3 電極コイン セル準備およびリチウム イオン電池用電着分析

サマリー

3 電極セルのリチウム イオン電池の電気化学の勉強に役に立ちます。このような電気化学的セットアップにより、陰極と陽極を分離して個別に検索に関連付けられている現象です。リチウムの分析をめっきに重点を置いて建設とコインの 3 電極の使用のためのガイドを紹介します。

要約

リチウム イオン電池など電気・ ハイブリッド車の劣化とそれに続く安全上の問題を監視することがますます重要になります。 高エネルギーおよび電源アプリケーションで使用を見つけます。リチウム イオン電池セットアップで正と負の端子間電圧測定では結合した陰極と陽極の効果と合計すると合計セル特性本質的に含まれています。したがって、電極は根本的に結合されているために、関連付けられている特定の電極劣化の側面を監視する機能はきわめて困難です。3 電極のセットアップでは、この問題を克服することができます。3 番目の (参照) 電極を導入し、各電極の影響を分離することができますと電気化学的性質を個別に測定できます。参照電極 (RE) は、たとえば既知の参照に対して校正することができます安定的ポテンシャル、リチウム金属が必要です。3 電極セルは、サイクリング、サイクリックボルタンメトリー、電気化学インピー ダンス分光法 (EIS) などの電気化学的テストを実行する使用できます。3 電極セル EIS 測定は、個々 の電極インピー ダンスにおけるセルへの貢献を解明することができます。さらに、潜在的な陽極の監視による安全上の懸念を引き起こすことができるリチウムめっきの電析の検出をことができます。これは電気自動車向けリチウム イオン電池の高速充電のため特に重要です。監視、電気化学セルの安全及び劣化状況を特徴付けるために 3 電極のセットアップは、非常に貴重な証明できます。本稿は、2032 コイン アーキテクチャを簡単に生成する、信頼性とコスト効果の高い 3 電極コイン セル体制構築へのガイドを提供しています。

概要

リチウム電池の起源遡ることができる任意のところ過去、大規模な生産、今日の多くの実用化に一般的が見つかったリチウム イオン電池は、1980 年代に始めた。リチウム コバルト酸化物 (LiCoO₂) をされている 1 つの例は、この時期に開発された材料の多くはまだ一般的使用今日¹で発見されます。減らすかなどその他のコストを削減しより環境に優しい金属の代わりにコバルトの使用を排除に向けていくつか重視の様々 な他の金属酸化物構造の開発に向けて多くの現在の研究が注目されています。マンガンやニッケル²。リチウム イオン電池に使用される材料の絶えず変化する風景は、その性能と安全性の両方の特性の効果的かつ正確な方法を必要とします。バッテリの操作には、正と負の両方の電極の電気化学連成応答が含まれているため典型的な 2 つの電極の電池を下回る個別電極を特徴付けること。貧しい人々 の特性と理解の後続の欠如は、危険な状況や劣化現象の存在のためバッテリーの全体的なパフォーマンスの低下につながる可能性があります。前の研究は、典型的な 2 電極セル³の処理技術の標準化めざされてきた。スタンダード セル構成の欠点を改善する方法の 1 つは、3 電極セルです。

3 電極のセットアップは、2 つの電極の応答を分離し、バッテリ動作の基礎的物理学に大きい洞察力を提供する 1 つの方法です。3 電極セットアップ参照電極を陰極と陽極に加え導入します。この参照電極は、操作中に動的にアノードとカソードの電位を測定するために使用されます。参照電極から電流が渡されないし、それ故に、単数形と理想的な安定した電圧を提供します。3 電極のセットアップを使用してのセル電圧、カソード電位と陽極電位の操作中に同時に収集できます。潜在的な測定だけでなく電極のインピー ダンスの貢献はチャージ⁴の細胞状態の関数として特徴付けられます。

3 電極のセットアップは、リチウム イオン電池、リチウム金属、リチウムのめっきとしても知られている電着などの劣化現象を研究するため非常に便利です。他のグループは、3 電極設定^{5,6,7,8,9,10、11,12,}を提案している¹³が、彼らは頻繁に参照として本質的に不安定なリチウム金属を使用、カスタム、信頼性が低下につながる設定を集めることは難しいが含まれています。リチウムめっき起こるホスト電極構造に間をインターカ レート代わりに、リチウムは構造体の表面上に堆積します。これらの預金は一般的の (比較的) 均一な金属層 (メッキ) または小さい樹状構造形態を想定しています。めっきは、サイクリング パフォーマンスを阻害する安全性の問題の原因からさまざまな効果を持つことができます。現象学的視点からリチウムめっきはリチウムの効果的にホスト電極構造にインターカ レートすることができないのため発生します。めっきは、低温、高充電率、料金 (SOC) の高い電極状態や¹²これらの 3 つの要因の組み合わせで発生する傾向があります。低温アレニウス伝導率温度依存性のため、電極内部固相内拡散が減少します。電極-電解質界面でのリチウムの後続の成膜リチウムの蓄積の低い固相内拡散結果。充電率が高いで似たような現象が発生します。リチウム電極構造に非常に迅速にインターカ レートすることができない、このようにめっきです。高い SOC で平均構造にインターカ レートするリチウムの少ない使用可能な領域があるし、表面に有利になります。

リチウム樹状突起は、特に重要な安全上の問題を起こすためです。樹状突起形成細胞の中、それらが成長し、セパレーターを貫通、アノード ・ カソード間の内部ショートを引き起こす可能性があります。この内部のショートは、しばしば熱暴走ともセルの爆発の結果、可燃性電解質の温度が非常に高いローカライズ可能性があります。樹状突起形成に関連する別の問題は、反応性のリチウムの表面積増加です。新しく堆積したリチウムが電解液と反応し、容量損失とサイクリング パフォーマンスの低下につながる増加固体電解質 (SEI) 界面形成を引き起こします。

3 電極システムの設計に関連付けられている 1 つの問題は、適切な参照電極の選択です。立地と参照のサイズに関わる物流、肯定的、否定的な電極システムから正確な結果を取得するのに重要な役割を果たします。1 つの例は細胞構築と結果のエッジ効果の間に正と負の電極のずれが^14,15を読んで参照にエラーを紹介することができます。材料の選択の面で参照電極は安定性と信頼性の高い電圧を持っている、高い非分極があります。多くの研究グループで参照電極としてよく利用されるリチウム金属表面被膜に依存する可能性があります。クリーニングされるので、これは問題を作り出すことができる、高齢者リチウム電極表示異なる電位¹⁶。長期的な高齢化の影響を検討するとき、これは問題になります。Solchenbachらによる研究がリチウムとその参照¹¹としてそれを使用して合金金によってこれらの不安定性の問題のいくつかを排除しようとしています。他の研究が周り大きい電気潜在的な高原範囲を示し、実験的に検討されているが、チタン酸リチウムを含む異なった材料を見た 1.5 1.6 V¹⁷ (~ 50 %soc)。この高原は、特に担当の電極の状態に偶発的な摂動が発生した場合、潜在的で安定を維持するために役立ちます。カーボン系導電性添加剤を含む LTO の潜在的な安定性が異なる C レートと温度でも維持されます。¹⁸重要ですを強調する参照電極の選択 3 電極セル設計における重要なステップであります。

多くの研究グループは、実験 3 電極セルの設定を提案しています。Dolleらは、サイクリングと高温¹⁹ストレージによるインピー ダンスの変化を勉強するのにリチウム チタン酸銅ワイヤ電極で薄いプラスチック製の電池を使用しました。McTurkらは、リチウム メッキ銅線が非侵襲的挿入テクニック⁹の重要性を実証することを主な目標と商業ポーチ セルに挿入されたという手法を採用しました。Solchenbachらインピー ダンスと電位測定の変更されたスウェージ ロック タイプの T 細胞 (前述) 金マイクロ参照電極を使用しました。¹¹ヴァルトマンら商業細胞から電極を収穫し、リチウム析出¹²の研究に使用するため、自分の 3 電極ポーチ細胞を再構築します。Costardらは、異なる参照電極材料および構成¹³の有効性をテストするための社内実験 3 電極セル住宅を開発しました。

これらの研究グループのほとんどは、特に長期使用で安定性と SEI 成長懸念を持つことができます、参照として純粋なリチウム金属を使用します。その他の問題は、複雑で時間のかかる既存または商業設定修正を加えます。本稿で電気化学的テストの 3 電極リチウム コイン電池を構築するため信頼性が高く、コスト効果の高い手法である.、図 1に示すように、この 3 電極のセットアップは、標準的な硬貨の細胞成分、銅線、およびリチウム チタン酸ベースの参照電極 (図 2を参照) を使用して構築できます。このメソッドは、特別な機器や精巧な変更は必要ありません、商用ベンダーから標準スケール電気化学的検査および材料に続きます。

プロトコル

1. 参照電極とセパレーターの準備

1. 参照電極の作製
   1. ワイヤーを仕込み
      1. サイズ 32 AWG (0.202 mm 径) エナメル銅線の 1 つの 120 mm 長さにカットします。
         注: 各ワイヤ 1 参照電極になるし、1 の 3 電極セル内で使用されます。
      2. 研究所プレスでワイヤーの片方の端を置きます。約 4 MPa の圧力に一方の端に約 10 mm のワイヤーを軽く押してください。平坦化されたセクションは ~ 2 mm ワイヤ先端から余分なワイヤーをカットします。
         注: 先端の平均厚さは約 0.1 mm。 注意しないそれが平坦化された先端を曲げるに可能性があります疲労し、を断ちます。
      3. ポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) まな板の上には、ワイヤを配置します。慎重にメスを使用して、平坦なワイヤの先端に外断熱を削除します。両面から断熱材を削除することを確認します。最終製品は、露出した銅のフラットで光沢のあるセクションをする必要があります。
      4. 実験室スケールを使用してワイヤの重量を量る。
         注: 後、スラリーは、各参照電極に活物質の正確な量を決定するキャストされているこの固まりが使用されます。
      5. 手順 1.1.1.1 - 36 ワイヤの典型的なバッチ サイズの 1.1.1.5 を繰り返します。ストレージの受け皿に線を配置します。良いオプションは、小さなガラスの瓶の縁にワイヤーをテープことです。
   2. スラリーの調製
      1. N-メチル-2-ピロリジノン (NMP) で 10% 重量ポリフッ化ビニリデン (PVDF) ソリューションを準備します。
         1. 小さな長方形重量紙、ステンレス鋼スクープ、実験室規模で PVDF パウダー (0.1 g) の希望の質量を測定します。
         2. 500 mL のペットボトルに計量紙から PVDF 粉を転送します。測定し、研究室容量 1 mL ピペットを使用してボトルに NMP 液 (0.9 g) の適切な固まりを転送します。
         3. ソリューションに磁気撹拌棒を挿入します。磁気攪拌板にボトルを置き、無期限にミックスしておきます。最初に使用する前に、少なくとも 24 時間を混在させるソリューションを許可します。スラリー バッチごとに小さなバッチを作ることを避けるために一括で PVDF ソリューションを準備することをお勧めします。
      2. 任意のより多くの粉末を計量する前に任意の汚染を避けるためにイソプロピル アルコールをモルタル、乳棒、ステンレス鋼のスクープをきれい。
      3. リチウム チタン酸 (李₄Ti₅O₁₂) 粉末の適切な量 (0.8 g) を重量を量る紙を使用すると、実験室規模とステンレス鋼のスクープを測定します。慎重に粉末を乳鉢と乳棒に転送します。使用後はきれいにイソプロピル アルコールをスクープ。
      4. 同様に、KS 6 人造黒鉛と (0.09 g) 導電性添加剤の適切な量 (0.03 g) を重量を量る。慎重に同じの乳鉢と乳棒に粉を転送します。きれいに前に、としてイソプロピル アルコールをスクープ。
      5. 彼らが一様に分散するまで軽くモルタルで 3 つの粉末を混ぜます。混合物が均質になるまで乳棒を使用して、粉ミックスを挽きます。慎重に 20 mL 使い捨て混合管に粉ミックスを転送します。
         注: これはスラリー中のすべての材料の均一な分布を確実に高せん断混合容器として役立ちます。
      6. 研究室のピペットを使用して混合管に NMP (2.2 mL) の適切な量を追加します。16 直径 6 mm ケイ酸塩ガラス混合ボールを追加し、キャップのネジします。高せん断混合装置、ロックにチューブを置き、最大設定 (約 6000 rpm) で 15 分間スラリーをミックスにミキシング チューブを配置します。
      7. 混合管に (手順 1.1.2.1 準備) PVDF ソリューションの 0.8 グラムを追加します。バインダーの均一な配分を確保するための別の 5 分のスラリーを混合を続けます。すぐにワイヤーにスラリーをキャストします。スラリーは、5 分以上座っている場合、は、均質の混合物を確保するため、使用する前に、さらに 15 分のスラリーをミックスします。
   3. 鋳造および参照電極の乾燥
      1. 各参照電極の先端に、露出された銅を混合スラリーに手でディップします。また、ドロップ キャスト ネットワーク上にピペットからスラリー ヒントします。必ず銅線の平面的な露出のセクションのみをコートしてください。
      2. ベースにキャスト最後の乾燥のために中断と出演日時ワイヤを接続します。テープの任意の表面に濡れてスラリーとの接触を避けるためにホルダーを再キャスト (図 3を参照)。研究所オーブン 70 ° C で少なくとも 8 時間のための電極を乾燥します。
      3. 乾燥後参照電極質量を測定し、スラリー (0.1 mg 平均以上の 100 サンプル以上) の乾燥質量を推定します。
      4. 電池の製造工程で使用するため不活性アルゴン グローブ ボックスに参照電極を転送します。
2. 陰極と陽極の電極作製
   1. 勉強する目的の電極を選択します。
      注: これらのテスト用プレハブの電極シートはデモンストレーションのために使用されます。社内製電極または電極商業細胞から収穫を使用もできます。
   2. 中空 1.27 cm (1/2 インチの) パンチを用いた陰極材料の円板をパンチします。目的のテストによると、電極ディスク形状を機械的に変更できます (図 4参照)。電極の重量を量るし、活物質の割合を算出します。
   3. 負極材と必要な追加のセルの手順 1.2.1-1.2.2 を繰り返します。小さなガラスの瓶に各電極ディスクを配置し、慎重に彼らが細胞構築プロセス中に使用される場所不活性アルゴン グローブ ボックスにバイアルを転送します。
3. 区切り記号の準備
   1. 一枚の紙を折る (22.6 cm x 28 cm/8.5 の x 11 の) 半分に縦。約 25 cm × 8.5 cm ポリプロピレン (PP) の区切り文字の部分をカットし、軽く折られた用紙内に配置。
      注意: 紙提供いくつかの保護と剛性セパレーター手で殴られるがとき。
   2. 自己治癒のカッティング マットの上に紙と区切りのサンドイッチを配置します。これはしっかりした表面を提供し、中空のパンチの鈍りを防ぐのに役立ちます。3 電極セルごとに 1 つの円形の区切りディスクをパンチ パンチ中空 1.905 cm (3/4 インチ) を使用して、します。一括でセパレーターを準備し、後で使用できるガラスの瓶に保存します。
   3. さらに、約 5 × 8 mm; 区切り記号のいくつかの小さな正方形をカットします。これらの区切り文字の 1 つは、各セルに使用されます。これらの小さなガラスの瓶に保存します。細胞構築プロセスで使用するため不活性アルゴン グローブ ボックスに区切り記号のバイアルを転送します。

2. 準備セルの構築

1. らせん状に針金を曲げてにペンチのペアを使用して、参照電極を準備 (図 3bを参照)。最終的なスパイラル形状がコイン (約 1.58 センチメートル直径) のガスケット内部に合うことを確認してください。小さな重さのボートに各電極のスパイラルを置き、横に置きます。
   注: 余分な線式スパイラル提供安定性とも展開し、後で作業セルで使用します。
2. メスや剃刀の刃を使用してリチウム金属リボンの両側をクリーニングします。任意の表面酸化をこすり透けて見える光沢のあるリチウムまで。リチウムの両方の側面をきれいにすることを確認します。グローブ内の鋭いオブジェクトを使用するときは、細心の注意を取る。
3. 2 1.58 cm (5/8 インチ) ディスクの中空のパンチを使用して洗浄リチウム リボンの各セルにパンチアウトします。
4. 0.5 mm ステンレス鋼スペーサー部にリチウムの 1 つのディスクを配置します。スペーサーでリチウム金属を一緒にしっかりと押す通常、親指のプレスは十分でしょう。リチウム ディスクのスペーサーにスティックすることを確認します。
5. 場所小さな内側コイン電池ケース ボートの重量を量る。リチウム コイン電池ケース内の 2 番目のディスクに適合します。リチウムを中心としていることを確認、リチウムがケースの底にくっついているのでしっかりと押します。リチウム ディスクと外のギャップを埋めるためのリチウムのエッジの周りを数滴 [EC/12 月 (容積 1:1) 1.0 M LiPF₆ ] 電解液を数滴を配置します。
   注: が不足している電解質を追加すると場合があります区分線の下、これは望ましくないセルの中の気泡です。
6. 接液リチウム ディスク上に 1 つ PP の区切り (3/4 インチ) 1.905 cm を配置します。区切り記号は完全に濡れているその下に閉じ込められた気泡がないことを確認します。場所; 上向きガスケット リップの電池のガスケットこの唇は、キャップが装着場所です。ケースにガスケットに合わせてしっかりと押します。
7. ゆっくりプラスチック ピンセットのペアを使用して、セルの中央に参照電極スパイラルを配置します。参照電極電解液を数滴を追加します。ワイヤーがガスケットと電池ケースに渡る上に、小さい四角形の区切り記号を配置します。
   注: 区切り記号は、ワイヤと金属細胞キャップ間短絡を防ぐのに役立ちます。
8. 参照電極スパイラル上にセパレーター 1.58 cm (5/8 インチ) を配置します。必ず区切り記号は完全に接液と泡がないの下に閉じ込められています。リチウム コーティング面を下に向けて参照電極上にリチウム スペーサー ディスクを配置します。
9. ウェーブ スプリング、スペーサーの上に配置します。セル内のすべてのコンポーネントを集中していることを確認します。電解質とあふれんばかりのセルを入力します。ときにセルを圧着すると、余分な電解質は締め出されます。
10. プラスチック ピンセットを使用して、慎重にアセンブリ上にセルのキャップを配置します。ボタンを押してしっかりとパッキンのリップにキャップを取り付けます。それはキャップの上に水平に載せた状態など、参照電極ワイヤーを曲げます。これは、セルを圧着するときにワイヤーが短く刈っていないかどうかを確認することです (図 2を参照)。
11. 慎重にプラスチック製のピンセットを使用してコイン セル圧着装置にセルを転送します。輸送においては、セルを押しながら任意の追加の電解質の損失を避けるためにフラット。約 5 MPa (750 psi) にコインを圧着します。
12. クリンパからコインを削除し、セルの上部から離れてバックアップ露出されたワイヤーを曲げます。これは、任意の可能なキャップと参照電極間ショートを避けるためです。
13. アルゴン グローブ ボックスから完了したコインを削除します。細胞の外面を清掃慎重にイソプロピル アルコールと糸くずタスク ワイパーを使用する。ワイヤまたはワイヤーがセルを終了する場所を脅かさないよう注意してください。
14. 携帯シール
    1. 慎重に糸くずタスク ワイパーを使用して、コイン型電池を乾燥させます。乾燥したワイヤーがコインを終了位置に余分な世話をします。
    2. 等しい部品樹脂と非導べ電性エポキシを形成する硬化剤を混ぜます。ワイヤーがコインを終了する場所にエポキシの少量を適用慎重につまようじや小型プローブ デバイスを使用して。これは、セルのリークが発生する最も可能性の高い場所です。
    3. テスト機器は、コイン電池を接続する前に乾燥するエポキシの 1 h を許可します。完全に治すし、硬化するエポキシの 24 h までかかることが注意してください。
       注: エポキシの目的セルをシールすることです (図 5参照) と任意の機械的強度を提供すること。

3. リチオ化手順

1. 接続のセットアップ
   1. ハンドヘルドのライターを使用して、約 2 cm のセルから突き出ている参照電極ワイヤの端での断熱燃焼します。これは、ワイヤー、テストのデバイスに接続している場所です。テストの 3 電極セルを接続するとき、接続を改善するためにそれ自身で露出されたワイヤーを曲げます。
   2. コインケース セルの上部に電気テープ (2 cm × 2 cm) の小さな正方形を配置します。これは、コインの上部とコイン電池ホルダーの間の電気接触を防ぐ必要があります。電池ホルダーに準備セルを配置します。
      注: セルの上部に任意の接続から絶縁する必要があります、セルの下部は、電池ホルダーに否定的な読書に接続必要があります。
   3. ワニ口クリップを使用して、参照電極を電池ホルダー (肯定的な接続) の上のクリップに接続します。
      注: セルは、参照電極を正極と負極として下リチウム ディスク (携帯ケース) 演技テストを設定する必要があります。
2. 校正電圧
   1. 参照電極の現在アクティブな材料の量を計算します。
      注: の典型的な電極質量 0.1 mg と 80% アクティブな材料組成、これに出てくる 0.08 mg。
   2. アクティブ材料の質量とリチウム チタン酸²⁰の理論の特定の容量を使用して、C/16 でセルを充電する適切な電流を決定します。
   3. C/16; で (1.25 2.25 V対Li/李⁺) 適切な電圧範囲内で複数回参照電極をサイクルします。この範囲は、参照電極使用状況に応じて変化します。高原基準電圧/電圧は、充電および放電プロセス中に発生する必要がありますの注意してください。
      注: 李₄Ti₅O₁₂電極のこの値は通常約 1.56 V対Li/李⁺。
   4. 基準電圧とそれが関連付けられている対応するセルを記録します。この電圧を作業セルで使用するときの電極の電位を調整するのに後で使用します。
   5. 24 時間携帯し参照電極電位が安定したことを監視します。
   6. 作業セル建築用アルゴン不活性環境にリチウム電池を転送します。参照電極とキャップや電池ケースの間すべての可能な接触を避けるこれは参照電極をショート、その可能性を変更可能性があります。

4. セルの作業の建設

1. 場所小さな内側コイン電池ケース ボートの重量を量る。電池ケースの中心に陰極ディスクを配置します。陰極と外のギャップを埋めるためのエッジの周りを数滴 12 月電解液を数滴を配置します。
2. 電極上にセパレーター 1.905 cm (3/4 インチ) を配置します。必ず区切り記号は完全に接液と泡がないの下に閉じ込められています。上向き電池キャップの小さな唇のガスケットを配置します。ケースにガスケットを正しく収まるようにしっかりと押し込みます。脇にコイン電池アセンブリ、リチウム化準備セルを探します。
3. 前記参照電極の抽出
   1. 電気テープの小さな正方形を前記準備セルの上部に適用します。これにより、ケースとキャップの間の短絡を防止分解中に。
   2. キャップ面を薄く鼻ペンチを使用して、上向きと準備セルをしっかりと保持します。金属ペンチとセルをショートさせないように注意してください。エンド ニッパーを使用して、エッジに沿ってコインの慎重に、しかししっかりと、こじあけます。金属ペンチとセルの上下をショートさせないように注意してください。
   3. セル値の約 70% は開く pried されている、一度エンド カッター ケースを保持し慎重に別の電池ケース、薄い鼻ペンチを使用してキャップします。前記参照電極を慎重に抽出します。他の細胞成分を破棄します。
4. ペンチのペアを使用して、らせん状参照電極ワイヤをベンド解除およびまっすぐに。再先端の電極の中央に位置し、セルの端に伸びるワイヤーにワイヤーを曲げます。露出、非絶縁ワイヤーを切った。
5. 参照電極のあちこちには、電解液を数滴を追加します。ワイヤーがガスケットと携帯ケースを越える上に小さい、長方形の区切り記号を配置します。これは、ワイヤーと金属ケースとキャップの間の短絡を防ぐのに役立ちます。
6. 参照電極上にセパレーター (5/8 インチ) 1.58 cm を配置します。これは、参照電極と陽極の間短絡を防ぐのに役立ちます。セルに参照電極上に準備された陽極ディスクを置きます。陽極と陰極の形を正しく合わせに注意してください。
   注: 参照電極先端部中心にする必要があり、ワイヤーを長方形のギャップで終了する必要があります。
7. 慎重に陽極上に 1.0 mm のステンレス鋼スペーサーを配置します。ウェーブ スプリング、スペーサーの上に配置します。すべてのコンポーネントは、セルの中央に配置されていることを確認します。電解質とあふれんばかりのセルを入力します。
8. プラスチック ピンセットを使用して、慎重にアセンブリ上にセルのキャップを配置します。ガスケットの唇にキャップを座席にしっかりと下向きに押します。慎重に圧着する前にセルのキャップ上に戻って残りのワイヤーを隠します。これはワイヤーが圧着時に切断されていることを防ぎます。
9. 慎重にプラスチック製ピンセットのペアを使用して、コイン電池の圧着装置にセルを転送します。セルに転送するときは、それを保つその他の電解質の損失を避けるためにフラット。約 5 MPa (750 psi) のセルに圧着します。
10. アルゴン グローブ ボックスから、コイン型電池を取り外します。慎重にきれいにイソプロピル アルコールや糸くずタスク ワイパーを使用しているセル。
11. 携帯シール
    1. 慎重に糸くずタスク ワイパーを使用して、コイン型電池を乾燥させます。乾燥したワイヤーがコインを終了位置に余分な世話をします。
    2. 等しい部品樹脂と非導べ電性エポキシを形成する硬化剤を混ぜます。ワイヤーがコインを終了する場所にエポキシの少量を適用慎重につまようじを使用して。これは、セルのリークが発生する最も可能性の高い場所です。
    3. テスト機器は、コイン電池を接続する前に乾燥するエポキシの 1 h を許可します。
       注: 完全に治すし、硬化するエポキシの 24 h までかかることが。ただし、ここでのエポキシ樹脂の目的は、セルをシールし、機械的強度を提供することです。

5. 電気化学的試験

1. パフォーマンスとサイクリング
   1. 陰極と陽極の電極の理論容量を計算します。
      1. 電極ディスクの総乾燥重量を使用して、アルミニウム/銅基板の質量と活物質の重量の割合は、現在に、各電極活物質の質量を決定します。
      2. そのそれぞれの理論的な容量で活物質の質量を乗じて各電極の容量を決定します。最も制限の多い電極容量 (通常、カソード) を使用して、全体のセル容量を決定します。
   2. セルを世話をカソードと負電源とアノードにセンサーにプラスの力と肯定的なセンサーを接続すると電気化学測定装置に接続します。銅ワイヤを介して参照電極への参照を接続 (図 6bを参照)。
   3. セルが接続されていることを再確認、開回路電圧、電位チェックすると正しく動作します。リチオ化手順の中に記録された参照電圧を使用すると、陰極と陽極の潜在的な測定値を調整します。
   4. 希望 C-の速度で、たとえば C/10、セルを入れ、同時に完全な細胞、陰極と陽極のポテンシャルを測定します。5.1.1 - 5.1.4 他の細胞と C レートの仕様に応じて、必要に応じて、各セルのための要件の手順を繰り返します。
2. 電気化学インピー ダンス分光
   1. セルのインピー ダンス
      1. セルを EIS 測定デバイスに接続します。次の構成を使用: 肯定的な電源とカソード、負電源とアノードに否定的なセンサーに肯定的なセンサー。
         注: 参照センサーはアノードに接続する必要があります。参照電極は切断されたままする必要があります。
      2. 10 の振幅と EIS の電位コントロールを選択 mV。1 MHz から 1 mHz の周波数範囲を選択します。完全セルのインピー ダンスを収集します。ナイキスト線図、ボード線図のセルの応答を分析するをプロットします。
         注: 周波数範囲は常に必要ないと予備的な結果を収集した後で変更することができます。
   2. 陰極のインピー ダンス
      1. セルを次のように EIS 測定デバイスに接続: 肯定的な力と陰極、負電源とアノードに否定的なセンサーに肯定的なセンサーと銅ワイヤを介して参照電極への参照センサー。
      2. セルのインピー ダンス (ステップ 5.2.1.2 - 5.2.1.3) と同じ手順を繰り返します。
   3. 陽極のインピー ダンス
      1. セルを次のように EIS 測定デバイスに接続: 肯定的な力と陽極、負のパワーと、カソードに負のセンサーに肯定的なセンサーと銅ワイヤを介して参照電極センサーを参照。
      2. セルのインピー ダンス (ステップ 5.2.1.2 - 5.2.1.3) と同じ手順を繰り返します。
   4. 充電状態の関数としてのインピー ダンス
      1. セルを目的のインピー ダンス測定によると EIS 測定デバイスに接続: セル、カソード、アノードのいずれか。適切な接続, 5.2.1.1、5.2.2.1、または 5.2.3.1、手順を使用します。
      2. セル上部の電圧制限に達するまで、C/2 で定電流を使用しているセルを充電します。応用現在 C/100 下回ったまで定電圧制御方式を使用して上限の電圧を保持します。セルは、完全に充電する必要がありますは今。
      3. 3 分; C/2 でセルを放電します。セルは、今熱的・電気化学的平衡状態に到達するための SOC 許可 1 h の残りの部分にセル、90% でしょう。
      4. 5.2.1.3 5.2.1.2 - の手順で同じ手順を使用してインピー ダンスを収集します。5.2.4.3 と 5.2.4.4 SOC の機能としてインピー ダンスを収集する手順を繰り返します

結果

3 電極セルの潜在的なプロファイルおよび電圧の典型的な結果を図 7に見ることができます。理想的なセットアップ、セル電圧が同じ電極カップルを使用 2 電極から生産を同一である必要があります。参照電極の挿入が、電池の性能を変更するかどうかを決定する 1 つの方法です。(同じ作業とカウンター電極) のため 2、3 電極セル性能間に有意差がある場合、それといえます参照電極の挿入、セルの動作を変更し、結果がもはや意味があります。

充電プロセス中にリチウムは陰極から陽極電極に移動します。リチウム陰極微細構造から削除される、Li/李⁺についてその可能性が増加します。反対側は、構造はリチウムで満たされた継続的に陽極で発生します。放電時は、逆の状況が発生します。潜在的にこれらの変更は、図 7に見られる 3 電極の潜在的なプロファイ...

ディスカッション

圧着圧力セルは、準備と作業セルの両方の成功率の重要な役割を果たします。セルは高すぎる圧力で圧着かどうか (> 800 psi)、参照によるセルのキャップを参照電極が短絡することができますキャップおよびガスケット位置間を配線。このインターフェイスを渡るワイヤーが外部測定デバイスに読書参照電極を接続するための要件であることに注意してください。セル圧が低すぎる場合 (< 700 psi)、セルは電解液漏れを引き起こす可能性があります不完全な圧着の問題を持つことができます、セルの後空気の浸透はアルゴン不活性環境から削除されます。およそ 750 psi 圧着漏れまたは短絡の問題を避けるためにセルの最適な圧力であると分かった。参照線を短絡してこれらの問題を防ぐために追加の手段を提供するためには、建設プロセスの重要なステップは、ワイヤーがセルの境界を交差させるガスケットに沿って配置されている追加平方区切り文字です。この区切り記号は、内部短絡を防ぐために役立つ追加の絶縁層を提供します。さらに、わずかに異なる圧着圧力の準備と作業セルの必要があります。準備セルは、作業セルで使用されている金属箔の上にキャスト電極よりもかなり厚い、ディスク 2 つのリチウムを...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
瑪瑙の乳鉢と乳棒	VWR	89037-492	5直径
ダイセット	Mayhew	66000
実験室プレス	MTI	YLJ-12
分析スケール	Ohaus	アドベンチャーAX
高せん断混合装置	IKA	3645000
アルゴン充填グローブボックス	MBraun	LABstar
油圧クリンパー	MTI	MSK-110
バッテリー サイクラー	アービン インスツルメンツ	BT2000
ポテンショスタット/ガルバノスタット/EIS	バイオロジック	VMP3
真空オーブンおよびポンプ	MTI	-
銅線	レミントン	PN155	32 AWG
ガラス ボール	マクマスター-カー	8996K25	6 mmホウケイ酸ガラス球攪
拌チューブ	IKA	3703000	20 ml
Celgard 2500セパ	レーターMTI	EQ-bsf-0025-60C	25 μmの厚さ;ポリプロピレン
のステンレス鋼CR2032硬貨の電池のキット	Pred 材料		硬貨電池のキットは下記のものを含んでいます: 場合、帽子、PPのガスケット
ステンレス鋼のスペーサー	Pred材料		15.5 mmの直径 × 0.5 mmの厚さ
ステンレス鋼の波のばね	Pred 材料		15.0 mmの直径 × 1.4 mm
李イオン電池の陽極-グラファイト	MTI	bc-cf-241-ss-005	CMSグラファイト(241mm L x 200mm W x 50μm 厚さ)
リチウムイオン電池カソード - LiCoO2	MTI	bc-af-241co-ss-55	Alホイル片面LiCoO2 (241mm L x 200mm W x 55μm 厚さ)
ポリフッ化ビニリデン (PVDF)	Kynar	Flex 2801
N-メチル-2-ピロリジノン無水物 (NMP)、99.5%	シグマ アルドリッチ	328634
CNERGY スーパー C-65	ティムカル
電解質 (1.0 M LiPF<サブ>6 in EC/DEC、1:1	BASF	50316366
チタン酸リチウム (Li4Ti5O12)	Sigma Aldrich	702277
KS6 合成黒鉛	Timcal
リチウム金属リボン	Sigma Aldrich	320080	0.75 mm 厚さ
エポキシ多目的	ロックタイト
電気テープ	スコッチ 3M スーパー 88
イソプロピルアルコール(IPA)、ACS試薬、≥99.5%	シグマ アルドリッチ	190764