In Situ Lithiated referentie-elektrode: Vier elektrode Design voor In-operando impedantie spectroscopie

De vraag naar beter presterende lithium-ionbatterijen stimuleert onderzoek naar het begrijpen van factoren die degradatie veroorzaken. De hier beschreven methode kan precies het gedrag van individuele batterijcomponenten meten. De schat aan informatie die deze techniek biedt, vergroot de reikwijdte van diagnostische analyse in lithium-ionbatterijen en levert waardevolle input voor de optimalisatie van individuele celcomponenten.

Begin met het verkrijgen van een vier centimeter brede zeven centimeter lange jig gemaakt van twee millimeter dikke koperen draad. Met platte lussen om de jig aan één uiteinde te stabiliseren, en een handvat aan het andere uiteinde. Giet vervolgens ongeveer 23 milliliter industrieel stripoplossing in een roestvrij stalen beker met een diameter van 7,6 centimeter om een oplossingdiepte van ongeveer vijf millimeter te verkrijgen.

Dompel een thermokoppel in de oplossing, houd de punt uit de bodem van de beker. Begin het bekerglas op een hotplate te verwarmen tot 85 graden Celsius. Terwijl de oplossing opwarmt, wikkel je zorgvuldig 60 centimeter van 25,4 micron polyurethaan gecoate tin geplateerde koperen draad lengtewijs rond de jig.

Bevestig de uiteinden van de draad voorzichtig aan de handgrepen. Zodra de oplossing 85 graden Celsius bereikt, zet je het vuur uit en plaats je de jig verticaal in de oplossing om een kant van de gewikkelde draad te dompelen. Laat de jig 15 seconden in de oplossing en spoel vervolgens de draad en jig 15 seconden in gedeïoniseerd water.

Inspecteer de draad op blootgesteld tin, dat zal verschijnen als een zilverwitte stof. Herhaal het dompelen in stripoplossing en spoelen tot een kant van de gewikkelde draad volledig is ontdaan van de tinlaag. Wees voorzichtig om het geplateerde tin niet weg te eten.

Spoel vervolgens de jig en draad in gedeïoniseerd water en laat ze drogen in de lucht op kamertemperatuur. Eenmaal droog, snijd je de draad in het midden van elk ontdaan gebied om ongeveer 10 centimeter lange draden met blootgestelde tin geplateerde uiteinden te verkrijgen. Om een referentiedraad te beginnen, snijd je ongeveer 10 centimeter van een geïsoleerde twee millimeter brede elektrische circuitdraad.

Verwijder ongeveer twee centimeter isolatie van elk uiteinde van de draad. Leg vervolgens een uiteinde van een tin geplateerde koperen draad voorzichtig op de ontdane elektrische draad. Soldeer de verbinding om een elektrische verbinding tussen de draden te vormen.

Bevestig dat de weerstand over de nieuw gevormde tin referentie-elektrode tussen zes en acht ohm ligt. Monteer op dezelfde manier een tweede referentie-elektrode met een blootgestelde koper uiteinden en breng de draden in een met argon gevulde handschoenenkast. Snijd vervolgens een stuk lithium metaal van 200 micron dik, niet groter dan vijf millimeter bij vijf millimeter, en plaats het op een PTFE platform.

Gebruik een roller bedekt met polymeertape om het metaal plat te drukken tot een dikte van 25 micron. Buig vervolgens het metaal in een U-vorm en leg het blootgestelde uiteinde van de koperdraad in de bocht. Druk voorzichtig het lithium rond de draad om het blootgestelde koper volledig te omhullen.

Dit wordt de lithium metaal referentie-elektrode. Plaats een anode in een lithium celbehuizing zodat het midden van de elektrode iets verschoven is ten opzichte van het midden van de behuizing. Plaats een isolerende scheider gemaakt van een trilayer van polyethyleen en polypropyleen op de anode.

Gebruik een PTFE-veger om voorzichtig gevangen luchtbellen tussen de anode en de scheider te verwijderen. Zorg ervoor dat de scheider stevig in de behuizing zit. Breng vervolgens een druppel van 10 microliter van de elektrolyt aan op de scheider, twee millimeter van de rand van de anode. Breng een tweede druppel aan over het midden van de anode. Plaats het blootgestelde tin geplateerde uiteinde van de tin referentie-elektrode in de druppel in het midden van de anode. Plaats het uiteinde van de lithium referentie-elektrode in de druppel twee millimeter van de anode.

Breng nog een druppel van 10 microliter elektrolyt aan op de lithium omhulde punt en verwijder luchtbellen tussen het lithium metaal en de scheider met de veeg. Breng vervolgens 400 microliters elektrolyt aan op de scheider. Plaats een tweede scheider op de assemblage zodat de referentie-elektrode draden tussen de scheiders worden ingeklemd.

Om overmatige spanning op de draden te voorkomen, laat je wat losheid in de draden tussen de scheiders. Verwijder luchtbellen tussen de scheiders met de veeg. Bevochtig vervolgens een kathode met 400 microliters van de elektrolytoplossing.

Plaats de kathode op de bovenste scheider, uitgelijnd met de anode. Plaats voorzichtig een roestvrij stalen afstandshouder op de kathode zonder de uitlijning van de celstapel te verstoren. Plaats twee roestvrij stalen golfveren op de afstandshouder om de celvolumeveranderingen en drukverhoging te accommoderen en sluit vervolgens de behuizing.

Verbind de kathode en anode van de batterijcel met de overeenkomstige batterijcycler terminalen. Verbind de lithium referentie-elektrode met de auxiliaire terminal. Genereer spanningsprofielen voor elke elektrode ten opzichte van het lithium koppel.

Breng een constante stroom van vijf microamperes aan gedurende zes uur tussen de kathode en de tin referentie-elektrode met een bovenste spanningsafsluiting van vier volt om het tin elektrochemisch te lithiëren. Wanneer je klaar bent, koppel de cel los van de batterijcycler terminalen en laat de gelithieerde draad twee uur in evenwicht komen. Om succesvolle lithiation te bevestigen, verbind je de lithium referentie-elektrode met de auxiliaire terminal en de gelithieerde tin elektrode met de negatieve terminal.

Het potentiaalverschil tussen hen zou dicht bij nul volt moeten liggen. Om spectra voor de volledige cel te verkrijgen, verbind je eerst de negatieve spannings- en stroomaansluitingen van een potentiostat met de anode en de positieve aansluitingen met de kathode. Cycle het elektrochemische koppel over een kleine spanningsamplitude onder vijf millivolt met behulp van wisselstroom of variërende frequenties, met de impedantieresp