Methodenartikel

Drie-elektrode Coin Cell voorbereiding en Electrodeposition Analytics voor Lithium-ion batterijen

DOI:

10.3791/57735

⸱

22 mei 2018

 ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Texas A&M University, 2School of Mechanical Engineering, Purdue University, 3Battery Management Systems, Texas Instruments Inc.

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Drie-elektrode cellen zijn handig bij het bestuderen van de elektrochemie van lithium-ion batterijen. Dergelijke een elektrochemische opstelling kan de verschijnselen die is gekoppeld aan de kathode en anode worden losgekoppeld en onafhankelijk worden onderzocht. Hier presenteren we een gids voor de bouw en het gebruik van een drie-elektrode knoopcelbatterij met nadruk op lithium plating analytics.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Als lithium-ion vinden batterijen gebruik in hoge energie en kracht toepassingen, zoals in de elektrische en hybride-elektrische voertuigen, controle van de afbraak en de daaropvolgende veiligheidskwesties wordt steeds belangrijker. In een Li-ion cel setup omvat de meting van de spanning over de positieve en negatieve terminals inherent het effect van de kathode en anode die zijn gekoppeld en som aan de cel Totaal prestaties. Bijgevolg is de mogelijkheid om te controleren de afbraak-aspecten die samenhangen met een specifieke elektrode is uiterst moeilijk, omdat de elektroden zijn fundamenteel gekoppeld. Dit probleem kan worden opgelost door een drie-elektrode setup. Door de invoering van een derde (referentie)-elektrode, de invloed van elke elektrode kan worden losgekoppeld en de elektrochemische eigenschappen onafhankelijk kunnen worden gemeten. De referentie-elektrode (RE) moet een stabiele potentieel dat vervolgens kan worden gekalibreerd tegen een bekende verwijzing, bijvoorbeeld, lithium metal. De drie-elektrode-cel kan worden gebruikt om elektrochemische tests zoals fietsen, cyclische voltammetrie en elektrochemische impedantie spectroscopie (EIS) uitvoeren. Drie-elektrode cel EIS metingen kunnen het verhelderen van de bijdrage van individuele elektrode impedantie naar de volledige cel. Verder staat controle van de anode potentiële de detectie van electrodeposition als gevolg van lithium beplating, die leiden bezorgdheid over de veiligheid tot kan. Dit is vooral belangrijk voor het snel laden van Li-ion accu's in elektrische voertuigen. Om te controleren en karakteriseren de aspecten veiligheid en afbraak van een elektrochemische cel, kan een drie-elektrode setup onschatbare waarde bewijzen. Dit document is bedoeld om een gids voor de bouw van een drie-elektrode munt cel instellen met behulp van de 2032-knoopcelbatterij architectuur, die is gemakkelijk te produceren, betrouwbare en kosteneffectieve.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hoewel de oorsprong van lithium-batterijen kan worden getraceerd willekeurig ver terug naar het verleden, de grootschalige productie en verhandeling van veel van de hedendaagse gewoonlijk begon gevonden lithium-ion batterijen in de jaren 1980. Veel van de materialen ontwikkeld tijdens deze periode, bijvoorbeeld Lithium kobaltoxide (LiCoO2), nog steeds gewoonlijk worden aangetroffen in gebruik vandaag1. Veel huidige studies hebben gericht geweest op de ontwikkeling van verschillende andere metaaloxide structuren, met enige nadruk naar terugdringen of elimineren van het gebruik van kobalt in plaats van andere lagere kosten en meer milieuvriendelijke metalen, zoals mangaan of nikkel2. De voortdurend veranderende landschap van materialen gebruikt in lithium-ion batterijen vereist een doeltreffende en accurate methode van karakterisering van zowel hun prestaties en de veiligheid. Omdat de werking van een accu de gekoppelde elektrochemische reactie van zowel de positieve en negatieve elektroden houdt, achterblijven typische twee elektrode batterijen kunnend karakteriseren de elektroden onafhankelijk. Karakterisering van de arme en de daaropvolgende onbegrip kunnen vervolgens leiden tot gevaarlijke situaties of slechte algehele prestaties van de batterij als gevolg van de aanwezigheid van afbraak verschijnselen. Eerder onderzoek is gericht op standaardisering van de technieken voor gegevensverwerking voor typische twee-elektrode cellen3. Eén methode die de tekortkomingen van standaard cel configuraties verbetert is de drie-elektrode-cel.

Een drie-elektrode setup is één methode voor het koppelen van de twee elektroden reacties en bieden een beter inzicht in de fundamentele fysica van de werking van de batterij. Een referentie-elektrode wordt in een drie-elektrode setup ingevoerd naast de kathode en anode. Deze referentie-elektrode wordt vervolgens gebruikt voor het meten van het potentieel van de anode en de kathode dynamisch tijdens operatie. Geen stroom wordt doorgegeven door de referentie-elektrode en vandaar, het biedt een enkelvoud en een ideale stabiele, spanning. Met behulp van een drie-elektrode setup, worden de volledige cel spanning, het potentieel van de kathode en de anode potentieel verzameld tijdens de werking. Naast de metingen van het potentieel, kunnen de bijdragen van de impedantie van de elektroden gekarakteriseerd worden als een functie van de cel staat voor gratis4.

Drie-elektrode opstellingen zijn zeer nuttig voor de studie van de afbraak verschijnselen in lithium-ion batterijen, zoals de electrodeposition van lithium metal, ook bekend als lithium beplating. Andere groepen hebben voorgesteld drie-elektrode opstellingen5,6,7,8,9,10,11,12, 13 maar zij vaak het inherent unstable lithium-metaal gebruiken als een referentie en omvatten aangepaste, moeilijk te monteren opstellingen leidt tot verminderde betrouwbaarheid. Lithium plating plaatsvindt wanneer in plaats van het intercalating in de host-structuur voor elektrode, lithium wordt gestort op het oppervlak van de structuur. Vaak nemen deze deposito's de morfologie van een (relatief) uniforme metalen laag (beplating) of kleine dendritische structuren. Beplating kan gevolgen variërend van veiligheidskwesties te belemmeren fietsen prestaties veroorzaakt hebben. Vanuit het oogpunt van fenomenologische optreedt lithium plating als gevolg van een onvermogen van lithium aan afwisseling in de host-structuur voor elektrode effectief. Beplating neigt optreden bij lage temperaturen, hoge tarief, hoge elektrode staat kosteloos (SOC) of een combinatie van deze drie factoren12opladen. Bij lage temperatuur, wordt de solid-state verspreiding binnen de elektrode verminderd, als gevolg van de afhankelijkheid van Arrhenius richtgetal op temperatuur. De lagere solid-state verspreiding leidt tot een ophoping van lithium bij de elektrode-elektrolyt-interface en een daaropvolgende afzetting van lithium. In een hoog tempo van opladen optreedt een soortgelijk fenomeen. De lithium pogingen om afwisseling in de elektrode structuur zeer snel, maar niet in staat is en dus is verguld. Bij een hogere SOC, er is gemiddeld minder beschikbare ruimte voor de lithium aan afwisseling in de structuur, en dus wordt het gunstiger te storten op het oppervlak.

Lithium dendrites zijn van bijzonder belang vanwege de veiligheidszorg die ze veroorzaken. Als dendrites binnen een cel vormen, is er een potentieel voor hen om te groeien, het scheidingsteken doorboren, en veroorzaken een interne korte tussen de anode en de kathode. Deze interne korte kan leiden tot zeer hoge-gelokaliseerde temperaturen in de brandbare elektrolyt, vaak resulterend in thermische runaway en zelfs in een explosie van de cel. Een andere kwestie met betrekking tot vorming van dendriet is de hogere oppervlakte van de reactieve lithium. De nieuwe gedeponeerde lithium zal reageren met het elektrolyt en veroorzaken meer solide elektrolyt interfase (SEI) formatie, die tot verhoogde capaciteitsverlies en arme fietsprestaties leiden zal.

Een kwestie die is gekoppeld aan het ontwerp van een drie-elektrode-systeem is de selectie van de juiste referentie-elektrode. Logistiek met betrekking tot de locatie en de grootte van de verwijzing, kunnen positieve en negatieve elektroden spelen een belangrijke rol in het verwerven van nauwkeurige resultaten uit het systeem. Een voorbeeld is dat de afwijking van de positieve en negatieve elektroden tijdens de bouw van de cel en de resulterende randeffecten fout in de verwijzing lezen14,15kan invoeren. Wat betreft materiaalkeuze, moet de referentie-elektrode hebben een stabiele en betrouwbare spanning en hebben een hoge niet-polarizability. Lithium-metaal, die vaak wordt gebruikt als een referentie-elektrode door veel onderzoeksgroepen, heeft een potentieel dat afhangt van de passieve oppervlak film. Deze kwesties kan produceren omdat gereinigd en leeftijd lithium elektroden tonen verschillende mogelijkheden16. Dit wordt een probleem wanneer veroudering langetermijneffecten worden bestudeerd. Onderzoek door Solchenbach et al. heeft geprobeerd om wat van deze instabiliteit kwesties door legerings goud met lithium en gebruikt het als hun referentie11. Ander onderzoek heeft gekeken naar verschillende materialen met inbegrip van lithium titanate, die experimenteel is onderzocht en toont een groot elektrochemische potentieel plateau bereik rond 1.5-1.6 V17 (~ 50% SOC). Dit plateau helpt bij het handhaven van een stabiel potentieel, met name in het geval van accidentele verstoring van de elektrode staat kosteloos. De mogelijke stabiliteit van LTO, met inbegrip van koolstof gebaseerde geleidende additieven, is zelfs bij verschillende C-tarieven en temperaturen gewaarborgd. 18 is het belangrijk om te benadrukken dat de selectie van de referentie-elektrode een belangrijke stap in het drie-elektrode cel ontwerp is.

Veel onderzoeksgroepen hebben experimentele drie-elektrode cel setup voorgesteld. Dolle et al. gebruikt dun plastic cellen met een referentie-elektrode van lithium titanate koperdraad te bestuderen van de veranderingen in de impedantie als gevolg van fietsen en opslag bij hoge temperaturen19. McTurk et al. in dienst een techniek waarbij een lithium plated koperdraad in een commerciële zakje cel, met als belangrijkste doel om aan te tonen het belang van noninvasive inbrengen technieken9werd ingevoegd. Solchenbach et al. gebruikt een gemodificeerde Swagelok-type-T-cel en een gouden micro-referentie-elektrode (eerder genoemd) voor impedantie en potentiële metingen. 11 Waldmann et al. elektroden uit commerciële cellen geoogst en hun eigen cellen van de drie-elektrode etui voor gebruik bij het bestuderen van lithium afzetting12gereconstrueerd. Costard et al. ontwikkeld een in-house experimentele drie-elektrode cel huisvesting als u wilt testen van de effectiviteit van de verschillende referentie-elektrode materialen en configuraties13.

De meeste van deze onderzoeksgroepen gebruiken zuivere lithium-metaal als de referentie, die problemen met het stabiliteits- en SEI hebben kan, vooral bij langdurig gebruik. Andere kwesties omvatten complexe en tijdrovende wijzigingen in bestaande of commerciële opstellingen. In deze paper wordt een betrouwbare en kosteneffectieve techniek voor de bouw van drie-elektrode Li-ion munt cellen voor elektrochemische tests gepresenteerd, zoals afgebeeld in Figuur 1. Deze drie-elektrode setup kan worden geconstrueerd met behulp van standaard munt celbestanddelen koperdraad en lithium titanate gebaseerde referentie-elektrode (Zie Figuur 2). Deze methode vereist geen speciale apparatuur of uitgebreide wijzigingen en volgt standaard laboratorium schaal elektrochemische procedures en materialen van commerciële leveranciers.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. referentie elektrode en scheidingsteken voorbereiding

  1. Referentie-elektrode voorbereiding
    1. Voorbereiding van de draad
      1. Snijd een 120-mm lengte van grootte 32 AWG (0.202 mm doorsnede) geëmailleerd koperdraad.
        Opmerking: Elke draad 1 referentie-elektrode wordt en zal worden gebruikt in 1 drie-elektrode cel.
      2. Plaats een uiteinde van de draad in een laboratorium-pers. Druk zachtjes op ongeveer 10 mm draad aan het ene uiteinde tot een druk van ongeveer 4 MPa. Snijd de overtollige draad uit het uiteinde van de draad zodat de afgevlakte sectie ~ 2 mm in lengte is.
        Opmerking: De gemiddelde dikte van de tip is ongeveer 0,1 mm. Wees voorzichtig niet om te buigen van de afgevlakte tip als het kunnen vermoeidheid en af te breken.
      3. Plaats de draad op een snijplank van polytetrafluorethyleen (PTFE). Zorgvuldig gebruik een scalpel te verwijderen van de buitenste isolatie op het platte draad puntje. Vergeet niet om het verwijderen van de isolatie van beide zijden; het eindproduct moet een platte, glanzende deel van blootgestelde koper.
      4. Weeg de draad met behulp van een laboratoriumschaal.
        Opmerking: Deze massa zal worden gebruikt nadat de drijfmest heeft geworpen om te bepalen van het exacte bedrag aan actief materiaal aanwezig in elke referentie-elektrode.
      5. Herhaal stap 1.1.1.1 - 1.1.1.5 voor een typische batch grootte van 36 draden. Plaats de draden op een recipiënt voor opslag. Een goede optie is om de tape van de draden rond de rand van een kleine glazen pot.
    2. Drijfmest voorbereiding
      1. Bereid de 10%-pm Polyvinylideenfluoride (PVDF) fluoride oplossing in N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP).
        1. Met behulp van een klein rechthoekig weeg papier, afmeten een bolletje van roestvrij staal, en de laboratoriumschaal van een, van de gewenste massa van de PVDF poeder (0,1 g).
        2. Breng de PVDF-poeder van de weeg-papier in een 500 mL plastic fles. Meten en breng de juiste hoeveelheid NMP vloeistof (0.9 g) in de fles met behulp van een pipet 1 mL-capaciteit laboratorium.
        3. Invoegen van een magnetische roeren bar in de oplossing; plaats de fles op een magnetische roeren plaat en laat het te mengen voor onbepaalde tijd. Laat de oplossing te mengen gedurende ten minste 24 uur vóór het eerste gebruik. Het is aanbevolen om bereid de PVDF-oplossing in bulk vermijden moetend maken van kleinere batches voor elke partij van drijfmest.
      2. Schoon voordat met een gewicht van elke meer poeder, de scoop van roestvrij staal, de stamper en de mortel met isopropyl alcohol om elke besmetting te voorkomen.
      3. Met behulp van een weeg-papier, meet de laboratoriumschaal en de scoop van roestvrij staal, de juiste hoeveelheid (0,8 g) lithium titanate (Li4Ti5O12) poeder. Zorgvuldig overbrengen in het poeder de mortier en een stamper. De scoop met isopropyl alcohol schoon na gebruik.
      4. Weeg op dezelfde manier de juiste hoeveelheid (0,03 g) KS-6 synthetische grafiet en geleidende additief (0.09 g). Zorgvuldig overbrengen in het poeder de dezelfde mortier en een stamper. Reinig de scoop met isopropyl alcohol als voor.
      5. Licht mengen de drie poeders in de mortel totdat ze worden gelijkmatig verspreid. De mix van de poeder met de stamper tot het mengsel homogeen wordt vermalen. Zorgvuldig overbrengen in de poeder mix een 20-mL wegwerp mengen buis.
        Opmerking: Dit zal dienen als een vaartuig high-shear mengen om de homogene verdeling van alle materialen binnen de drijfmest.
      6. Voeg de juiste hoeveelheid NMP (2.2 mL) aan de mengen buis met behulp van een precisiepipet laboratorium. Voeg zestien 6-mm diameter silicaat glas-mengen ballen en schroef op het GLB. Plaats de mengen buis op de menginrichting high-shear, lock de buis in plaatsen, en meng de drijfmest gedurende 15 minuten op de maximale instelling (ongeveer 6000 t/min).
      7. Voeg 0.8 g van de PVDF-oplossing (bereid eerder in stap 1.1.2.1) aan de mengen buis. Blijven mengen de drijfmest voor een andere 5 min om een gelijkmatige verdeling van de binder. Gegoten onmiddellijk de drijfmest op de draden. Als de drijfmest langer dan 5 min zit, meng de drijfmest voor een extra 15 minuten vóór gebruik, om ervoor te zorgen een homogeen mengsel.
    3. Gieten en drogen van referentie-elektrode
      1. Duik met de hand de blootgestelde koper, op het puntje van elke referentie-elektrode, in de gemengde drijfmest. U kunt ook drop-cast de drijfmest uit een pipet op de draad tip. Zorg ervoor dat alleen de afgevlakte, blootgestelde gedeelte van de koperdraad jas.
      2. Bevestig de cast RE draden aan een base met het einde van de cast geschorst voor het drogen. Tape de cast RE aan een vergunninghouder contact van de natte drijfmest met elk oppervlak te vermijden (Zie Figuur 3een). Droog de elektroden voor minimaal 8 uur in een laboratorium oven op 70 ° C.
      3. De elektroden van de referentiemassa na het drogen meten en schatten van de droge massa van de drijfmest (0.1 mg gemiddelde over meer dan een 100 monsters).
      4. Breng de referentie-elektroden in de glovebox inerte argon voor gebruik in de cel productieproces.
  2. Voorbereiding van de kathode en anode elektrode
    1. Selecteer de gewenste elektrode worden bestudeerd.
      Opmerking: Voor deze tests, geprefabriceerde elektrode bladen zal worden gebruikt voor demonstratie-doeleinden. In-house gemaakte elektrodes of elektroden geoogst uit commerciële cellen kunnen ook worden gebruikt.
    2. Punch out een cirkelvormige schijf van kathode materiaal met behulp van een holle 1,27 cm (1/2-in) punch. De elektrode schijf vorm mechanisch kan worden gewijzigd volgens de gewenste test (Zie Figuur 4). Weeg de elektroden en bereken het percentage aan actief materiaal.
    3. Herhaal stap 1.2.1-1.2.2 voor het materiaal van de anode en de extra cellen gewenst. Plaats de disc van elke elektrode in een kleine glazen ampul en breng zorgvuldig de flesjes in de inerte argon ' glovebox ' waar zij zullen worden gebruikt tijdens het bouwproces van de cel.
  3. Scheidingsteken voorbereiding
    1. Vouwen van een vel papier (22,6 cm x 28 cm / 8,5 in x 11 in) doormidden in de lengte. Knip ongeveer een stukje van 25 cm x 8,5 cm van polypropyleen (PP) scheidingsteken en plaatst u het zachtjes in de gevouwen papier.
      Opmerking: Het papier biedt enige bescherming en stijfheid wanneer het scheidingsteken is met de hand wordt uitgestanst.
    2. Plaats het papier en scheidingsteken broodje op de top van een zelfhelend snijmat. Dit biedt een stevige ondergrond en zal helpen vermijden mat van de holle punch. Met behulp van een holle 1.905-cm (3/4-inch) punch, punch uit een circulaire scheidingsteken schijf voor elke cel drie-elektrode. Voorbereiden van de scheidingstekens in bulk en bewaar ze in een glazen flesje voor later gebruik.
    3. Bovendien, Knip verschillende kleine vierkantjes van scheidingstekens ongeveer 5 x 8 mm; een van deze scheidingstekens zal worden gebruikt voor elke cel. Bewaar dit in een kleine glazen flesje. Breng de flesjes van de scheidingstekens in de glovebox inerte argon voor gebruik in het bouwproces van de cel.

2. bouw van de cel van de voorbereiding

  1. Voorbereiden van de referentie-elektrode met behulp van een paar tang te buigen de draad in een spiraalvorm (Zie Figuur 3b). Zorg ervoor dat de uiteindelijke spiraalvorm binnen de pakking van de cel van lithiummagnesiumoxide (ongeveer 1.58 cm doorsnede past). Elke elektrode spiraal in een kleine wegen boot plaatsen en zet ze opzij.
    Opmerking: De extra draad spiraal zorgt voor stabiliteit en zal ook worden uitgevouwen en later gebruikt in de cel werken.
  2. Reinig beide zijden van een lithium metal lint met behulp van een scalpel of een scheermesje. Schraap alle oppervlakte oxidatie totdat de glanzende lithium is te zien. Zorg ervoor dat beide zijden van het lithium schoon te maken. Nemen uiterste voorzichtigheid bij het gebruik van scherpe voorwerpen binnen de ' glovebox '.
  3. Uit twee 1.58 cm (5/8-in) schijven voor elke cel van het lint van de schoongemaakte lithium met behulp van de holle punch Punch.
  4. Plaats een disc van lithium in het midden van een 0,5 mm roestvrij staal spacer. Druk op het metaal lithium met de spacer stevig samen; typisch, een duim pers zou volstaan. Zorg ervoor dat de schijf lithium houdt zich aan het tussenstuk.
  5. Plaats de munt cel geval binnen een kleine wegen boot. Passen de tweede schijf van lithium in de behuizing van de cel munt. Zorg ervoor dat de lithium is gecentreerd en druk stevig zodat de lithium houdt zich aan de onderkant van de behuizing. Plaats enkele druppels elektrolyt [1,0 M LiPF6 in EG/DEC (1:1 volumeprocent)] op de lithium-schijf en enkele druppels op de rand van het lithium de buiten leemte op te vullen.
    Opmerking: Als onvoldoende elektrolyt wordt toegevoegd, zal er luchtbellen onder het scheidingsteken en binnen de cel, die ongewenst is.
  6. Plaats één 1.905-cm (3/4-inch) PP scheidingsteken op de top van de schijf wordt bevochtigd lithium. Zorg ervoor dat scheidingsteken volledig wordt bevochtigd is en er geen luchtbellen zijn onder gevangen. Plaats de pakking in de cel met de pakking lip naar boven; Deze lip is waar het GLB zal zetel in. Druk stevig aan de pakking in de behuizing.
  7. Plaats de spiraal van referentie-elektrode met een paar plastic pincet voorzichtig in het midden van de cel. Voeg een paar druppels van elektrolyt rond de referentie-elektrode. Plaats een kleine rechthoek scheidingsteken boven op waar de draad de pakking en het geval van de cel oversteekt.
    Opmerking: Het scheidingsteken voorkomt u kortsluiting tussen de draad en het GLB metalen cel.
  8. Plaats één 1.58 cm (5/8-in) scheidingsteken op de top van de referentie-elektrode spiraal. Zorg ervoor dat het scheidingsteken is volledig wordt bevochtigd en dat er geen luchtbellen zitten eronder. Plaats de disc van de lithium-spacer op de top van de referentie-elektrode, met de lithium-gecoate zijde naar beneden.
  9. Plaats de Golf voorjaar op de top van het tussenstuk. Zorg ervoor dat alle onderdelen in de cel gecentreerd. Vul de cel tot de rand met de elektrolyt. Wanneer de cel is geribbeld, zal de extra elektrolyt worden weggedrukt.
  10. Plaats de dop van de cel op de top van de vergadering met kunststof pincet zorgvuldig. Druk stevig plaats biedt aan het GLB in de lip van de pakking. Buig de referentie elektrode draad zodanig dat het plat over de bovenkant van het GLB legt. Dit wordt gedaan om ervoor te zorgen dat de draad is niet ingekort wanneer krimpen van de cel (Zie Figuur 2).
  11. Zorgvuldig overbrengen in de cel het apparaat munt-cel-krimpen met behulp van kunststof pincet. Houd tijdens het vervoer, de cel plat te vermijden van het verlies van eventuele extra elektrolyt. Krimp van het muntstuk de cel tot ongeveer 5 MPa (750 psi).
  12. Verwijderen van het muntstuk de cel van de krimptang en buig de blootgestelde draad back-up uit de buurt van de bovenkant van de cel. Dit is om te voorkomen dat elke mogelijke kortsluiting tussen het GLB en de referentie-elektrode.
  13. Verwijder de ingevulde knoopcelbatterij uit de Argon ' glovebox '. Met behulp van isopropylalcohol en een pluisvrije taak wisser, voorzichtig schoon de buitenkant van de cel. Zorg dat niet wordt verstoord de draad of de locatie waar de draad sluit u de cel.
  14. Cel afdichting
    1. Zorgvuldig droog het muntstuk de cel met behulp van een pluisvrije taak wisser. Neem extra zorg te drogen van de locatie waar de draad sluit u de knoopcelbatterij.
    2. Meng gelijke delen hars en de verharder vormen een niet-geleidende epoxy. Met een tandenstoker of indringende apparaatje, zorgvuldig toepassen van een kleine hoeveelheid epoxy naar de locatie waar de draad sluit u de knoopcelbatterij. Dit is de plaats waar de cel waarschijnlijk wordt te lekken.
    3. Laat 1 h voor de epoxy te drogen voordat u de cel van lithiummagnesiumoxide testen apparatuur installeert. Dat het kan duren tot 24 h voor de epoxy volledig genezen en harden.
      Opmerking: Het doel van de epoxy is voor het afdichten van de cel (Zie Figuur 5) en niet te verstrekken mechanische sterkte.

3. lithiëring Procedure

  1. Verbinding instellen
    1. Met behulp van een handheld aansteker, verbranden van ongeveer 2 cm van de isolatie aan het einde van de referentie-elektrode draad uitsteken van de cel; Dit is waar de draad het beproevingstoestel zal verbinden. Buig de blootgestelde draad terug op zichzelf ter verbetering van de aansluiting bij het aansluiten van de cel van de drie-elektrode voor het testen.
    2. Plaats een klein plein van elektrische tape (2 x 2 cm) aan de bovenkant van de munt cel zaak; Dit moet voorkomen dat ieder elektrisch contact tussen de bovenkant van het muntstuk de cel en de cel munt houder. Plaats de voorbereiding-cel in de cel-houder.
      Opmerking: De bovenkant van de cel moet worden geïsoleerd van elke verbinding en de onderkant van de cel moet worden aangesloten op de negatieve lezing op de houder van de cel.
    3. Met behulp van een alligator-clip, sluit de referentie-elektrode aan de bovenste clip op de houder van de cel (positieve verbinding).
      Opmerking: De cel moet worden ingesteld om te testen met de referentie-elektrode fungeert als de positieve elektrode en de onderkant lithium schijf (cel geval) fungeert als de negatieve elektrode.
  2. Referentie kalibratie spanning
    1. Bereken de hoeveelheid actieve materiaal aanwezig voor de referentie-elektrode.
      Opmerking: Voor een typische elektrode massa van 0,1 mg en een actieve materiaalsamenstelling van 80%, dit komt uit op 0,08 mg.
    2. Met de actieve materiaal massa en de theoretische specifieke capaciteit van lithium titanate20, bepalen de juiste huidige in rekening te brengen van de cel op C/16.
    3. Cyclus van de referentie-elektrode meerdere keren binnen het spanningsbereik van de juiste (1,25-2,25 V vs. Li/Li+) op C/16; Dit bereik zal veranderen afhankelijk van de referentie-elektrode in gebruik. Neem nota van het plateau referentiespanning/spanning, die zowel de laden en ontladen van processen moet plaatsvinden.
      Opmerking: Voor een Li4Ti5O12 elektrode deze waarde is meestal ongeveer 1,56 V vs. Li/Li+.
    4. Noteer de referentie spanning en de corresponderende cel waaraan het is gekoppeld. Deze spanning later gebruiken om te kalibreren van het potentieel van de elektroden bij gebruik in een cel werken.
    5. De cel gedurende 24 uur rusten en te controleren dat de potentiële referentie-elektrode stabiel is.
    6. Breng de lithiated cel in het milieu van de inerte argon voor gebruik in de bouw van de cel werken. Vermijden van elke mogelijke contact tussen de referentie-elektrode en het GLB of het geval van de cel; Dit kan korte van de referentie-elektrode en veranderen van zijn potentieel.

4. bouw van de werken van de cel

  1. Plaats de munt cel geval binnen een kleine wegen boot. Plaats de kathode-schijf in het midden van de cel-zaak. Plaats enkele druppels van de elektrolyt DEC op de kathode en enkele druppels op de rand om het buiten gat te vullen.
  2. Plaats één 1.905-cm (3/4-inch) scheidingsteken bovenop de elektrode. Zorg ervoor dat het scheidingsteken is volledig wordt bevochtigd en dat er geen luchtbellen zitten eronder. Plaats de pakking met de kleine lip voor het GLB van de cel naar boven zijn gericht. Druk stevig aan de pakking goed past in het geval. Gereserveerd voor de vergadering van de munt-cel en de cel lithiated voorbereiding zoeken.
  3. Extractie van de lithiated referentie-elektrode
    1. Toepassen een pleintje van elektrische tape op de bovenkant van de cel lithiated voorbereiding. Hiermee voorkomt u kortsluiting tussen de zaak en het GLB tijdens de demontage.
    2. Houd de voorbereiding cel stevig, met de GLB-zijde naar boven, met behulp van de dun-nosed tang. Wees voorzichtig niet te korte van de cel met de metalen tangen. Gebruik de einde-snijden-tangen te voorzichtig, maar stevig, wrikken open de cel van lithiummagnesiumoxide langs de rand. Wees voorzichtig niet te korte van de boven- en onderkant van de cel met de metalen tangen.
    3. Zodra circa 70% van de cel open keek heeft geweest, houd het geval met de einde-snijden-Tangen en zorgvuldig scheiden het geval van de cel en cap met behulp van de dun-nosed tang. Zorgvuldig uittreksel naar de lithiated referentie-elektrode. Gooi de overige onderdelen van de cel.
  4. Met behulp van een paar tang, unbend van de spiraal-vormige referentie elektrode draad en strek. Opnieuw buig de draad zodat de tip in het midden van de elektrode zit en de draad strekt zich uit over de rand van de cel. Afgesneden de belicht, ongeïsoleerde draad.
  5. Voeg een paar druppels van elektrolyt op en rond de referentie-elektrode. Plaats een kleine, rechthoekige scheidingsteken boven waar de draad over de zaak pakking en cel snijdt. Hiermee voorkomt u kortsluiting tussen de draad en de metalen behuizing en het GLB.
  6. Plaats een 1.58 cm (5/8-in) scheidingsteken op de top van de referentie-elektrode; Dit helpt voorkomen dat kortsluiting tussen de referentie-elektrode en de anode. Plaats de disc bereid anode op de top van de referentie-elektrode in de cel. Zorg voor het goed uitlijnen de vorm van de kathode met die van de anode.
    Opmerking: De referentie elektrode tip moet in het midden en de draad in de rechthoekige kloof moet verlaten.
  7. Zorgvuldig plaatst de 1.0-mm roestvrij staal spacer bovenop de anode. Plaats de Golf voorjaar op de top van het tussenstuk. Zorg ervoor dat alle onderdelen in de cel gecentreerd. Vul de cel tot de rand met de elektrolyt.
  8. Plaats de dop van de cel op de top van de vergadering met kunststof pincet zorgvuldig. Druk stevig naar beneden plaats biedt aan het GLB in de lip van de pakking. Vouw de resterende draad zorgvuldig terug over het GLB cel vóór het krimpen. Hiermee voorkomt u dat de draad afgesneden tijdens het krimpen.
  9. Zorgvuldig overbrengen in de cel de munt cel crimping apparaat met behulp van een paar plastic pincet. Bij het overbrengen van de cel, houd het plat te vermijden van het verlies van extra elektrolyt. Plooi de cel ongeveer 5 MPa (750 psi).
  10. Verwijder de knoopcelbatterij van het Argon ' glovebox '. Maak de cel met behulp van isopropylalcohol en een pluisvrije taak wisser voorzichtig schoon.
  11. Cel afdichting
    1. Zorgvuldig droog het muntstuk de cel met behulp van een pluisvrije taak wisser. Neem extra zorg te drogen van de locatie waar de draad sluit u de knoopcelbatterij.
    2. Meng gelijke delen hars en de verharder vormen een niet-geleidende epoxy. Breng een kleine hoeveelheid van epoxy gebruikt een tandenstoker, zorgvuldig naar de locatie waar de draad sluit u de knoopcelbatterij. Dit is de plaats waar de cel waarschijnlijk wordt te lekken.
    3. Laat 1 h voor de epoxy te drogen voordat u de cel van lithiummagnesiumoxide testen apparatuur installeert.
      Opmerking: Het kan duren tot 24 h voor de epoxy volledig genezen en harden. Het doel van de epoxy hier is echter voor het afdichten van de cel en niet te verstrekken mechanische sterkte.

5. de elektrochemische Tests

  1. Prestaties en fietsen
    1. Bereken de theoretische capaciteit voor zowel de kathode en de anode elektroden.
      1. Met behulp van het totale drooggewicht van de elektrode-schijf, bepalen de massa van het substraat aluminium/koper, en het percentage van het gewicht van het actieve materiaal, de massa van het actieve materiaal aanwezig voor elke elektrode.
      2. De capaciteit van elke elektrode bepalen door te vermenigvuldigen met de massa van het actieve materiaal door de respectieve theoretische capaciteit. Met behulp van de meest beperkende elektrode capaciteit (meestal de kathode), bepalen de totale capaciteit van de cel.
    2. Sluit de cel aan de elektrochemische meettoestel, verzorgen met de positieve kracht en positief sensor verbindt met de kathode en de negatieve macht en de sensor naar de anode. Verbinding maken met de verwijzing naar de referentie-elektrode via de koperdraad (Zie Figuur 6b).
    3. Controleer dat de cel is aangesloten en correct werkt door het controleren van de open circuit spanning en mogelijkheden. Gebruik de referentie spanning opgenomen tijdens de procedure lithiëring voor het kalibreren van de kathode en anode potentiële lezingen.
    4. Cyclus van de volledige cel op de gewenste C-baudrate, bijvoorbeeld C/10, en het volledige potentieel van de cel, kathode en anode tegelijk meten. Herhaal stap 5.1.1 - 5.1.4 voor andere cellen en C-tarieven zoals gewenst, afhankelijk van de specificaties en vereisten voor elke cel.
  2. Elektrochemische impedantie spectroscopie
    1. Volledige cel impedantie
      1. De cel met de EIS meting apparaat verbinden. Gebruik de volgende configuratie: de positieve kracht en positief sensor tot de kathode, de negatieve kracht en negatieve sensor naar de anode.
        Opmerking: De referentie-sensor moet worden aangesloten op de anode. De referentie-elektrode moet blijven verbroken.
      2. Selecteer het besturingselement dat potentiostatic voor het EIS met een amplitude van 10 mV. Selecteer een frequentiebereik van 1 MHz tot 1 mHz. De impedantie van de volledige cel verzamelen. Het uitzetten van een Nyquist-plot en de Bode-plot voor het analyseren van de reactie van de cel.
        Opmerking: Het frequentiebereik kan niet altijd verplicht worden en na het verzamelen van de voorlopige resultaten kan worden gewijzigd.
    2. Kathode impedantie
      1. De cel verbinden met de EIS meting apparaat met het volgende: de positieve kracht en positief sensor tot de kathode, de negatieve kracht en negatieve sensor naar de anode en de sensor van de verwijzing naar de referentie-elektrode via de koperdraad.
      2. Herhaal dezelfde stappen voor de volledige cel impedantie (stappen 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    3. Anode impedantie
      1. De cel verbinden met de EIS meting apparaat met het volgende: de positieve kracht en positief sensor tot de anode, de negatieve kracht en negatieve sensor naar de kathode en de sensor van de verwijzing naar de referentie-elektrode via de koperdraad.
      2. Herhaal dezelfde stappen voor de volledige cel impedantie (stappen 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    4. Impedantie als functie van de staat kosteloos
      1. De cel verbinden met de EIS meting apparaat volgens de gewenste impedantie-meting: ofwel volledige cel kathode en anode. Gebruik de stappen 5.2.1.1, 5.2.2.1 of 5.2.3.1, respectievelijk voor de desbetreffende verbinding.
      2. Opladen van de cel met behulp van een constante stroom aan C/2, totdat de cel de bovenste spanning limiet bereikt. Houd de spanning bij de bovengrens met behulp van een methode voor de controle van constante spanning tot de toegepaste huidige druppels onder C/100. De cel moet nu volledig worden opgeladen.
      3. Kwijting van de cel aan de C/2 gedurende 3 minuten; de cel moet nu op 90% SOC. toestaan de cel om te rusten gedurende 1 uur te bereiken van thermische en elektrochemische evenwichtsvoorwaarden.
      4. Het verzamelen van de impedantie met dezelfde procedure in stappen 5.2.1.2 - 5.2.1.3 gepresenteerd. Herhaal stap 5.2.4.3 en 5.2.4.4 voor het verzamelen van de impedantie als een functie van de SOC.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Typische resultaten voor de spanning en potentiële profielen voor de drie-elektrode-cel kunnen worden gezien in Figuur 7. In een ideale opstelling moet de volledige cel spanning identiek aan die geproduceerd uit een twee-elektrode-cel met de dezelfde elektrode-paar. Dit is een methode om te bepalen of het inbrengen van de referentie-elektrode de prestaties van de cel wijzigt. Als er een significant verschil tussen de prestaties van de twee - en drie-elektrode...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cel crimpen druk speelt een belangrijke rol in het slagingspercentage van zowel de voorbereiding als de werkende cellen. Als de cel is geribbeld bij een te hoge druk (> 800 psi), de referentie-elektrode kan worden kortgesloten met de dop van de cel als gevolg van de verwijzing draad positie tussen het GLB en de pakking. Merk op dat de draad overschrijding van deze interface een vereiste is om verbinding te maken met de referentie-elektrode lezen naar een meting van het externe apparaat. Als de cel druk te laag (< 700 psi...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Financiële steun uit het partnerprogramma van Texas instrumenten (TI) Universiteit onderzoek wordt dankbaar erkend. De auteurs erkennen ook dankbaar de hulp van Chien-Fan Chen van de energie en vervoer Sciences Laboratory, machinebouw, Texas A & M University, tijdens de eerste fase van dit werk.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Agate Molen en StamperVWR89037-4925 in diameter
DobbelsteensetMayhew66000
LaboratoriumpersMTIYLJ-12
Analytische WeegschaalOhausAdventurer AX
Hoge-Scherm MengapparaatIKA3645000
Argon-gevulde HandschoenenkastMBraunLABstar
Hydraulische KnijptangMTIMSK-110
BatterijcyclusArbin InstrumentsBT2000
Potentiostat/Galvanostat/EISBio-LogicVMP3
Vacuumoven en PompMTI-
KoperdraadRemingtonPN15532 AWG
Glazen BallenMcMasterr-Carr8996K256 mm borosilicaat glazen ballen
RoerbuisIKA370300020 ml
Celgard 2500 SeparatorMTIEQ-bsf-0025-60C25 μm dik; Polypropyleen
Roestvrijstalen CR2032 Muntcel KitPred MaterialsMuntcel kit bevat: behuizing, dop, PP pakking
Roestvrijstalen AfstandhouderPred Materials15.5 mm diameter × 0.5 mm dikte
Roestvrijstalen VeerringPred Materials15.0 mm diameter × 1.4 mm hoogte
Li-ion Batterij Anode - GrafietMTIbc-cf-241-ss-005Cu Folie Enkelzijdig Gecoat met CMS Grafiet (241mm L x 200mm B x 50μm Dikte)
Li-ion Batterij Kathode - LiCoO2MTIbc-af-241co-ss-55Al Folie Enkelzijdig Gecoat met LiCoO2 (241mm L x 200mm B x 55μm Dikte)
Polyvinylideen Difluoride (PVDF)KynarFlex 2801
N-Methyl-2-Pyrrolidinone Anhydrisch (NMP), 99.5%Sigma Aldrich328634
CNERGY Super C-65Timcal
Elektrolyt (1.0 M LiPF6 in EC/DEC, 1:1 naar volume)BASF50316366
Litium Titanaat (Li4Ti5O12)Sigma Aldrich702277
KS6 Synthetisch GrafietTimcal
Litium MetaallintSigma Aldrich3200800.75 mm dikte
Epoxy MultifunctioneelLoctite
Elektrisch PlakbandScotch 3M Super 88 
Isopropyl Alcohol (IPA), ACS reagens, ≥99.5%Sigma Aldrich190764

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104 (10), 4271-4301 (2004).
  2. Schipper, F., Aurbach, D. A Brief Review: Past, Present and Future of Lithium Ion Batteries. Russian Journal of Electrochemistry. 52 (12), 1095-1121 (2016).
  3. Stein, M., Chen, C. F., Robles, D. J., Rhodes, C., Mukherjee, P. P. Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells. Journal of Visualized Experiments. (108), e53490(2016).
  4. Juarez-Robles, D., Chen, C. F., Barsoukov, Y., Mukherjee, P. P. Impedance Evolution Characteristics in Lithium-Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 164 (4), 837-847 (2017).
  5. Wu, Q. W., Lu, W. Q., Prakash, J. Characterization of a commercial size cylindrical Li-ion cell with a reference electrode. Journal of Power Sources. 88 (2), 237-242 (2000).
  6. Wu, M. S., Chiang, P. C. J., Lin, J. C. Electrochemical investigations on advanced lithium-ion batteries by three-electrode measurements. Journal of the Electrochemical Society. 152 (1), 47-52 (2005).
  7. Jansen, A. N., Dees, D. W., Abraham, D. P., Amine, K., Henriksen, G. L. Low-temperature study of lithium-ion cells using a LiySn micro-reference electrode. Journal of Power Sources. 174 (2), 373-379 (2007).
  8. Belt, J. R., Bernardi, D. M., Utgikar, V. Development and Use of a Lithium-Metal Reference Electrode in Aging Studies of Lithium-Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 161 (6), 1116-1126 (2014).
  9. McTurk, E., Birkl, C. R., Roberts, M. R., Howey, D. A., Bruce, P. G. Minimally Invasive Insertion of Reference Electrodes into Commercial Lithium-Ion Pouch Cells. Ecs Electrochemistry Letters. 4 (12), 145-147 (2015).
  10. Garcia, G., Schuhmann, W., Ventosa, E. A Three-Electrode, Battery-Type Swagelok Cell for the Evaluation of Secondary Alkaline Batteries: The Case of the Ni-Zn Battery. Chemelectrochem. 3 (4), 592-597 (2016).
  11. Solchenbach, S., Pritzl, D., Kong, E. J. Y., Landesfeind, J., Gasteiger, H. A. A Gold Micro-Reference Electrode for Impedance and Potential Measurements in Lithium Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 163 (10), 2265-2272 (2016).
  12. Waldmann, T., et al. Interplay of Operational Parameters on Lithium Deposition in Lithium-Ion Cells: Systematic Measurements with Reconstructed 3-Electrode Pouch Full Cells. Journal of the Electrochemical Society. 163 (7), 1232-1238 (2016).
  13. Costard, J., Ender, M., Weiss, M., Ivers-Tiffee, E. Three-Electrode Setups for Lithium-Ion Batteries II. Experimental Study of Different Reference Electrode Designs and Their Implications for Half-Cell Impedance Spectra. Journal of the Electrochemical Society. 164 (2), 80-87 (2017).
  14. Dees, D. W., Jansen, A. N., Abraham, D. P. Theoretical examination of reference electrodes for lithium-ion cells. Journal of Power Sources. 174 (2), 1001-1006 (2007).
  15. Ender, M., Weber, A., Ivers-Tiffee, E. Analysis of Three-Electrode Setups for AC-Impedance Measurements on Lithium-Ion Cells by FEM simulations. Journal of the Electrochemical Society. 159 (2), 128-136 (2012).
  16. La Mantia, F., Wessells, C. D., Deshazer, H. D., Cui, Y. Reliable reference electrodes for lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications. 31, 141-144 (2013).
  17. Nakahara, K., Nakajima, R., Matsushima, T., Majima, H. Preparation of particulate Li4Ti5O12 having excellent characteristics as an electrode active material for power storage cells. Journal of Power Sources. 117 (1-2), 131-136 (2003).
  18. Shi, Y., Wen, L., Li, F., Cheng, H. M. Nanosized Li4Ti5O12/graphene hybrid materials with low polarization for high rate lithium ion batteries. Journal of Power Sources. 196 (20), 8610-8617 (2011).
  19. Dolle, M., Orsini, F., Gozdz, A. S., Tarascon, J. M. Development of reliable three-electrode impedance measurements in plastic Li-ion batteries. Journal of the Electrochemical Society. 148 (8), 851-857 (2001).
  20. Zaghib, K., Simoneau, M., Armand, M., Gauthier, M. Electrochemical study of Li4Ti5O12 as negative electrode for Li-ion polymer rechargeable batteries. Journal of Power Sources. 81, 300-305 (1999).
  21. Delacourt, C., Ridgway, P. L., Srinivasan, V., Battaglia, V. Measurements and Simulations of Electrochemical Impedance Spectroscopy of a Three-Electrode Coin Cell Design for Li-Ion Cell Testing. Journal of the Electrochemical Society. 161 (9), 1253-1260 (2014).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Reference ElectrodeElectrochemical Impedance SpectroscopyCyclic VoltammetryElectrodeposition AnalysisAnode Cathode MonitoringLithium Plating DetectionCoin Cell AssemblyElectrolyte Filling

Gerelateerde artikelen