원래의 Lithiated 참조 전극: 4 개의 전극 디자인-operando 임피던스 분광학에 대 한

더 나은 성능의 리튬 이온 배터리에 대한 요구는 성능 저하를 일으키는 요인을 이해하기 위한 연구를 주도하고 있습니다. 여기에 설명된 방법은 개별 배터리 구성 요소의 동작을 정확하게 측정할 수 있습니다. 이 기술이 제공하는 풍부한 정보는 리튬 이온 배터리의 진단 분석 범위를 확대하고 개별 셀 구성 요소의 최적화에 대한 귀중한 정보를 제공합니다.

시작하려면 2mm 두께의 구리선으로 만든 4cm 너비, 7cm 길이의 지그를 구합니다. 한쪽 끝에는 지그를 고정시키기 위한 평평한 루프가 있고 다른 쪽 끝에는 핸들이 있습니다. 그런 다음 직경 23cm의 스테인리스강 비커에 약 7.6ml의 산업용 등급 스트리핑 용액을 부어 약 5mm의 용액 깊이를 얻습니다.

써모 커플을 용액에 담그고 팁을 비커 바닥에서 멀리 유지합니다. 핫플레이트의 비커를 섭씨 85도까지 가열하기 시작합니다. 용액이 가열되는 동안 60cm의 25.4미크론 폴리우레탄 코팅 주석 도금 구리선을 지그 주위에 조심스럽게 감습니다.

와이어 끝을 손잡이에 부드럽게 테이프로 붙입니다. 용액이 섭씨 85도에 도달하면 열을 끄고 지그를 용액에 수직으로 놓아 감긴 와이어의 한쪽 면이 잠깁니다. 지그를 용액에 15초 동안 그대로 둔 다음 와이어와 지그를 탈이온수로 15초 동안 헹굽니다.

은백색 물질로 나타나는 노출된 주석이 있는지 와이어를 검사합니다. 감긴 와이어의 한쪽 면이 주석 층까지 완전히 벗겨질 때까지 스트리핑 용액에 담그고 헹굽니다. 도금된 깡통을 에칭하지 않도록 주의하세요.

그런 다음 지그와 와이어를 탈이온수로 헹구고 실온에서 공기 중에서 건조시킵니다. 건조되면 벗겨진 각 영역의 중앙에 있는 와이어를 잘라 끝이 노출된 주석 도금 된 약 10cm 길이의 와이어를 얻습니다. 참조선 준비를 시작하려면 약 10cm 너비의 절연 2mm 전기 회로 와이어를 자릅니다.

전선의 각 끝에서 약 2cm의 절연체를 벗겨냅니다. 그런 다음 벗겨진 전선에 주석 도금 구리선의 벗겨진 한쪽 끝을 부드럽게 놓습니다. 접합부를 납땜하여 전선 사이에 전기 접점을 형성합니다.

새로 형성된 주석 기준 전극의 저항이 6옴에서 8옴 사이인지 확인합니다. 같은 방식으로 구리 끝이 노출된 두 번째 참조 전극을 조립하고 와이어를 아르곤으로 채워진 글로브 박스에 넣습니다. 다음으로, 200미크론 두께의 리튬 금속 조각을 5mm x 5mm 이하로 자르고 PTFE 플랫폼에 놓습니다.

폴리머 테이프로 덮인 롤러를 사용하여 금속을 25미크론 두께로 평평하게 만듭니다. 그런 다음 금속을 U자 모양으로 구부리고 구리선의 노출된 끝을 구부린 부분에 놓습니다. 노출된 구리를 완전히 캡슐화하기 위해 와이어 주위의 리튬을 조심스럽게 누릅니다.

이것은 리튬 금속 기준 전극이 될 것입니다. 전극의 중심이 고정구의 중심에서 약간 오프셋되도록 리튬 전지 고정 장치에 양극을 배치합니다. 양극에 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 삼중층으로 만들어진 절연 분리기를 놓습니다.

PTFE 스윕을 사용하여 양극과 분리기 사이에 갇힌 기포를 부드럽게 제거합니다. 분리기가 고정 장치에 단단히 장착되었는지 확인하십시오. 그런 다음 양극 가장자리에서 2mm 떨어진 분리기에 전해질을 10 마이크로 리터 방울 떨어뜨립니다.

양극 중앙에 두 번째 방울을 적용합니다. 주석 기준 전극의 노출된 주석 도금 팁을 양극 중앙의 드롭에 놓습니다. 리튬 기준 전극의 끝을 양극에서 2mm 떨어진 드롭에 놓습니다.

리튬 캡슐화 팁에 전해질을 10마이크로리터 한 방울 더 떨어뜨리고 스윕으로 리튬 금속과 분리기 사이의 기포를 제거합니다. 그런 다음 400마이크로리터의 전해질을 분리기에 적용합니다. 참조 전극 와이어가 분리기 사이에 끼워지도록 어셈블리에 두 번째 분리기를 배치합니다.

전선에 과도한 장력이 가해지지 않도록 분리막 사이의 전선을 약간 느슨하게 두십시오. 스윕으로 분리기 사이의 기포를 제거합니다. 그런 다음 400마이크로리터의 전해질 용액으로 음극을 적십니다.

양극과 정렬된 상단 분리기에 음극을 놓습니다. 셀 스택의 정렬을 방해하지 않도록 음극에 스테인리스 스틸 스페이서를 조심스럽게 놓습니다. 셀 부피 변화와 압력 상승을 수용하기 위해 스페이서에 두 개의 스테인리스 스틸 웨이브 스프링을 놓고 고정 장치를 닫습니다.

배터리 셀의 음극과 양극을 해당 배터리 사이클러 단자에 연결합니다. 리튬 기준 전극을 보조 단자에 연결합니다. 리튬 커플에 대한 각 전극에 대한 전압 프로파일을 생성합니다.

음극과 주석 기준 전극 사이에 6시간 동안 5마이크로암페어의 정전류를 4볼트의 상한 전압 차단으로 적용하여 주석을 전기화학적으로 조명합니다. 완료되면 배터리 사이클러 단자에서 셀을 분리하고 lithiated wire가 2시간 동안 평형을 이룰 때까지 기다립니다. 성공적인 리튬화를 확인하려면 리튬 기준 전극을 보조 단자에 연결하고 리튬화된 주석 전극을 음극 단자에 연결하십시오.

그들 사이의 전위차는 0볼트에 가까워야 합니다. 전체 셀에 대한 스펙트럼을 얻으려면 먼저 potentia stat의 음의 전압 및 전류 단자를 양극에 연결하고 양극 단자를 음극에 연결합니다. 교류 또는 다양한 주파수를 사용하여 5 밀리 볼트 미만의 작은 전압 진폭으로 전기 화학 커플을 순환하고, 임피던스 응답은 실제 구성 요소가 아닌 허수 구성 요소로 표시됩니다.

다음으로, 음의 전압 및 전류 단자를 양극에서 리튬 팁 합금 전극으로 전환하고 음극 대 리튬 주석 합금 전극의 스펙트럼을 획득합니다. 마지막으로 음의 전압 및 전류 단자를 양극에 연결하고 양극 단자를 리튬 주석 합금 전극에 연결합니다. 전체 셀과 리튬 커플에 대한 각 전극의 전압 프로파일을 얻었다.

충전 중 양극의 전위가 증가한다는 것은 착각을 나타냅니다. 그리고 음극의 감소하는 전위는 그에 상응하여 lithiation을 나타냈습니다. 전기화학적 임피던스 분광법은 배터리를 100회 순환한 후 리튬화된 주석 기준 전극에 대해 양극의 임피던스가 크게 증가했지만 음극의 임피던스는 최소한으로 증가했음을 보여주었습니다.

이것은 임피던스의 전반적인 증가가 주로 양의 임피던스의 증가에 의해 주도되었음을 의미합니다. 극한의 전압 조건에서 사이클링하면 음극에 리튬 도금이 발생할 가능성이 높아져 심각한 안전 문제가 발생합니다. 리튬 증착의 시작을 조사하기 위한 프로토콜을 개발하여 리튬 도금의 발생을 이해하기 위한 추가 실험이 진행 중입니다.

이 접근 방식은 배터리 노화 중 전극 동작에 대한 내부 정보를 얻는 데 사용할 수 있습니다. 주석 와이어를 나트륨 또는 마그네슘과 같은 금속과 정렬하면 이 기술을 차세대 배터리에 적용할 수 있습니다.