היא הגדלת שטח הפנים של ליתיום תגובתי. סוללת ליתיום לאחרונה הופקדו להגיב עם האלקטרוליט וגורמים היווצרות לאטמוספרה (סל) מוגבר אלקטרוליט מוצק, אשר יוביל אובדן יכולת מוגברת וביצועים אופניים המסכן.

סוגיה אחת הקשורים עם העיצוב של מערכת 3-אלקטרודה היא הבחירה של האלקטרודה ההתייחסות המתאימה. לוגיסטיקה הקשורים המיקום והגודל של ההפניה, אלקטרודות חיוביים ושליליים יכול לשחק תפקיד חשוב להשגת תוצאות מדויקות מן המערכת. דוגמה אחת היא כי אי-התאמות של האלקטרודות חיוביים ושליליים במהלך הבנייה התא ואת הקצוות המושפעים וכתוצאה מכך יכול להציג שגיאה בהפניה קריאה^14,15. מבחינת בחירת חומרים, האלקטרודה הפניה צריך יש מתח אמינה ויציבה ויש של גבוהה ללא-פולריזביליות. ליתיום מתכת, אשר משמש לעתים קרובות אלקטרודה הפניה על ידי קבוצות מחקר רבות, יש פוטנציאל זה תלוי בסרט משטח פסיבי. הדבר עלול ליצור בעיות כי ניקיתי ולהציג ליתיום בגילאי אלקטרודות פוטנציאל שונים¹⁶. זה הופך לבעיה כאשר השפעות ההזדקנות לטווח הארוך נלמדים. מחקר על-ידי. Solchenbach et al. ניסה לחסל חלק מהבעיות יציבות על ידי זהב alloying עם ליתיום ולהשתמש בו בתור שלהם הפניה¹¹. מחקר אחר הביט חומרים שונים כולל חומצה טיטנית ליתיום, אשר נחקרה השפעול ומראה אלקטרוכימי פוטנציאליים מישור טווח גדול סביב V 1.5-1.6¹⁷ (~ 50% SOC). מישור זה עוזר לשמור על פוטנציאל יציב, במיוחד במקרה של ההפרעות בשוגג למצב של האלקטרודה תשלום. יציבות פוטנציאליים LTO, כולל תוספים מוליך מבוססת על פחמן, נשמר אפילו ב C-תעריפים שונים וטמפרטורות. ¹⁸ . זה זה חשוב להדגיש הבחירה של האלקטרודה הפניה היא צעד חשוב בעיצוב התא 3-אלקטרודה

קבוצות מחקר רבות הציעו תא 3-אלקטרודה ניסיוני ההתקנה. . Dolle et al. להשתמש תאים פלסטיק דק עם אלקטרודה הפניה חוט הנחושת ליתיום חומצה טיטנית ללמוד לשינויים עכבה בשל רכיבה על אופניים, אחסון בטמפרטורות גבוהות¹⁹. . McTurk et al. המועסקים טכניקה לפיה חוט נחושת מצופה ליתיום הוכנס לתוך תא נרתיק מסחרי, עם המטרה העיקרית היא להדגים את חשיבותה של ההכנסה לא פולשנית טכניקות⁹. . Solchenbach et al. משמש T-cell ששונה Swagelok-סוג של אלקטרודות מיקרו-הפניה זהב (שהוזכרה לעיל) על עכבה ומדידות פוטנציאליים. ¹¹ . Waldmann ואח שנקטפו אלקטרודות מתאי מסחרי, שיחזר משלהם תאים 3-אלקטרודה נרתיק לשימוש בלימוד התצהיר ליתיום¹². . Costard et al. פיתחו של דיור תא 3-אלקטרודה ניסיוני שבאתר כדי לבדוק את האפקטיביות של התייחסות אחרת אלקטרודה חומרים ותצורות¹³.

רוב קבוצות מחקר אלה להשתמש מטאל טהור ליתיום כהפניה, אשר יכולה חששות עם יציבות וצמיחה סל, במיוחד עם שימוש ארוך טווח. בעיות אחרות כוללות שינויים מורכב ולגזול כיוונונים קיימים או מסחרי. בנייר זה, מוצגת שיטה אמינה וחסכונית עבור בניית שלוש-אלקטרודה li-ion תאים מטבע לבדיקות אלקטרוכימי, כפי שמוצג באיור1. ניתן לבנות תוכנית התקנה זו שלוש-אלקטרודה באמצעות רכיבים תא מטבע רגיל, חוטי נחושת, ליתיום מבוסס חומצה טיטנית הפניה אלקטרודה (ראה איור 2). בשיטה זו אינו דורש שום ציוד מיוחד או שינויים משוכלל, מלווה מעבדה סטנדרטיים סולם הליכים אלקטרוכימי וחומרים של ספקים מסחריים.

פרוטוקול

1. הפניה אלקטרודה והכנות מפריד

1. הפניה אלקטרודה הכנה
   1. הכנה תיל
      1. חתך אורך 120 מ אחד של גודל 32 AWG (0.202 מ"מ קוטר) אמייל חוט הנחושת.
         הערה: כל חוט יהפוך 1 אלקטרודה הפניה, ייעשה שימוש בתא אלקטרודה 3 1.
      2. מקם קצה אחד של החוט מכבש מעבדה. לחץ בעדינות כ 10 מ מ של חוט בקצה אחד כדי בלחץ של-4 מגפ ס. . חתוך את החוט עודף מקצה חוט כך המקטע שעברו שיטוח ~ 2 מ מ אורך.
         הערה: העובי הממוצע של הקצה הוא כ 0.1 מ מ. להיות זהירים לא לכופף את הטיפ שעברו שיטוח כפי שהוא עשוי עייפות מתנתקים.
      3. מניחים את החוט על קרש חיתוך טפלון (PTFE). בזהירות להשתמש באזמל כדי להסיר הבידוד החיצוני על קצה חוט שעברו שיטוח. הקפד להסיר את הבידוד משני הצדדים; המוצר הסופי צריך להיות חתך שטוח, מבריק של נחושת חשוף.
      4. שוקלים את החוט באמצעות סרגל מעבדה.
         הערה: מיסה זו ייעשה שימוש לאחר הטילה את slurry כדי לקבוע את הכמות המדויקת של חומר פעיל נוכח כל אלקטרודה הפניה.
      5. חזור על שלבים 1.1.1.1 - 1.1.1.5 עבור גודל אצווה טיפוסי של חוטים 36. מניחים את החוטים על קיבול עבור אחסון. אפשרות טובה היא. להקליט את החוטים סביב קצה צנצנת זכוכית קטנה.
   2. Slurry הכנה
      1. להכין את הפתרון פלואוריד (PVDF) 10%-wt. polyvinylidene ב N-מתיל-2-pyrrolidinone (NMP).
         1. באמצעות שוקלים מלבני קטן של נייר, סקופ מפלדת בקנה מידה מעבדה, למדוד את המסה הרצוי של האבקה PVDF (0.1 גרם).
         2. להעביר את האבקה PVDF מהעיתון שוקלים לתוך בקבוק פלסטיק 500-mL. למדוד, העברת המסה המתאים של NMP נוזלי (0.9 g) לתוך הבקבוק באמצעות פיפטה מעבדה 1-mL-קיבולת.
         3. הכנס בר מלהיב מגנטי הפתרון; הניחו את הבקבוק על צלחת מלהיב מגנטי ולהשאיר את זה לערבב ללא הגבלת זמן. לאפשר את הפתרון לערבב במשך לפחות 24 שעות לפני השימוש הראשון. מומלץ להכין את הפתרון PVDF בצובר כדי להימנע מהצורך לעשות אצוות קטנות יותר עבור כל אצווה slurry.
      2. לפני שקילה כל עוד אבקה, לנקות את הסקופ מפלדת איחדו את, המליטה עם איזופרופנול כדי למנוע כל זיהום.
      3. באמצעות נייר שוקלים, קנה המידה של מעבדה, הסקופ נירוסטה, למדוד החוצה את הכמות המתאימה (0.8 גר') אבקת (Li₄Ti₅או₁₂) חומצה טיטנית ליתיום. להעביר בזהירות את האבקה מכתש ועלי. לנקות את הסקופ עם אלכוהול איזופרופיל לאחר השימוש.
      4. באופן דומה, שוקלים החוצה את הכמות המתאימה (0.03 נקודות g) של גרפיט סינתטי KS-6 ותוסף מוליך (0.09 g). להעביר בזהירות את האבקה ומכתש באותו. לנקות את הסקופ עם אלכוהול איזופרופיל כמו בעבר.
      5. מערבבים בקלילות את אבקות שלושה שבחומר המליטה עד שהם הופכים מפוזרים בצורה אחידה. לטחון את תערובת אבקת באמצעות איחדו את עד שהתערובת הופכת הומוגנית. להעביר בזהירות לערבב אבקת צינור ערבוב חד פעמיות 20-mL.
         הערה: זה ישמש כלי ערבוב הטיה גבוהה כדי להבטיח התפלגות אחידה של כל החומרים בפנים slurry.
      6. להוסיף את הכמות המתאימה של NMP (2.2 מ"ל) הצינור ערבוב בעזרת פיפטה של המעבדה. להוסיף שש בקוטר 6 מ מ סיליקט ללישת זכוכית כדורים, לדפוק על המכסה. במקום הצינור ערבוב על המכשיר ערבוב גבוהה-הטיה, נעל הצינור לתוך המקום, ומערבבים את slurry למשך 15 דקות על ההגדרה המרבי (בערך 6000 סל ד).
      7. להוסיף 0.8 גר' הפתרון PVDF (להכין קודם לכן בשלב 1.1.2.1) הצינור ערבוב. המשך ערבוב של slurry למשך עוד 5 דקות להבטיח ריפודי כתופיים של הקלסר. יצוק מיד את slurry עם החוטים. אם slurry יושב יותר מ 5 דקות, מערבבים את slurry לפני 15 דקות נוספות לשימוש, כדי להבטיח תערובת הומוגנית.
   3. השלכת וייבוש של הפניה אלקטרודה
      1. טבלו בעבודת יד של נחושת חשוף, בקצה כל אלקטרודה הפניה, slurry מעורב. לחלופין, טיפה-שחקנים slurry מ פיפטה על החוט עצה. הקפד מעיל רק את המקטע שעברו שיטוח, חשוף של חוט הנחושת.
      2. לצרף את החוטים RE יצוקה בסיס עם תום יצוקה מושעה לייבוש. קלטת את הגבס מחדש כדי בעל להימנע ממגע של slurry רטוב עם כל משטח (ראה איור 3). יבש את האלקטרודות לפחות 8 שעות בתנור מעבדה ב- 70 מעלות צלזיוס.
      3. מודדת את המסה אלקטרודות ייחוס לאחר ייבוש, להעריך את המסה יבשים של slurry (0.1 מ"ג ממוצע מעל יותר מאשר 100 דגימות).
      4. להעביר הפניה האלקטרודות בתא הכפפות ארגון אינרטי לשימוש בתא תהליך הייצור.
2. הכנה אלקטרודה קטודית, אנודת
   1. בחר האלקטרודה הרצוי שילמדו.
      הערה: עבור בדיקות אלה, אלקטרודה טרומיים גליונות ישמש למטרות הדגמה. אלקטרודות תוצרת שבאתר או אלקטרודות שנקטפו מתאי מסחרי יכול גם לשמש.
   2. אגרוף החוצה דיסק עגול של חומר הקתודה באמצעות חלול 1.27 ס מ (1/2-ב) אגרוף. צורת הדיסק אלקטרודה שניתן לשנותם באופן מכני לפי המבחן הרצוי (ראה איור 4). שוקל האלקטרודות, לחשב את אחוז החומר הפעיל.
   3. חזור על צעדים 1.2.1-1.2.2 את החומר אנודת, ותאים נוספים הרצוי. למקם כל דיסק אלקטרודה לתוך בקבוקון זכוכית קטן ולהעביר בזהירות את הבקבוקונים לתוך בתא הכפפות אינרטי ארגון שבו הם ישמשו במהלך תהליך הבניה תא.
3. מפריד הכנה
   1. מקפלים פיסת נייר (22.6 ס"מ x 28 ס"מ / 8.5 ב- x 11 ב) לחצי לאורכו. חותכים כ פיסת 25 ס"מ x 8.5 ס"מ למפריד פוליפרופילן (PP), מקם אותו בעדינות הנייר במדפסת מקופל.
      הערה: העיתון מספק קצת הגנה, קשיחות כאשר המפריד להיות אגרוף בעבודת יד.
   2. מקם את הכריך נייר, מפריד על גבי שטיחון חיתוך הריפוי העצמי. זה מספק משטח מוצק, יסייע לך להימנע קהות האגרוף חלול. באמצעות חלול 1.905-ס"מ (3/4-ב) אגרוף, אגרוף one דיסק עגול מפריד עבור כל תא 3-אלקטרודה. להכין את המפרידים בצובר ואחסן אותם בבקבוקון זכוכית לשימוש מאוחר יותר.
   3. בנוסף, לחתוך מספר ריבועים קטנים של מפרידי כ 5 מ מ x 8 מ מ; אחד של תווים מפרידים אלה ישמש עבור כל תא. לאחסן את זה בקבוקון זכוכית קטן. להעביר את הבקבוקונים של המפרידים בתא הכפפות ארגון אינרטי לשימוש בתהליך בניית התא.

2. בניית התא הכנה

1. להכין האלקטרודה הפניה באמצעות פינצטה כדי לכופף את החוט לצורת ספירלה (ראה איור 3ב'). ודא כי צורת הספירלה הסופית יתאים פנימה האטם של התא מטבע (בערך 1.58 ס מ קוטר). להציב כל ספירלה אלקטרודה לתוך סירה קטנה שוקלים ולהגדיר אותם הצידה.
   הערה: הספירלה חיווט נוסף מספק יציבות ווויל גם להיות פרש, מאוחר יותר נעשה שימוש בתא עבודה.
2. נקה בשני הצדדים של סרט מתכת ליתיום באמצעות איזמל או סכין גילוח. לגרד את כל השטח חמצון עד ליתיום מבריק דרכן. הקפד לנקות צידי הליתיום. קח בזהירות בעת שימוש חפצים חדים בתוך בתא הכפפות.
3. אגרוף החוצה 1.58-ס"מ שני (5/8-ב) דיסקים עבור כל תא מרצועת הכלים ליתיום נקי תוך שימוש באיומים חלול.
4. הצב one דיסק של ליתיום במרכז כרווח מפלדת 0.5 מ מ. הקש את המתכת ליתיום עם מרווח בחוזקה יחד; בדרך כלל, מכבש האגודל היה מספיק ודא כי הדיסק ליתיום ומודבקת מרווח.
5. המקום המקרה תא מטבע בפנים קטן לשקול את הסירה. התאם את הדיסק השני של ליתיום בתוך התיק תא מטבע. ודא שסוללת ליתיום ממורכזת ולחץ בחוזקה כך סוללת ליתיום נדבק לתחתית של המקרה. במקום מספר טיפות של אלקטרוליט [1.0 M LiPF₆ ב- EC/דצמבר (1:1 לפי נפח)] על התקליטור ליתיום ובכל מספר טיפות סביב קצה ליתיום כדי למלא את הפער מבחוץ.
   הערה: אם אין די אלקטרוליט נוסף, יהיו בועות מתחת המפריד, בתוך התא, אשר אינה רצויה.
6. במקום אחד 1.905-ס"מ (3/4-ב) עמ' מפריד על גבי התקליטור ליתיום שנרטבו. ודא כי מפריד הוא wetted לגמרי ויש אין בועות לכוד מתחת. הצב את האטם בתא עם השפה אטם כלפי מעלה; השפה הזאת היא איפה הכיפה ישבו לתוך. לחץ בחוזקה כדי להתאים את האטם לתוך התיק.
7. בעזרת זוג מספריים פלסטיק, הנח בעדינות את הספירלה אלקטרודה הפניה למרכז של התא. הוסף מספר טיפות של אלקטרוליט סביב האלקטרודה הפניה. במקום מפריד מלבן קטן, על גבי איפה הכבל חוצה את האטם, המקרה תא.
   הערה: המפריד מסייעת למנוע לקצר בין החוט את הכיפה תא מתכת.
8. במקום 1.58-ס"מ אחד (5/8-ב) מפריד מעל הספירלה אלקטרודה הפניה. ודא המפריד wetted לגמרי, כי ישנם אין בועות לכוד מתחת. מקום בדיסק ליתיום-מרווח על גבי האלקטרודה הפניה, עם מצופים ליתיום בצד הפונה כלפי מטה.
9. מקום המעיין גל על גבי מרווח. ודא שכל הרכיבים מרוכזים בתוך התא. למלא את התא עד הקצה, לזכותו אלקטרוליט. כאשר התא הוא מסולסל, האלקטרוליט נוספת להיות לחוץ.
10. באמצעות פינצטה פלסטיק, בזהירות המקום הכיפה תא על ההרכבה. לחץ בחוזקה כדי להושיב את הכובע אל שפתו של האטם. לכופף את החוט אלקטרודה התייחסות כזאת זה מניח שטוח מעל החלק העליון של הכיפה. פעולה זו מתבצעת כדי לוודא החוט לא מתאים קצר בעת לחיצה על התא (ראה איור 2).
11. להעביר בזהירות התא למכשיר מטבע-תא-הידוק באמצעות פינצטה פלסטיק. בעת העברת, להחזיק את התא שטוח כדי למנוע את אובדן כל אלקטרוליט נוספים. Crimp מטבע לתא כ 5 MPa (750 psi).
12. הסר את התא מטבע צובטן ולאחר לכופף את החוט החשוף לגבות מן החלק העליון של התא. המטרה היא למנוע כל ניתן לקצר בין הכיפה האלקטרודה הפניה.
13. הסר את התא מטבע שהושלמו בתא הכפפות ארגון. באמצעות אלכוהול איזופרופיל קידמית של פעילות נטולת מוך, לנקות בזהירות החיצוני התא. לטפל כדי להימנע מהפרעה החוט או למיקום שבו החוט יוצא התא.
14. איטום תא
    1. יבש בזהירות את התא מטבע באמצעות מגב נטולת פעילות. תשמרי תוספת לייבש את המיקום שבו החוט יוצא התא מטבע.
    2. לערבב בחלקים שווים שרף במינראליים לטופס של אפוקסי הלא מוליך. בזהירות באמצעות קיסם או התקן החקרנית קטן, להחיל כמות קטנה של אפוקסי אל המיקום שבו החוט יוצא התא מטבע. . זה המיקום שבו התא קרוב לוודאי לדלוף.
    3. לאפשר 1h לציון אפוקסי להתייבש לפני חיבור התא מטבע לכל ציוד בדיקה. שים לב כי זה יכול לקחת עד 24 שעות עבור האפוקסי לרפא באופן מלא להקשיח.
       הערה: מטרת האפוקסי היא לאטום את התא (ראה איור 5) לא כדי לספק את חוזק מכני כלשהו.

3. Lithiation השגרה

1. התקנת החיבור
   1. בעזרת מצית כף-יד, לשרוף כ- 2 ס מ של בידוד בקצה של החוט אלקטרודה הפניה המגיחה מתוך התא; . זה איפה הכבל תוכלו להתחבר המכשיר בדיקה. לכופף את החוט החשוף חוזר על עצמו, כדי לשפר את הקשר בעת התחברות התא 3-אלקטרודה לבדיקה.
   2. מניחים ריבוע קטן של סרט בידוד (2 ס"מ על 2 ס"מ) לרוחב החלק העליון של המקרה תא מטבע; זה צריך למנוע כל קשר חשמלי בין החלק העליון של התא מטבע בעל תא ' מטבע '. מקם את התא הכנה בעל תא.
      הערה: החלק העליון של התא צריך להיות מבודד מכל חיבור, אמור להיות מחובר הקריאה השלילית על המחזיק התא התחתון של התא.
   3. באמצעות סרטון תנין, להתחבר האלקטרודה הפניה הסרטון העליון את המחזיק תא (חיבור חיובי).
      הערה: התא צריך להיות להגדיר כדי לבדוק עם האלקטרודה הפניה כסוכנות את האלקטרודה החיובית ואת הדיסק ליתיום התחתון (תא במקרה) מתנהג כמו האלקטרודה השלילית.
2. הפניה כיול מתח
   1. לחשב את כמות חומר פעיל נוכח האלקטרודה הפניה.
      הערה: עבור מסה אלקטרודה טיפוסי של 0.1 מ"ג ו קומפוזיציה של חומרים פעילים של 80%, זה יוצא 0.08 מ ג.
   2. באמצעות המאסה ופנים החומר הפעיל לבין יכולת ספציפית תיאורטי של חומצה טיטנית ליתיום²⁰, לקבוע את הזרם המתאים כדי לחייב את התא ב- C/16.
   3. מחזור האלקטרודה אסמכתא מספר פעמים בטווח המתאים מתח (1.25-2.25 V לעומת Li/Li⁺) ב C/16; טווח זה תשתנה בהתאם האלקטרודה הפניה בשימוש. שימו מתח מתח/הפניה הרמה, אשר צריך להתרחש במהלך ההטענה והן מתרוקנת תהליכים.
      הערה: עבור₅O Ti אלקטרודה₁₂ Li₄ערך זה הוא בדרך כלל בסביבות 1.56 V לעומת Li/Li⁺.
   4. שיא המתח הפניה לבין התא המתאים שאליו הוא משויך. להשתמש המתח מאוחר יותר כדי לכייל את הפוטנציאל של האלקטרודות בעת שימוש בתא עבודה.
   5. לנוח התא עבור 24 שעות ונטר האלקטרודה הפניה פוטנציאליים יציב.
   6. להעביר את התא lithiated לתוך הסביבה ארגון אינרטי לשימוש בבנייה תא עבודה. הימנע מכל מגע אפשרי בין האלקטרודה הפניה לבין הכיפה או מקרה תא; זה יכול לקצר האלקטרודה הפניה, לשנות את הפוטנציאל.

4. בנייה של עובד תא

1. המקום המקרה תא מטבע בפנים קטן לשקול את הסירה. מקם את הדיסק קטודית במרכז של המקרה תא. במקום מספר טיפות של האלקטרוליט דצמ על הקתודה, מספר טיפות סביב הקצוות כדי למלא את הפער מבחוץ.
2. במקום אחד 1.905-ס"מ (3/4-ב) מפריד על גבי האלקטרודה. ודא המפריד wetted לגמרי, כי ישנם אין בועות לכוד מתחת. מקם את האטם עם השפה קטן על הכיפה תא כלפי מעלה. לחץ בחוזקה כדי להתאים כראוי את האטם לתוך התיק. להפריש את מכלול התא מטבע ואתר את התא lithiated הכנה.
3. מיצוי של האלקטרודה הפניה lithiated
   1. כיכר קטנה של איזולירבנד חלות על החלק העליון של התא lithiated הכנה. פעולה זו מסייעת למנוע לקצר בין התיק לבין שווי במהלך פירוק.
   2. החזק את התא הכנה בחוזקה עם הצד הכובע פונה כלפי מעלה, באמצעות הצבת חרטום דק. יש להיזהר לא קצר את התא עם המלקחיים מתכת. השתמש הקצה-מגזריים כדי בקפידה, אבל ביציבות, לפתוח את התא מטבע לאורך הקצה. הקפידו לא קצר העליון והתחתון של התא עם המלקחיים מתכת.
   3. לאחר כ- 70% של התא יש כבר לחטט פתוח, להחזיק את התיק עם המלקחיים חיתוך קצה בקפידה להפריד בין המקרה תא, קאפ בעזרת המלקחיים חרטום דק. בזהירות לחלץ האלקטרודה הפניה lithiated. למחוק את הרכיבים האחרים של התא.
4. באמצעות פינצטה, לישר את החוט אלקטרודה הפניה בצורת ספירלה וליישר. לכופף את החוט מחדש כך הטיפ יושב במרכז של האלקטרודה, החוט מרחיב מעבר לקצה של התא. . חתוך את החוט החשוף, uninsulated.
5. הוסף מספר טיפות של אלקטרוליט סביב האלקטרודה הפניה. הצב מפריד קטן, מרובע למעלה איפה הכבל חוצה את התיק אטם ותא. זה עוזר למנוע לקצר בין החוט ואת פקקי מתכת.
6. מקום אחד 1.58-ס"מ (5/8-ב) מפריד על גבי האלקטרודה הפניה; פעולה זו מסייעת למנוע לקצר בין האלקטרודה הפניה האנודה. הצב את הדיסק אנודת מוכן על גבי האלקטרודה הפניה בתא. לטפל כדי ליישר כהלכה את הצורה של הקתודה בזה של האנודה.
   הערה: קצה האלקטרודה ההתייחסות צריכה להיות במרכז, הכבל צריך יציאה ב הפער מלבני.
7. מניחים בזהירות את מרווח מפלדת 1.0 מ מ על גבי האנודה. מקום המעיין גל על גבי מרווח. ודא כי כל הרכיבים מרוכזים בתא. למלא את התא עד הקצה, לזכותו אלקטרוליט.
8. באמצעות פינצטה פלסטיק, בזהירות המקום הכיפה תא על ההרכבה. לחץ בחוזקה למטה להושיב את הכובע אל שפתו של האטם. מקפלים בזהירות את החוט הנותר מעל הכיפה תא לפני לחיצה. פעולה זו מונעת את החוט ניתוק בעת לחיצה.
9. להעביר בזהירות התא למכשיר מטבע תא crimping באמצעות זוג מספריים פלסטיק. בעת העברת התא, לשמור את זה שטוח כדי להימנע מאובדן אלקטרוליט נוספים. Crimp לתא כ 5 MPa (750 psi).
10. הסר את התא מטבע בתא הכפפות ארגון. בזהירות לנקות את התא באמצעות אלכוהול איזופרופיל קידמית של פעילות נטולת מוך.
11. איטום תא
    1. יבש בזהירות את התא מטבע באמצעות מגב נטולת פעילות. תשמרי תוספת לייבש את המיקום שבו החוט יוצא התא מטבע.
    2. לערבב בחלקים שווים שרף במינראליים לטופס של אפוקסי הלא מוליך. בזהירות בעזרת קיסם, להחיל כמות קטנה של אפוקסי אל המיקום שבו החוט יוצא התא מטבע. . זה המיקום שבו התא קרוב לוודאי לדלוף.
    3. לאפשר 1h לציון אפוקסי להתייבש לפני חיבור התא מטבע לכל ציוד בדיקה.
       הערה: זה יכול לקחת עד 24 שעות עבור האפוקסי לרפא באופן מלא להקשיח. המטרה אפוקסי כאן זאת, לאטום את התא, ולא לספק את חוזק מכני כלשהו.

5. בדיקות אלקטרוכימי

1. ביצועים ורכיבה
   1. לחשב את היכולת התיאורטית קטודית והן אנודת אלקטרודות.
      1. באמצעות המשקל היבש הכולל של הדיסק אלקטרודה, המסה של המצע אלומיניום/נחושת, ואת משקל אחוז החומר הפעיל, לקבוע את המסה של החומר הפעיל הנוכחי עבור כל אלקטרודה.
      2. לקבוע את הקיבולת של כל אלקטרודה על-ידי הכפלת המסה של החומר הפעיל יכולתו תיאורטי בהתאמה. באמצעות קיבולת אלקטרודה המגביל ביותר (בדרך כלל הקתודה), לקבוע את הקיבולת הכוללת של תא.
   2. ןקתהל בתא אלקטרוכימי מדידה, מטפל בחיבור של כוח חיובי, חיישן חיובי הקתודה ואת כוח שלילי חיישן אל האנודה. לחבר את ההפניה אל האלקטרודה הפניה באמצעות חוט הנחושת (ראה איור 6b).
   3. בדוק היטב כי התא מחובר ופועל כראוי על-ידי בדיקת מתח במעגל פתוח של פוטנציאל. להשתמש את המתח הפניה שנרשם במהלך ההליך lithiation כדי לכייל קטודית, אנודת המקראות פוטנציאליים.
   4. מחזור התא מלא בקצב הרצוי C-, לדוגמה C/10, ולמדוד את פוטנציאל התא קטודית, אנודת מלא בו זמנית. חזור על שלבים 5.1.1 - 5.1.4 עבור תאים אחרים, C-המחירים לפי הצורך, בהתאם למפרטים ודרישות עבור כל תא.
2. עכבה אלקטרוכימי ספקטרוסקופיה
   1. התא מלא עכבה
      1. ןקתהל התא EIS מדידה. להשתמש בתצורה הבאה: העוצמה חיובית ואת חיישן חיובי הקתודה, כוח שלילי, שלילי חיישן אל האנודה.
         הערה: החיישן הפניה אמור להיות מחובר האנודה. האלקטרודה ההפניה צריכה להישאר מנותקים.
      2. בחר את הפקד potentiostatic עבור EIS עם משרעת של 10 mV. בחר טווח תדר של 1 מגה-הרץ ל 1 מגה-הרץ. לאסוף את אימפדנס של התא מלא. מגרש נייקוויסט עלילה בודה לנתח את התגובה של התא.
         הערה: טווח תדר לא תמיד ייתכן שתידרש, שניתן לשנותם לאחר איסוף תוצאות ראשוניות.
   2. קטודה עכבה
      1. ןקתהל התא EIS מדידה עם הבאים: כוח חיובי חיישן חיובי הקתודה, כוח שלילי, שלילי חיישן אל האנודה ואת החיישן הפניה אל האלקטרודה הפניה באמצעות חוט הנחושת.
      2. חזור על השלבים באותו באשר עכבה התא מלא (שלבים 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
   3. אנודת עכבה
      1. ןקתהל התא EIS מדידה עם הבאות: הכוח חיובית, חיישן חיובית אל האנודה, כוח שלילי שלילי חיישן הקתודה, החיישן הפניה אל האלקטרודה הפניה באמצעות חוט הנחושת.
      2. חזור על השלבים באותו באשר עכבה התא מלא (שלבים 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
   4. עכבה כפונקציה של המדינה תשלום
      1. ןקתהל התא EIS מדידה לפי המידה הרצויה עכבה: התא מלא, קטודית או אנודת. השתמש בשלבים 5.2.1.1, 5.2.2.1 או 5.2.3.1, בהתאמה, עבור החיבור המתאים.
      2. גובה התא באמצעות קבוע הנוכחי-C/2 עד התא מגיע לקצה גבול מתח עליון. להחזיק את המתח על הגבול העליון באמצעות שיטה בקרת מתח קבוע עד הטיפות הנוכחי יישומית מתחת C/100. התא צריך עכשיו להיות טעונה במלואה.
      3. הפרשות התא ב- C/2 עבור 3 דקות; התא צריך להיות עכשיו ב- 90% מספר הביטוח הלאומי אפשר התא לנוח לשעה כדי להגיע אלקטרוכימי ותרמי שיווי משקל התנאים.
      4. לאסוף את עכבה באמצעות ההליך אותו הציג בשלבים 5.2.1.2 - 5.2.1.3. חזור על שלבים 5.2.4.3 ו- 5.2.4.4 כדי לאסוף את עכבה כפונקציה של מספר הביטוח הלאומי

תוצאות

איור 7ניתן לראות תוצאות טיפוסי המתח ופרופילים פוטנציאליים עבור התא 3-אלקטרודה. התקנה אידיאלי, מתח התא מלא צריך להיות זהה לזה המופק תא 2-אלקטרודה באמצעות אלקטרודה אותו בני הזוג. זה שיטה אחת לקביעת אם החדרת האלקטרודה התייחסות משנה את הביצועים של התא. אם יש הבדל משמעותי בין הביצועים התא מלא 2 - ו 3-אלקטרודה (עבור עבודה זהה ואלקטרודות מונה), ואז ניתן להניח, כי החדרת האלקטרודה התייחסות משנה את אופן הפעולה של התא, קיבלנו את התוצאות כבר לא משמעותי.

דיון

תא לחץ לחיצה ממלא תפקיד חשוב שיעור ההצלחה של הכנה והן תאים עבודה. אם התא הוא מסולסל, בלחץ גבוה מדי (> 800 psi), האלקטרודה הפניה יכול להפוך קיצרה עם הכיפה תא בשל ההתייחסות חוט מיקום שביניהם את הכובע, את האטם. שים לב הכבל מעבר ממשק זה הוא דרישה כדי ליצור חיבור בין האלקטרודה הפניה לקרוא למכשיר מדידה חיצוניים. אם הלחץ תא נמוכה מדי (< 700 psi), התא יכול יש לי בעיות עם הידוק לא שלם אשר עלולה לגרום לדליפת אלקטרוליט, אוויר חדירה לאחר התא יוסר מן הסביבה ארגון אינרטי. נמצא בסביבות 750 psi זה הלחץ האופטימלי להידוק התא כדי למנוע בעי...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
מרגמה ועלי אגת	VWR	89037-492	5 בקוטר
סט	למות Mayhew	66000
מכבש מעבדה	MTI	YLJ-12
בקנה מידה אנליטי	Ohaus	Adventurer AX
מכשיר ערבוב גזירה גבוהה	IKA	3645000
תא כפפות מלא ארגון	MBraun	LABstar
מלחץ הידראולי	MTI	MSK-110
סוללה Cycler	Arbin Instruments	BT2000
Potentiostat/Galvanostat/EIS	Bio-Logic	VMP3
תנור ומשאבה ואקום	MTI-Copper
Wire	רמינגטון	PN155	32 AWG
כדורי זכוכית	McMasterr-Carr	8996K25	6 מ"מ כדורי זכוכית בורוסיליקט
צינור ערבוב	IKA	3703000	20 מ"ל
מפריד Celgard 2500	MTI	EQ-bsf-0025-60C	25 μ עובי מ '; פוליפרופילן
נירוסטה CR2032 ערכת תא מטבע	חומרי		ערכת תא מטבע כוללת: מארז, כובע, אטם PP
נירוסטה מרווח	חומרי		15.5 מ"מ קוטר וזמנים; 0.5 מ"מ עובי
נירוסטה גל קפיץ	טרף חומרים		15.0 מ"מ קוטר וזמנים; 1.4 מ"מ
גובה סוללת ליתיום אנודה - גרפיט	MTI	bc-cf-241-ss-005	רדיד Cu צד יחיד מצופה בגרפיט CMS (אורך 241 מ"מ x רוחב 200 מ"מ x 50μ m עובי)
קתודה סוללת ליתיום-יון - LiCoO2	MTI	bc-af-241co-ss-55	רדיד Al צד יחיד מצופה LiCoO2 (אורך 241 מ"מ x רוחב 200 מ"מ x 55μ m עובי)
פוליווינילידן דיפלואוריד (PVDF)	Kynar	Flex 2801
N-Methyl-2-Pyrrolidinone נטול מים (NMP), 99.5%	Sigma Aldrich	328634
CNERGY Super C-65	Timcal
Electrolyte (1.0 m LiPF6 in EC/DEC, 1:1 by vol.)	BASF	50316366
ליתיום טיטנאט (Li4Ti5O12)	Sigma Aldrich	702277
KS6 גרפיט סינתטי	Timcal
ליתיום מתכת סרט	Sigma Aldrich	320080	0.75 מ"מ עובי
אפוקסי רב תכליתי	לוקטיט
סרט חשמל	סקוטש 3M Super 88
איזופרופיל אלכוהול (IPA), מגיב ACS, ≥ 99.5%	סיגמא אולדריץ'	190764