Elektroda referencyjna litiowana in situ: konstrukcja z czterema elektrodami do spektroskopii impedancyjnej in-operando

Zapotrzebowanie na bardziej wydajne akumulatory litowo-jonowe napędza badania mające na celu zrozumienie czynników powodujących degradację. Opisana tutaj metoda pozwala precyzyjnie ocenić zachowanie poszczególnych elementów baterii. Bogactwo informacji dostarczanych przez tę technikę zwiększa zasięg analizy diagnostycznej w akumulatorach litowo-jonowych i stanowi cenny wkład w optymalizację poszczególnych komponentów ogniw.

Na początek zaopatrz się w przyrząd o szerokości czterech centymetrów i długości siedmiu centymetrów wykonany z drutu miedzianego o grubości dwóch milimetrów. Z płaskimi pętlami stabilizującymi przyrząd na jednym końcu i uchwytem na drugim końcu. Następnie wlej około 23 mililitry przemysłowego roztworu do usuwania izolacji do zlewki ze stali nierdzewnej o średnicy 7,6 centymetra, aby uzyskać głębokość roztworu około pięciu milimetrów.

Zanurz termoparę w roztworze, trzymając końcówkę z dala od dna zlewki. Zacznij podgrzewać zlewkę na płycie grzejnej do 85 stopni Celsjusza. Gdy roztwór się nagrzewa, ostrożnie nawiń 60 centymetrów drutu miedzianego pokrytego cyną o grubości 25,4 mikrona na długość wokół przyrządu.

Delikatnie przyklej końce drutu do uchwytów. Gdy roztwór osiągnie 85 stopni Celsjusza, wyłącz ogień i umieść przyrząd pionowo w roztworze, aby zanurzyć jedną stronę owiniętego drutu. Pozostaw przyrząd w roztworze na 15 sekund, a następnie opłucz drut i jig w wodzie dejonizowanej przez 15 sekund.

Sprawdź drut pod kątem odsłoniętej cyny, która będzie wyglądać jak srebrzystobiały materiał. Powtórz zanurzenie w roztworze do usuwania izolacji i płukanie, aż jedna strona owiniętego drutu zostanie całkowicie oderwana od warstwy cyny. Uważaj, aby nie wytrawić platerowanej cyny.

Następnie opłucz przyrząd i drut w wodzie dejonizowanej i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu w temperaturze pokojowej. Po wyschnięciu przetnij drut na środku każdego odizolowanego obszaru, aby uzyskać druty o długości około 10 centymetrów z odsłoniętymi końcami pokrytymi cyną. Aby rozpocząć przygotowywanie przewodu odniesienia, przetnij około 10 centymetrów izolowanego przewodu elektrycznego o szerokości dwóch milimetrów.

Zdejmij około dwóch centymetrów izolacji z każdego końca drutu. Następnie delikatnie połóż jeden odizolowany koniec cynowanego drutu miedzianego na odizolowanym przewodzie elektrycznym. złącze, aby utworzyć kontakt elektryczny między przewodami.

Upewnij się, że rezystancja na nowo utworzonej cynowej elektrodzie odniesienia wynosi od sześciu do ośmiu omów. W ten sam sposób zamontuj drugą elektrodę odniesienia z odsłoniętym miedzianym końcem i umieść przewody w schowku rękawicowym wypełnionym argonem. Następnie wytnij kawałek litu metalicznego o grubości 200 mikronów nie większy niż pięć milimetrów na pięć milimetrów i umieść go na platformie PTFE.

Użyj wałka pokrytego taśmą polimerową, aby spłaszczyć metal do grubości 25 mikronów. Następnie zegnij metal w kształt litery U i połóż odsłoniętą końcówkę drutu miedzianego w zagięciu. Ostrożnie dociśnij lit wokół drutu, aby całkowicie otoczyć odsłoniętą miedź.

Będzie to litowo-metalowa elektroda referencyjna. Umieść anodę w oprawie ogniwa litowego tak, aby środek elektrody był nieznacznie przesunięty od środka oprawy. Na anodzie umieścić separator izolacyjny wykonany z trójwarstwy polietylenu i polipropylenu.

Użyj zamiatania PTFE, aby delikatnie usunąć pęcherzyki powietrza uwięzione między anodą a separatorem. Upewnij się, że separator jest mocno osadzony w urządzeniu. Następnie nanieś 10 mikrolitrową kroplę elektrolitu na separator dwa milimetry od krawędzi anody.

Nałóż drugą kroplę na środek anody. Umieść odsłoniętą, pokrytą cyną końcówkę elektrody referencyjnej cyny w kropli pośrodku anody. Umieść końcówkę litowej elektrody referencyjnej w kropli w odległości dwóch milimetrów od anody.

Nałóż kolejną kroplę elektrolitu o pojemności 10 mikrolitrów na końcówkę w obudowie litowej i usuń pęcherzyki powietrza między litem metalicznym a separatorem za pomocą zamiatania. Następnie nanieść 400 mikrolitrów elektrolitu na separator. Umieść drugi separator na zespole tak, aby druty elektrody odniesienia były umieszczone między separatorami.

Aby uniknąć nadmiernego naprężenia przewodów, należy pozostawić trochę luzu w przewodach między separatorami. Usuń pęcherzyki powietrza między separatorami za pomocą zamiatania. Następnie zwilż katodę 400 mikrolitrami roztworu elektrolitu.

Umieść katodę na górnym separatorze wyrównanym z anodą. Ostrożnie umieść przekładkę ze stali nierdzewnej na katodzie, nie zakłócając wyrównania stosu ogniw. Umieść dwie sprężyny faliste ze stali nierdzewnej na przekładce, aby dostosować się do zmian objętości ogniw i wzrostu ciśnienia, a następnie zamknij urządzenie.

Podłącz katodę i anodę ogniwa akumulatora do odpowiednich zacisków cyklera akumulatora. Podłącz litową elektrodę odniesienia do zacisku pomocniczego. Wygeneruj profile napięcia dla każdej elektrody w odniesieniu do pary litowej.

Przykładać stały prąd o natężeniu pięciu mikroamperów przez sześć godzin między katodą a cynową elektrodą odniesienia z górnym odcięciem napięcia wynoszącym cztery wolty, aby elektrochemicznie litować cynę. Po zakończeniu odłącz ogniwo od zacisków cyklera akumulatora i pozwól, aby litowany drut zrównoważył się przez dwie godziny. Aby potwierdzić pomyślne litowanie, podłącz litową elektrodę odniesienia do zacisku pomocniczego, a lityzowaną elektrodę cynową do zacisku ujemnego.

Różnica potencjałów między nimi powinna być bliska zeru woltów. Aby uzyskać widma dla pełnego ogniwa, najpierw podłącz ujemne zaciski napięcia i prądu potencji do anody, a dodatnie zaciski do katody. Przełącz parę elektrochemiczną na małą amplitudę napięcia poniżej pięciu miliwoltów przy użyciu prądu przemiennego lub zmiennych częstotliwości, z odpowiedzią impedancji wykreśloną jako składowa urojona w stosunku do składowej rzeczywistej.

Następnie przełącz zaciski ujemnego napięcia i prądu z anody na elektrodę ze stopu litu i uzyskaj widmo katody w porównaniu z elektrodą ze stopu litowo-cynowego. Na koniec podłącz zaciski ujemnego napięcia i prądu do anody, a zaciski dodatnie do elektrody ze stopu litowo-cyny. Profile napięciowe uzyskano dla całego ogniwa i każdej elektrody w odniesieniu do pary litowej.

Rosnący potencjał elektrody dodatniej podczas ładowania wskazywał na rozdzielenie. A malejący potencjał elektrody ujemnej odpowiednio wskazywał na litację. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna wykazała znaczny wzrost impedancji elektrody dodatniej w stosunku do elektrody referencyjnej z lityowanej cyny po 100-krotnym przełączaniu baterii, ale minimalny wzrost impedancji elektrody ujemnej.

Oznaczało to, że ogólny wzrost impedancji był głównie napędzany wzrostem impedancji dodatniej. Jazda na rowerze w ekstremalnych warunkach napięcia zwiększa ryzyko nawarstwienia się litu na elektrodę ujemną, powodując poważne wyzwania związane z bezpieczeństwem. Prowadzone są dodatkowe eksperymenty mające na celu zrozumienie występowania galwanizacji litu poprzez opracowanie protokołów do badania początku osadzania litu.

Takie podejście można wykorzystać do uzyskania poufnych informacji na temat zachowania elektrody podczas starzenia się baterii. Wyrównanie drutu cynowego z metalami, takimi jak sód lub magnez, może poszerzyć zastosowanie tej techniki do akumulatorów nowej generacji.