In Situ litiati riferimento elettrodo: Elettrodo quattro Design per spettroscopia di impedenza nel operando

La domanda di batterie agli ioni di litio più performanti sta guidando la ricerca verso la comprensione dei fattori che causano il degrado. Il metodo qui descritto può misurare con precisione il comportamento dei singoli componenti della batteria. La ricchezza di informazioni fornite da questa tecnica amplifica la portata dell'analisi diagnostica nelle batterie agli ioni di litio e fornisce un prezioso input per l'ottimizzazione dei singoli componenti delle celle.

Per iniziare, procurati una dima larga quattro centimetri e lunga sette centimetri realizzata con un filo di rame spesso due millimetri. Con anelli piatti per stabilizzare il jig a un'estremità e una maniglia all'altra estremità. Quindi, versare circa 23 millilitri di soluzione di strippaggio di grado industriale in un becher in acciaio inossidabile di 7,6 centimetri di diametro per ottenere una profondità della soluzione di circa cinque millimetri.

Immergere una termocoppia nella soluzione, tenendo la punta lontana dal fondo del becher. Iniziare a scaldare il bicchiere su una piastra calda a 85 gradi Celsius. Mentre la soluzione si riscalda, avvolgere con cautela 60 centimetri di filo di rame stagnato rivestito in poliuretano da 25,4 micron nel senso della lunghezza attorno alla maschera.

Fissare delicatamente le estremità del filo alle maniglie. Una volta che la soluzione raggiunge gli 85 gradi Celsius, spegni il fuoco e posiziona la maschera verticalmente nella soluzione per immergere un lato del filo avvolto. Lasciare la maschera nella soluzione per 15 secondi, quindi sciacquare il filo e la maschera in acqua deionizzata per 15 secondi.

Ispezionare il filo per verificare la presenza di stagno esposto, che apparirà come un materiale bianco argenteo. Ripetere l'immersione nella soluzione di strippaggio e risciacquare fino a quando un lato del filo avvolto non è stato completamente spelato fino allo strato di stagno. Fare attenzione a non incidere la latta placcata.

Quindi, sciacquare la maschera e il filo in acqua deionizzata e lasciarli asciugare all'aria a temperatura ambiente. Una volta asciutto, tagliare il filo al centro di ogni area spelata per ottenere fili lunghi circa 10 centimetri con estremità stagnate esposte. Per iniziare a preparare un filo di riferimento, tagliare circa 10 centimetri di filo del circuito elettrico isolato largo due millimetri

Spellare circa due centimetri di isolamento da ciascuna estremità del filo. Quindi, appoggiare delicatamente un'estremità spelata di un filo di rame stagnato sul filo elettrico spelato. Saldare la giunzione per formare un contatto elettrico tra i fili.

Verificare che la resistenza attraverso l'elettrodo di riferimento in stagno appena formato sia compresa tra sei e otto ohm. Assemblare un secondo elettrodo di riferimento con un'estremità di rame esposta allo stesso modo e portare i fili in una scatola a guanti piena di argon. Quindi, taglia un pezzo di litio metallico spesso 200 micron non più grande di cinque millimetri per cinque millimetri e posizionalo su una piattaforma in PTFE.

Utilizzare un rullo ricoperto di nastro polimerico per appiattire il metallo a 25 micron di spessore. Quindi, piega il metallo a forma di U e posiziona la punta esposta del filo di rame nella piega. Premere con cautela il litio attorno al filo per incapsulare completamente il rame esposto.

Questo sarà l'elettrodo di riferimento al litio metallico. Posizionare un anodo in un dispositivo a celle al litio in modo che il centro dell'elettrodo sia leggermente sfalsato rispetto al centro del dispositivo. Posizionare un separatore isolante costituito da un triplo strato di polietilene e polipropilene sull'anodo.

Utilizzare una spazzata in PTFE per rimuovere delicatamente le bolle d'aria intrappolate tra l'anodo e il separatore. Assicurarsi che il separatore sia saldamente inserito nell'apparecchio. Quindi, applicare una goccia di 10 microlitri di elettrolita sul separatore a due millimetri dal bordo dell'anodo.

Applicare una seconda goccia al centro dell'anodo. Posizionare la punta stagnata esposta dell'elettrodo di riferimento in stagno nella goccia al centro dell'anodo. Posizionare la punta dell'elettrodo di riferimento al litio nella goccia a due millimetri di distanza dall'anodo.

Applicare un'altra goccia da 10 microlitri di elettrolita sulla punta incapsulata al litio e rimuovere le bolle d'aria tra il litio metallico e il separatore con la spazzata. Quindi, applicare 400 microlitri di elettrolita sul separatore. Posizionare un secondo separatore sul gruppo in modo che i fili dell'elettrodo di riferimento siano inseriti tra i separatori.

Per evitare di applicare una tensione eccessiva ai fili, lasciare un po' di gioco nei fili tra i separatori. Rimuovere le bolle d'aria tra i separatori con lo spazzatore. Quindi, bagnare un catodo con 400 microlitri della soluzione elettrolitica.

Posizionare il catodo sul separatore superiore allineato con l'anodo. Posizionare con cautela un distanziatore in acciaio inossidabile sul catodo senza disturbare l'allineamento della pila di celle. Mettere due molle ondulate in acciaio inossidabile sul distanziatore per adattarsi alle variazioni di volume delle celle e all'accumulo di pressione, quindi chiudere l'apparecchiatura.

Collegare il catodo e l'anodo della cella della batteria ai terminali del ciclatore della batteria corrispondenti. Collegare l'elettrodo di riferimento al litio al terminale ausiliario. Generare profili di tensione per ciascun elettrodo rispetto alla coppia di litio.

Applicare una corrente costante di cinque microampere per sei ore tra il catodo e l'elettrodo di riferimento dello stagno con un taglio di tensione superiore di quattro volt per litiare elettrochimicamente lo stagno. Al termine, scollegare la cella dai terminali del ciclatore della batteria e lasciare che il filo litiato si equilibri per due ore. Per confermare l'avvenuta litiazione, collegare l'elettrodo di riferimento al litio al terminale ausiliario e l'elettrodo di stagno litiato al terminale negativo.

La differenza di potenziale tra loro dovrebbe essere vicina a zero volt. Per ottenere spettri per l'intera cella, in primo luogo, collegare i terminali di tensione e corrente negativi di uno stato di potentia all'anodo e i terminali positivi al catodo. Ciclica la coppia elettrochimica su una piccola ampiezza di tensione inferiore a cinque millivolt utilizzando corrente alternata o frequenze variabili, con la risposta di impedenza tracciata come componente immaginaria rispetto al componente reale.

Quindi, commutare i terminali di tensione e corrente negativi dall'anodo all'elettrodo in lega di litio con punta e acquisire uno spettro del catodo rispetto all'elettrodo in lega di litio-stagno. Infine, collegare i terminali di tensione e corrente negativi all'anodo e i terminali positivi all'elettrodo in lega di litio-stagno. Sono stati ottenuti profili di tensione dell'intera cella e di ciascun elettrodo rispetto alla coppia di litio.

L'aumento del potenziale dell'elettrodo positivo durante la carica indicava la delitiazione. E il potenziale decrescente dell'elettrodo negativo indicava corrispondentemente la litiazione. La spettroscopia di impedenza elettrochimica ha mostrato un aumento significativo dell'impedenza dell'elettrodo positivo rispetto all'elettrodo di riferimento in stagno litiato dopo che la batteria era stata ciclata 100 volte, ma un aumento minimo dell'impedenza dell'elettrodo negativo.

Ciò implicava che l'aumento complessivo dell'impedenza era prevalentemente guidato dall'aumento dell'impedenza positiva. I cicli in condizioni di tensione estreme aumentano le possibilità di placcatura del litio sull'elettrodo negativo, causando intensi problemi di sicurezza. Sono in corso ulteriori esperimenti per comprendere la presenza di placcatura del litio sviluppando protocolli per sondare l'inizio della deposizione di litio.

Questo approccio può essere utilizzato per ottenere informazioni privilegiate sul comportamento degli elettrodi durante l'invecchiamento di una batteria. Allineare il filo di stagno con metalli come sodio o magnesio può ampliare l'applicazione di questa tecnica alle batterie di nuova generazione.