פרוטוקול של מבחן אלקטרוכימי אפיון Aprotic Li-O
12 ביולי 2016
פרוטוקול לבדיקה אלקטרוכימית של סוללת Li-O2 אפרוטית עם הכנת אלקטרודות ואלקטרוליטים ומבוא לשיטות האפיון הנפוצות מוצג כאן.
המטרה הכללית של הליך זה היא להדגים סידור שיטתי ויעיל של בדיקות שגרה עבור סוללת ליתיום-חמצן אפרוטית, כולל בדיקה אלקטרוכימית ואפיון של חומרי הסוללה. פרוטוקול זה כולל את חקר המנגנון של סוללת ליתיום-חמצן אפרוטית, ופיתוח של חומרי סוללה, כגון חומרים פעילים או אלקטרו-קטליזטורים, קתודיות, אלקטרוליטים אפרוטיים וחומרי אנודה. היתרון העיקרי של פרוטוקול זה הוא שהוא כולל רכיבים שיכולים להשפיע על תגובות אלקטרוכימיות בסוללת ליתיום-חמצן, כגון חנקן, פחמן דו-חמצני ולחות מהאטמוספירה.
התהליך מפחית גם תוצרי לוואי כגון ליתיום הידרוקסיד וליתיום פחמתי. כדי להתחיל בפרוצדורה זו, ערבבו חומר קתודה שהוכן מראש ופוליבינילידן פלוריד, או PVDF, ביחס משקלי של ארבעה לאחד. הוסיפו MP בכמות של כמעט פי שלושה ממשקל התערובת.
ערבבו את התערובת עד לקבלת תמיסה בעלת מרקם אחיד. מרחו את התמיסה בעובי של כ-100 micrometers על נייר פחמן באמצעות doctor blade. לאחר מכן, ייבשו את הלמינציה במהלך הלילה בתנור ואקום בטמפרטורה של 100 degrees Celsius.
ביום למחרת, חלצו דיסקים מהלמינציה באמצעות מחורר ניירות ושקלו אותם. להכנת אלקטרוליט אפרוטי, ייבשו lithium triflate למשך לילה בתנור ואקום ב-100 °C. בתוך תא כפפות מלא בארגון, הכינו תמיסה בריכוז 1 mole per liter של ה-lithium triflate המיובש בתוך tetraethylene glycol dimethyl ether.
ערבבו את התמיסה באמצעות בוחש מגנטי עד להמסת המלח. להכנת האנודה, החתיכו שבבי ליתיום לעיגולים באמצעות מחורר ניירות. הרכיבו את תא ה-Swagelok כפי שמוצג כאן.
הדקו את קצה האנודה ושחררו את קצה הקתודה. לאחר מכן, הניחו אחת מדיסקי הליתיום על גבי מוט הפלדה הנירוסטה של קצה האנודה. הניחו מפריד מסיב זכוכית על גבי אנודת מתכת הליתיום.
הוסיפו חמש עד שבע טיפות של אלקטרוליט כדי להרטיב לחלוטין את המפריד העשוי מסיבי זכוכית. לאחר מכן, לחצו בעדינות על המפריד כדי להוציא בועות. לאחר פעולה זו, הניחו פיסת קתודה בחלקו העליון של המפריד הרטוב, כאשר החומר הפעיל פונה לעבר האנודה.
כסו את הקתודה בחתיכת רשת אלומיניום. לחצו את השכבות באמצעות צינור האלומיניום, והדקו את קצה הקתודה. אטמו את תא ה-Swagelok כולו בתוך תא זכוכית וקבעו את התא בעזרת תפס.
לאחר הוצאת התא מתיבת הכפפות, חברו את תא הזכוכית למיכל חמצן ברמת טוהר גבוהה במיוחד. רחצו את התא בזרימה רציפה של חמצן בלחץ של אטמוספירה אחת למשך 30 דקות. בשלב זה, ודאו שהתרמוסטט מכוון ל-25 °C.
הניחו את התא ואת האלקטרודות בתוך התרמוסטט וקבעו אותם, ולאחר מכן חברו את הקתודה ואת האנודה לתא הזכוכית באמצעות התפסים האלקטרוניים המתאימים. כעת, פתחו את תוכנת ההפעלה של מערכת בדיקת הסוללה ובחרו את הערוץ המחובר באמצעות הכבל. הגדירו את מתח הפסקת הפריקה (Discharge Cutoff Voltage) ל-2.2 volts עבור בדיקת הפריקה.
הגדירו את זמן שלב הפריקה והטעינה (Discharge Charge Step Time) ל-10 שעות עבור בדיקת המחזוריות בשליטה על הקיבולת. לאחר מכן, הגדירו את מתח הפריקה המקסימלי (Discharge Cutoff Voltage) ל-2.2 volts, ואת מתח הטעינה המקסימלי (Charge Cutoff Voltage) ל-4.5 volts עבור בדיקת המחזוריות בשליטה על המתח. לאחר מכן, הפעילו את הפרוצדורה על ידי לחיצה על כפתור ההפעלה בממשק התוכנה.
עם סיום ההרצה, פרקו את התא בתוך תא הכפפות. הניחו את האלקטרודות בבקבוקוני זכוכית לצורך אפיון נוסף. לאחר הוצאת שאר חלקי התא מתא הכפפות, הניחו את חלקי ה-Swagelok, את מוט הפלדה הנירוסטלית, את צינורות האלומינום ואת רשתות האלומינום בתוך כוס כימית המכילה מים דה-יונזיים.
לאחר מכן, נקו אותם באמצעות אולטרסוניקציה למשך 15 עד 30 דקות. לבסוף, ייבשו את חלקי התא ואת תא הזכוכית בתרמוסטט המכוון ל-60 עד 80 מעלות צלזיוס. תמונות SCM של אבקת הפחמן לפני ואחרי טעינת הזרז מדגימות את השמירה על מבנה פני השטח הנקבובי.
תמונות TEM מראות את ננו-חלקיקי האלקטרו-קטליזטור, המפוזרים באופן אחיד על תשת הכרבון, וננו-חלקיקים בעלי גבישיות טובה נראים בתמונת TEM ברזולוציה גבוהה. ספקטרומי XANES מראים כי ננו-חלקיקי האלקטרו-קטליזטור מחומצנים חלקית, עקב הכנת הקתודות באוויר. כאן מוצגים פרופילי מתח טיפוסיים למחזורי פריקה ופריקה-טעינה.
בתמונת ה-SCM של הקתודה הפרוקה, לתוצרים יש צורה טורואידית, שנחשבת למקובלת באופן רחב כמורפולוגיה העיקרית של פחמנת ליתיום בתא ליתיום-חמצן. שיאי פחמנת ליתיום ופחמן נצפו בתבנית ה-XRD של הקתודה הפרוקה, מה שמרמז שתגובות לוואי בתא מומעטו. ספקטראלי XPS מראים כי פחמנת ליתיום והידרוקסיד ליתיום נוצרים על פני השטח של הקתודה לאחר פריקה.
ליתיום פראוקסיד עובר חיזור, אך ליתיום הידרוקסיד נותר לאחר הטעינה. כמות מזערית של ליתיום סופראוקסיד מזוהה באמצעות ספקטרוסקופיית רמאן. אותות תנודה של הידרוקסיד וקרבוניל בספקטרי ה-FTIR מעידים על נוכחותו של אלקטרוליט אתרי, כמו גם מיני הידרוקסיד, קרבונט או קרבוניל אחרים, אשר נוצרים בתגובות לוואי.
ברגע שהטכניקה נשלטת, ניתן להרכיב סוג זה של תא תוך חמש דקות, במידה והדבר מבוצע כראוי. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום סוללות המתכת-אוויר לבחון את ביצועי הסוללה הן בבדיקות אלקטרו-כימיות והן בסיווג של חומרי סוללה. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לזכור לעבוד בתוך תא כפפות (glove box) מלא בארגון כדי למנוע תגובות לוואי ותוצרי לוואי.
לאחר צפייה בסרטון זה, תרכישו הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן לחקור סוללות ליתיום-חמצן באופן שיטתי ויעיל. זכרו כי עבודה עם מתכות אלקליות וממיסים אורגניים עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט באמצעי זהירות כגון הרכבת כפפות, עבודה בתא כפפות (glove box) ועבודה במנדף כימי בעת ביצוע הליך זה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מפרט גישה שיטתית לבדיקה אלקטרוכימית של סוללת ליתיום-חמצן אפרוטית. הוא כולל את הכנת האלקטרודות והאלקטרוליטים, וכן שיטות לאפיון של חומרי הסוללה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- אלקטרוכימיה
- טכנולוגיית סוללות
- מדע החומרים
רקע
- סוללות ליתיום-חמצן אפרוטיות מהוות מוקד לפתרונות אחסון אנרגיה.
- הבנת המנגנונים האלקטרוכימיים חיונית לשיפור ביצועי הסוללה.
- אפיון של חומרים מסייע באופטימיזציה של רכיבי הסוללה.
- גורמים סביבתיים עשויים להשפיע על תגובות אלקטרוכימיות.
מטרת המחקר
- להדגמה של פרוצדורת בדיקה סיסטמטית עבור סוללות ליתיום-חמצן א-פרוטיות.
- לאפיון ההשפעות של רכיבים שונים על ביצועי הסוללה.
- להפחתת תוצרי לוואי בתגובות האלקטרוכימיות.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- הכנת חומר הקתודה מעורבב עם PVDF.
- הוספת MP ביחס משקלי ספציפי.
- בדיקה אלקטרוכימית של הסוללה.
- אפיון של חומרי הסוללה והאינטראקציות ביניהם.
תוצאות עיקריות
- הדגמה של פרוטוקול בדיקה יעיל עבור חומרי סוללה.
- זיהוי ההשפעה של רכיבים סביבתיים על תגובות אלקטרוכימיות.
- הפחתה של היווצרות ליתיום הידרוקסיד וליתיום קרבונט.
- מתן תובנות לפיתוח של חומרי סוללה.
מסקנות
- הפרוטוקול מציע שיטה מהימנה לבדיקת סוללות ליתיום-חמצן.
- הבנת האינטראקציות בין החומרים היא המפתח לשיפור יעילות הסוללה.
- מחקרים עתידיים יכולים להתרחב על בסיס פרוטוקול זה למחקר מתקדם של סוללות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פרוטוקול זה מאפשר בדיקה אלקטרוכימית שיטתית ואפיון חומרים של סוללות Li-O2 אפרוטיות, התומכים בגילוי בשלבים מוקדמים של מערכות לאגירת אנרגיה. הוא מספק ביטחון חיזוי בביצועי הסוללה על ידי בידוד השפעות סביבתיות וצמצום היווצרות תוצרי לוואי. זרימת העבודה תומכת בתיקוף יעדים ובצמצום סיכונים מכניסטיים בקווי פיתוח של סוללות מהדור הבא.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: בוחן מסלולים תרמודינמיים וקינטיים של תגובות חיזור ופליטת חמצן כדי לאמת פעילות תפקודית של הקתודה.
- ערך תפעולי: מאפשר בדיקות הדירות תחת אטמוספרת O2 מבוקרת כדי לבודד השפעות של משתנים על הביצועים האלקטרוכימיים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר פרופילים כמותיים של מתח ונתוני קיבולת לצורך סריקה של פורמולציות של אלקטרוקטליזטורים ויציבות אלקטרוליטים.
- ערך תפעולי: מתקנן את הרכבת התאים מסוג Swagelok ואת פרמטרי הבדיקה להערכת חומרים בתפוקה גבוהה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפיין את תוצרי הפריקה והטעינה (למשל, Li2O2, LiOH) כדי להעריך את ההפיכות ואת דיכוי תגובות לוואי.
- ערך תפעולי: מספק תיקוף חומרי רב-מודאלי (SEM, TEM, XRD, XPS, FTIR, Raman) כדי לקשר בין המבנה לתפקוד.
שילוב תהליכי עבודה וקווי עיבוד
השיטה משתלבת בתזרימי עבודה של גילוי, החל מסנתזת חומרים ועד לסריקת ביצועים, ובכך מאפשרת אופטימיזציה איטרטיבית של רכיבי סוללות Li-O2.
- ביולוגיה של גילוי: לא רלוונטי; מתמקד במערכות חומרים אלקטרוכימיות ולא במטרות ביולוגיות.
- סריקה: תומכת במוכנות הבדיקה באמצעות מבחני מחזוריות סטנדרטיים וניתוח תוצרים להשוואה בין שילובים של קתודה/אלקטרוליט/אנודה.
- אנליטיקה: מספקת פלטים כמותיים (מתח, קיבולת, זיהוי תוצרים) המאפשרים הערכה השוואית של שינויים בחומרים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין אפיון החומרים לתוצאות הביצועים, ובכך תומך בקידום מותאם-סיכונים של פורמולציות מבטיחות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה לשימוש חוזר להערכת חומרים עבור סוללות Li-O2 לאורך מספר מחזורי תכנון.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי בהתנהגות אלקטרוכימית באמצעות בדיקות מבוקרות וניתוח מוצרים מקיף.
- ערך תפעולי: הרכבת תא, בדיקות ואפיון לאחר תגובה (post-mortem) בשיטה סטנדרטית מבטיחים הדירות בין מעבדות.
- ערך אסטרטגי: הפחתת הסיכון לכשל בשלבים מאוחרים על ידי זיהוי תגובות טפיליות ומתווכים לא יציבים בשלבי פיתוח מוקדמים.
- השפעה על פורטפוליו המוצרים: מאפשר קבלת החלטות מבוססת נתונים (go/no-go) לגבי פורמולציות של אלקטרוליטים וציפויים של אלקטרוקטליזטורים בהתבסס על דיכוי תוצרי לוואי.
שיקולי יישום
- מומחיות באלקטרוכימיה, הרכבת סוללות וטיפול באטמוספירה אינרטית (טכניקות של תא כפפות).
- מכשור למחזורי אלקטרוכימיה (מערכת לבדיקת סוללות) ואפיון חומרים (SEM, TEM, XRD, XPS, FTIR, Raman).
- סטנדרטיזציה של פרוטוקולים להכנת אלקטרוליט, ייצור אלקטרודות וניקוי O2 בין צוותים שונים.
- שיקולי התאמה עבור מצעי קתודה, זרזים ומערכות אלקטרוליט שונות תוך שמירה על טוהר ה-O2.
- מגבלות מעשיות כוללות רגישות לחדירת לחות, CO2 ו-N2, שעלולים ליצור תוצרי לוואי מבלבלים.
