Artigo de método

Preparação de célula de moeda de três-elétrodo e eletrodeposição Analytics para baterias do lítio-íon

DOI:

10.3791/57735

⸱

22 de maio de 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

Neste artigo

Resumo

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Células de três-elétrodo são úteis no estudo da eletroquímica de baterias de lítio-íon. Uma configuração tal eletroquímica permite que os fenômenos associados com o cátodo e o ânodo ser dissociados e examinados de forma independente. Aqui, apresentamos um guia para a construção e a utilização de uma célula de moeda de três-elétrodo com ênfase em lítio chapeamento do analytics.

Resumo

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

Como o lítio-íon baterias encontram uso em alta energia e aplicações de energia, tais como em veículos elétricos e híbrido-elétricos, monitoramento da degradação e questões de segurança subsequentes torna-se cada vez mais importante. Em uma configuração de células Li-Ion, a medição de tensão entre os terminais positivos e negativos inerentemente inclui o efeito do cátodo e o ânodo, que são acoplados e soma o desempenho total da célula. Por conseguinte, a capacidade de monitorar os aspectos de degradação associados com um eletrodo específico é extremamente difícil, porque os eletrodos são acoplados fundamentalmente. Uma configuração de três-elétrodo pode superar esse problema. Com a introdução de um terceiro eletrodo (referência), a influência de cada eletrodo pode ser dissociada, e as propriedades eletroquímicas podem ser medidas de forma independente. O eléctrodo de referência (RE) deve ter um potencial estável que pode então ser calibrado contra uma referência conhecida, por exemplo, o metal do lítio. A célula de três-eletrodo pode ser usada para executar testes eletroquímicos, como ciclismo, voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). Medições de sie do três-elétrodo célula podem elucidar a contribuição da impedância do eletrodo individual à célula completa. Além disso, o ânodo potencial de monitoramento permite a detecção de eletrodeposição devido ao chapeamento do lítio, que pode causar problemas de segurança. Isto é especialmente importante para o carregamento rápido de baterias de íon-lítio em veículos elétricos. A fim de monitorar e caracterizar os aspectos de segurança e degradação de uma célula eletroquímica, uma configuração de três-elétrodo pode provar inestimável. Este artigo visa fornecer um guia para a construção de uma configuração de célula de moeda de três-elétrodo usando a arquitetura de célula tipo moeda-2032, que é fácil de produzir, confiável e econômica.

Introdução

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Embora a origem de baterias de lítio pode ser rastreada arbitrariamente distante no passado, a produção em larga escala e comercialização de muitos dos atuais comumente encontrado de iões de lítio começaram na década de 1980. Muitos dos materiais desenvolvidos durante esta época, um exemplo sendo de lítio óxido de cobalto (LiCoO2), encontram-se ainda comumente em uso hoje1. Concentraram-se muitos estudos atuais para o desenvolvimento de diversas outras estruturas de óxido de metal, com alguma ênfase colocada no sentido de reduzir ou eliminar o uso de cobalto no lugar de outro menor custo e mais ambientalmente benignos metais, tais como manganês ou níquel2. A paisagem continuamente mudando de materiais usados em baterias de lítio-íon necessita de um método eficaz e preciso de caracterizar seu desempenho e a segurança. Porque a operação de qualquer bateria envolve a resposta eletroquímica acoplada de ambos os eletrodos positivos e negativos, típico baterias de dois eletrodos caem por ser capaz de caracterizar os eletrodos de forma independente. Caracterização pobre e a consequente falta de entendimento então pode levar a situações perigosas ou pobre desempenho geral da bateria devido a presença de fenômenos de degradação. Pesquisas anteriores tem sido destinadas a padronizar as técnicas de processamento para células típicas de dois-eletrodo3. Um método que melhora as deficiências das configurações padrão de célula é a célula do três-elétrodo.

Uma configuração de três-elétrodo é um método para dissociar as respostas dos dois eletrodos e proporcionar um maior conhecimento sobre a física fundamental da operação de bateria. Em uma configuração de três-elétrodo, um eletrodo de referência é introduzido além do cátodo e o ânodo. O eletrodo de referência é usado para medir o potencial do ânodo e o cátodo dinamicamente durante a operação. Nenhuma corrente passa através do eletrodo de referência e, portanto, fornece uma singular e idealmente estável, tensão. Usando uma configuração de três-elétrodo, a tensão de célula cheia, o potencial de cátodo e o potencial do anodo podem ser coletados simultaneamente durante a operação. Além de medições de potenciais, as contribuições de impedância dos eletrodos podem ser caracterizadas como uma função do estado de célula de carga4.

Configurações do três-elétrodo são muito úteis para o estudo de fenômenos de degradação em baterias de íon-lítio, tais como a eletrodeposição de metal de lítio, também conhecido como o chapeamento do lítio. Outros grupos propuseram três-elétrodo configurações5,6,7,8,9,10,11,12, 13 , mas muitas vezes usam o metal lítio inerentemente instável como referência e incluem o costume, difícil montar configurações levando a confiabilidade reduzida. Lítio chapeamento ocorre quando ao invés de intercalante na estrutura eletrodo anfitrião, lítio é depositado na superfície da estrutura. Esses depósitos geralmente assumem a morfologia de uma camada metálica (relativamente) uniforme (chapeamento) ou pequenas estruturas dendríticas. Chapeamento pode ter efeitos que vão desde causando problemas de segurança que impedem o desempenho de ciclismo. Do ponto de vista fenomenológica, chapeamento do lítio ocorre devido a uma incapacidade de lítio que intercalam na estrutura eletrodo anfitrião eficazmente. Chapeamento tende a ocorrer em baixa temperatura, alta taxa, eletrodo alta estado da carga (SOC) ou uma combinação destes três fatores12de carregamento. A baixa temperatura, a difusão de estado sólida dentro do eletrodo é reduzida, devido a dependência de difusividade de Arrhenius sobre temperatura. A difusão de estado sólida menor resulta em um acúmulo de lítio na interface eletrodo-eletrólito e uma subsequente deposição de lítio. Em uma alta taxa de carregamento, um fenômeno similar ocorre. O lítio tenta intercalam na estrutura eletrodo muito rapidamente, mas é incapaz de e, portanto, é banhado. Em um maior SOC, há em média menos disponível espaço para o lítio que intercalam na estrutura, e, portanto, torna-se mais favorável para depositar na superfície.

Dendrites de lítio são particularmente importantes devido a preocupações de segurança que eles causam. Se dendrites formam dentro de uma célula, existe um potencial para que eles crescem, perfuram o separador e causar um curto interno entre o ânodo e o cátodo. Este curto interno pode levar a temperaturas muito alta-localizada no eletrólito inflamável, muitas vezes resultando em runaway térmico e até mesmo em uma explosão da célula. Outro problema relacionado à formação do dendrito é a área de superfície aumentada de lítio reativa. O lítio recém depositado vai reagir com o eletrólito e causar aumento eletrólito sólido interfase (SEI) formação, que levará à perda de capacidade aumentada e pobre desempenho de ciclagem.

Um problema associado com a concepção de um sistema do três-elétrodo é a seleção do eletrodo de referência adequado. Logística relativas à localização e tamanho da referência, eletrodos positivos e negativos podem desempenhar um papel importante na aquisição de resultados exatos do sistema. Um exemplo é que o desalinhamento dos eletrodos positivos e negativos durante a construção da célula e os efeitos de borda resultantes pode apresentar erro em referência a leitura de14,15. Em termos de seleção de materiais, o eletrodo de referência deveria ter uma tensão estável e confiável e tem uma alta não-polarização. Metal de lítio, que é usado frequentemente como um eletrodo de referência por muitos grupos de pesquisa, tem um potencial que depende do filme de superfície passivo. Isto pode produzir problemas porque limpos e eletrodos de lítio envelhecido exibir diferentes potenciais16. Isso se torna um problema quando são estudados os efeitos de envelhecimento a longo prazo. Pesquisa por Solchenbach et al tentou eliminar alguns desses problemas de instabilidade pela liga de ouro com lítio e usando-a como sua referência11. Outra pesquisa analisou diferentes materiais, incluindo o titanato de lítio, que tem sido estudado experimentalmente e mostra uma grande escala potencial eletroquímico Planalto em torno de 1.5-1.6 V17 (~ 50% SOC). Este planalto ajuda a manter um potencial estável, especialmente em caso de perturbação acidental para o estado do eléctrodo de carga. A estabilidade potencial de LTO, incluindo carbono aditivos condutivos, é mantida mesmo em temperaturas e C-taxas diferentes. 18 é importante ressaltar que a seleção do eletrodo de referência é um passo importante na concepção do três-elétrodo célula.

Muitos grupos de pesquisa propuseram instalação experimental do três-elétrodo de célula. Dolle et al usou células de plástico finas com um eléctrodo de referência de fio de cobre de titanato de lítio para estudar mudanças na impedância devido a andar de bicicleta e armazenamento em altas temperaturas,19. Et al . McTurk empregou uma técnica pelo qual um fio de cobre chapeado de lítio foi inserido em uma célula de bolsa comercial, com o objetivo principal de demonstrar a importância da inserção não invasivas técnicas9. Solchenbach et al . usado uma célula T tipo Swagelok modificada e um eletrodo de referência micro ouro (mencionado anteriormente) para medições de potenciais e impedância. 11 . Waldmann et al colhidas eletrodos de células comerciais e reconstruído suas próprias células do três-elétrodo malote para uso no estudo de deposição de lítio12. Costard et al desenvolveram uma habitação experimental in-house do três-elétrodo celular para testar a eficácia do eletrodo de referência de diferentes materiais e configurações13.

A maioria desses grupos de pesquisa usa metal lítio puro como a referência, o que pode ter preocupações com a estabilidade e o crescimento de SEI, especialmente com o uso a longo prazo. Outras questões envolvem modificações complicadas e demoradas para configurações existentes ou comerciais. Neste trabalho, é apresentada uma técnica confiável e econômica para a construção de células de moeda do três-elétrodo do Li-íon para testes eletroquímicos, como mostrado na Figura 1. Esta configuração do três-elétrodo pode ser construída usando componentes de célula de moeda padrão, fio de cobre e eletrodo de referência baseada em titanato de lítio (ver Figura 2). Este método não requer qualquer equipamento especializado ou modificações elaboradas e segue o padrão de laboratório escala eletroquímica procedimentos e materiais de fornecedores comerciais.

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Protocolo

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1. eletrodo e preparação de separador de referência

  1. Preparação do eléctrodo de referência
    1. Preparação do fio
      1. Corte um comprimento de 120-mm tamanho 32 AWG (0,202 mm de diâmetro) esmaltada o fio de cobre.
        Nota: Cada fio se tornará 1 eletrodo de referência e será usado dentro 1 célula de três-elétrodo.
      2. Coloque uma extremidade do fio em uma prensa de laboratório. Pressione suavemente cerca de 10 mm do fio em uma extremidade a uma pressão de cerca de 4 MPa. Corte o excesso fora a ponta do fio para que a seção achatada é ~ 2 mm de comprimento.
        Nota: A espessura média da ponta é aproximadamente 0,1 mm... não cuidado dobrar a ponta achatada como isso pode desgastar e romper.
      3. Coloque o fio sobre uma placa de corte de politetrafluoretileno (PTFE). Cuidadosamente, use um bisturi para remover o isolamento exterior na ponta do arame achatado. Certifique-se de remover o isolamento de ambos os lados; o produto final deve ser uma secção plana e brilhante de cobre exposto.
      4. Pese o fio usando uma escala de laboratório.
        Nota: Esta massa será usada depois que o chorume foi escalado para determinar a quantidade exata de material ativo presente em cada eletrodo de referência.
      5. Repita os passos de 1.1.1.1 - 1.1.1.5 para um tamanho de lote típico de 36 fios. Coloque os fios em um recipiente para armazenamento. Uma boa opção é gravar os fios em torno da borda de um jarro de vidro pequeno.
    2. Preparação da pasta
      1. Prepare a solução de fluoreto (PVDF) de polivinilideno-10% de peso em N-metil-2-pirrolidona (NMP).
        1. Uma colher de aço inoxidável e uma escala de laboratório, usando um papel pequeno retangular pesar, medem a massa desejada do pó PVDF (0,1 g).
        2. Transferi o pó PVDF do jornal pesar dentro de uma garrafa de plástico de 500 mL. Medir e transferir a massa apropriada de líquido NMP (0,9 g) para a garrafa usando uma pipeta de 1 mL-capacidade laboratorial.
        3. Inserir uma barra de agita magnética a solução; Coloque a garrafa em uma placa de agita magnética e deixe a mistura por tempo indeterminado. Permitir que a solução a mistura pelo menos 24 h antes da primeira utilização. É aconselhável preparar a solução PVDF em massa para evitar ter que fazer lotes menores para cada lote de chorume.
      2. Antes da pesagem qualquer mais pó, limpe a colher de aço inoxidável, o pilão e o almofariz com álcool isopropílico para evitar qualquer contaminação.
      3. A escala de laboratório e a colher de aço inoxidável, usando um papel de pesar, medem a quantidade adequada (0,8 g) de pó de (Li4Ti5O12) de titanato de lítio. Transferi com cuidado o pó para o pilão. Depois da utilização, limpe o furo com álcool isopropílico.
      4. Da mesma forma, pese a quantidade adequada (0,03 g) de KS-6 grafite sintético e aditivo condutivo (0,09 g). Transferi com cuidado o pó para a mesma almofariz e pilão. Limpe o furo com álcool isopropílico, como antes.
      5. Levemente, misture os três pós o almofariz até eles tornar-se uniformemente dispersa. Triture a mistura de pó usando o pilão, até que a mistura se torne homogênea. Transferi com cuidado a mistura de pó para um tubo de misturando descartável de 20 mL.
        Nota: Isto irá servir como um navio de alto cisalhamento misturando para garantir a distribuição homogênea de todas as matérias dentro do chorume.
      6. Adicione a quantidade apropriada de NMP (2,2 mL) para o tubo de misturando usando uma pipeta de laboratório. Adicionar dezesseis diâmetro de 6mm silicato vidro-mistura as bolas e enrosque a tampa. Coloca o tubo de misturando sobre o dispositivo misturador de alto cisalhamento, bloquear o tubo no lugar e misture o chorume para 15 min na configuração máxima (cerca de 6000 rpm).
      7. Adicione 0,8 g da solução de PVDF (preparada anteriormente na etapa 1.1.2.1) para o tubo de misturando. Continue misturando o chorume para mais 5 minutos garantir uma distribuição uniforme do fichário. Imediatamente lançou o chorume sobre os fios. Se o chorume fica por mais de 5 minutos, misture o chorume para um adicional de 15 min antes da utilização, para garantir uma mistura homogênea.
    3. Fundição e secagem de eletrodos de referência
      1. Mergulhe com a mão o cobre exposto, na ponta de cada eléctrodo de referência, o chorume misturado. Alternativamente, gota-elenco dica o chorume de uma pipeta para o fio. Não se esqueça de revestir apenas a seção achatada, exposta do fio de cobre.
      2. Anexe os fios RE elenco para uma base com o fim de elenco suspendido para secagem. O elenco RE para um suporte para evitar o contato do chorume com qualquer superfície molhado de fita (consulte a Figura 3a). Seque os eletrodos pelo menos 8 h em um forno de laboratório a 70 ° C.
      3. Medir a massa de eletrodos de referência após a secagem e estimar a massa seca do chorume (0,1 mg média mais de mais do que um 100 amostras).
      4. Transferi os eletrodos de referência para o glovebox inerte argônio para uso na célula do processo de fabricação.
  2. Preparação de cátodo e o ânodo eletrodo
    1. Selecione o eléctrodo desejado a ser estudado.
      Nota: Para estes testes, eletrodo pré-fabricadas folhas vão ser utilizadas para fins de demonstração. Eléctrodos feitos in-House ou eletrodos de células comerciais colhidos também podem ser usados.
    2. Ejectar um disco circular de material do cátodo usando um oco 1,27 cm (1/2-em) soco. A forma de disco do eletrodo pode ser modificada mecanicamente de acordo com o teste desejado (ver Figura 4). Pesar os eléctrodos e calcular a porcentagem de material ativo.
    3. Repita os passos 1.2.1-1.2.2 para o material do ânodo, e as células adicionais desejado. Coloque cada disco do eletrodo dentro de um frasco de vidro pequeno e transferir com cuidado os frascos para o porta-luvas inerte argônio onde eles serão usados durante o processo de construção de células.
  3. Preparação do separador
    1. Dobre um pedaço de papel (22,6 cm x 28 cm / 8,5 em x 11 em) ao meio longitudinalmente. Corte aproximadamente um pedaço de 25 cm x 8,5 cm de separador de polipropileno (PP) e delicadamente, coloque-a dentro do papel da impressora dobrado.
      Nota: O jornal fornece alguma proteção e rigidez quando o separador está sendo perfurado à mão.
    2. Coloque o papel e separador de sanduíche em cima de uma esteira de corte a auto-cura. Isto proporciona uma superfície firme e ajudará a evitar embotamento do perfurador oco. Usando um oco 1,905-cm (3/4-em) soco, soco de um disco circular separador para cada célula do três-elétrodo. Preparar os separadores em grande quantidade e armazená-los em um frasco de vidro para uso posterior.
    3. Além disso, cortar vários pequenos quadrados de separadores de aproximadamente 5 mm x 8 mm; Dentre estes separadores será usado para cada célula. Armazene em um frasco de vidro pequeno. Transferi os frascos dos separadores para o glovebox inerte argônio para uso no processo de construção de célula.

2. construção da célula de preparação

  1. Preparar o eléctrodo de referência usando um par de alicates para dobrar o arame em forma de espiral (ver Figura 3b). Certifique-se de que a forma de espiral final vai caber dentro da gaxeta da célula de moeda (cerca de 1,58 cm de diâmetro). Coloque cada espiral de eletrodo em um barco pequeno pesar e reserve-os.
    Nota: A espiral de fio extra proporciona estabilidade e irá também ser desdobrado e mais tarde usado na célula de trabalho.
  2. Limpe os dois lados de uma fita de metal de lítio usando um bisturi ou uma lâmina de barbear. Raspar qualquer oxidação da superfície até o lítio brilhante transparece. Certifique-se de limpar os dois lados do lítio. Tome muito cuidado ao usar objetos cortantes dentro do porta-luvas.
  3. Um soco dois 1,58 cm (5/8 em) discos para cada célula da faixa de lítio limpo usando o soco oco.
  4. Coloque um disco de lítio no centro de um espaçador de aço de 0,5 mm. Pressione o metal do lítio com o espaçador firmemente juntos; Normalmente, uma imprensa de polegar seria suficiente. Certifique-se de que o disco de lítio varas para o espaçador.
  5. Lugar, o caso de célula de moeda dentro de um pequeno pesar o barco. Coloque o segundo disco de lítio dentro da caixa de célula de moeda. Certifique-se que o lítio é centrado e pressione firmemente para que o lítio adere ao fundo da caixa. Coloque algumas gotas do eletrólito [1,0 M LiPF6 na CE/DEC (1:1 em volume)] do disco de lítio e várias gotas em torno da borda de lítio para preencher a lacuna de fora.
    Nota: Se o eletrólito insuficiente é adicionado, vai haver bolhas sob o separador e dentro da célula, que é indesejável.
  6. Coloque um 1,905-cm (3/4-em) PP separador na parte superior do disco de lítio molhadas. Certifique-se que o separador é completamente umedecido e há nenhuma bolha presa embaixo. Coloque a gaxeta na célula com o lábio de vedação virado para cima; este lip é onde a tampa se encaixará em. Pressione firmemente para se encaixar o caso a junta.
  7. Usando um par de pinças de plástico, Coloque suavemente a espiral de eletrodo de referência no centro da célula. Adicione algumas gotas do eletrólito em torno do eletrodo de referência. Coloque um pequeno, separador de retângulo no topo onde o fio cruza sobre a junta e o caso de célula.
    Nota: O separador ajuda a evitar curto-circuito entre o fio e a tampa de metal da célula.
  8. Coloque um 1,58 cm (5/8 em) separador na parte superior da espiral de eletrodo de referência. Certifique-se que o separador é completamente umedecido e que não há nenhuma bolha preso embaixo. Coloque o disco de lítio-espaçador em cima o eletrodo de referência, com o lado revestido de lítio virado para baixo.
  9. Coloque a mola de onda em cima do espaçador. Certifique-se de todos os componentes estão centrados no interior da célula. Preencha a célula até a borda com o eletrólito. Quando a célula é frisada, o eletrólito extra vai ser espremido.
  10. Usando uma pinça de plástico, coloque cuidadosamente a tampa do celular em cima do assembly. Pressione firmemente para a tampa do assento para o lábio da junta. Dobre o fio eléctrodo de referência tal que estabelece plana por cima da tampa. Isso é feito para certificar-se de que o fio não é cortado quando a célula de friso (ver Figura 2).
  11. Transferi com cuidado a célula para o dispositivo de moeda-célula-friso usando uma pinça de plástico. Ao transportar, manter a célula plana para evitar a perda de qualquer eletrólito adicional. Friso da célula de moeda para aproximadamente 5 MPa (750 psi).
  12. Remover a célula de moeda do frisador e dobre o fio exposto recua longe da parte superior da célula. Isso é para evitar qualquer possível curto-circuito entre a tampa e o eletrodo de referência.
  13. Remova a célula de moeda concluído no porta-luvas do argônio. Usando álcool isopropílico e um limpador de tarefa de fiapos, limpe cuidadosamente o exterior da célula. Tome cuidado para não comprometer o fio ou o local onde o fio sai da célula.
  14. Selagem da célula
    1. Seca cuidadosamente a célula de moeda usando um limpador de tarefa de fiapos. Tome cuidado extra para secar o local onde o fio sai da célula de moeda.
    2. Misture partes iguais de resina e endurecedor para formar um epóxi não condutora. Usando um palito ou um pequeno aparelho de sondagem, cuidadosamente aplique uma pequena quantidade de epóxi para o local onde o fio sai da célula de moeda. Este é o local onde a célula é mais provável a vazar.
    3. Permitir que 1 h para o epóxi secar antes de conectar a célula de moeda para qualquer equipamento de teste. Observe que pode levar até 24h para o epóxi totalmente curar e rigidez.
      Nota: O propósito do epóxi é selar a célula (veja Figura 5) e não para fornecer qualquer resistência mecânica.

3. Lithiation procedimento

  1. Configuração de Conexão
    1. Usando um isqueiro portátil, queimar cerca de 2 cm de isolamento na extremidade do fio eléctrodo de referência salientes da célula; Isto é onde o fio irá se conectar ao dispositivo de teste. Dobre o fio exposto volta sobre si mesmo para melhorar a conexão ao conectar-se a célula de três-elétrodo para testes.
    2. Coloque um pequeno quadrado de fita isolante (2 x 2 cm) na parte superior da caixa de célula de moeda; Isto deve evitar qualquer contacto eléctrico entre a parte superior da célula de moeda e o titular de célula de moeda. Coloque a célula de preparação no suporte de célula.
      Nota: A parte superior da célula deve ser isolado de qualquer conexão e o fundo da célula deve ser ligado à leitura negativa no porta-celular.
    3. Usando um grampo jacaré, conecte o eletrodo de referência para o clip top no porta-celular (conexão positiva).
      Nota: A célula deve ser configurar para testar com o eletrodo de referência, atuando como o elétrodo positivo e o disco de lítio inferior (caso de célula) atuando como o elétrodo negativo.
  2. Tensão de calibração de referência
    1. Calcule a quantidade de material ativo para o eletrodo de referência.
      Nota: Para uma massa de eletrodo típico de 0,1 mg e uma composição de material ativo de 80%, isto vem a 0,08 mg.
    2. Usando a massa de material ativa e a capacidade teórica específica de titanato de lítio20, determine a corrente adequada para carregar o celular no C/16.
    3. Ciclo o eléctrodo de referência várias vezes dentro da faixa de voltagem apropriada (1,25-2.25 V vs Lili/+) em C/16; Este intervalo vai mudar dependendo o eletrodo de referência em uso. Tome nota da tensão da tensão/referência de planalto, que deve ocorrer durante o carregamento e descarregamento de processos.
      Nota: Para um eletrodo de12 Li4Ti5O esse valor é normalmente cerca de 1,56 V vs Lili/+.
    4. Grave a tensão de referência e a célula correspondente ao qual está associado. Use esta tensão mais tarde para calibrar o potencial dos eletrodos quando usado em uma célula de trabalho.
    5. Descansar a célula para 24h e monitorar o que o potencial do eletrodo de referência é constante.
    6. Transferi a célula lithiated no ambiente inerte de argônio para uso na construção de células de trabalho. Evitar qualquer contacto entre o eléctrodo de referência e a tampa ou o caso da célula; Isto poderia curto o eléctrodo de referência e alterar o seu potencial.

4. construção da célula de trabalho

  1. Lugar, o caso de célula de moeda dentro de um pequeno pesar o barco. Coloque o disco do cátodo no centro da caixa de célula. Coloque algumas gotas do eletrólito DEC no cátodo e várias gotas em torno da borda para preencher o fosso exterior.
  2. Coloque um 1,905-cm (3/4-em) separador na parte superior do eletrodo. Certifique-se que o separador é completamente umedecido e que não há nenhuma bolha preso embaixo. Coloque a junta com o pequeno lábio para a tampa do celular virada para cima. Pressione firmemente para se encaixar corretamente a junta o caso. Reserve o assembly de célula de moeda e localizar a célula lithiated preparação.
  3. Extração do eletrodo de referência lithiated
    1. Aplica uma pequena praça de fita isolante para o topo da célula lithiated preparação. Isso ajuda a evitar curto-circuito entre o caso e a tampa durante a desmontagem.
    2. Segure o celular de preparação, com o lado da tampa virada para cima, usando o alicate de bico fino. Tenha cuidado para não curto a célula com o alicate de metal. Use o alicate de corte final para cuidadosamente, mas firmemente, abrir a célula de moeda ao longo da borda. Tome cuidado para não curto a parte superior e inferior da célula com o alicate de metal.
    3. Uma vez que cerca de 70% da célula tem sido arrombada aberta, segure o caso com o alicate de corte final e cuidadosamente separar o caso de célula e cap usando o alicate de bico fino. Extraí cuidadosamente o eletrodo de referência lithiated. Descarte os outros componentes da célula.
  4. Com um alicate, solte o fio eléctrodo de referência em forma de espiral e endireitar. Re-dobre o fio, tal que a ponta fica no centro do eletrodo e o cabo estende-se sobre a borda da célula. Corte o fio exposto, não isolado.
  5. Adicione algumas gotas do eletrólito e em torno do eletrodo de referência. Coloque um pequeno, retangular separador na parte superior onde o fio cruza sobre o caso da gaxeta e célula. Isso ajuda a evitar curto-circuito entre o fio e a caixa de metal e cap.
  6. Coloque um 1,58 cm (5/8 em) separador na parte superior do eletrodo de referência; Isso ajuda a evitar curto-circuito entre o eléctrodo de referência e o ânodo. Coloque o disco de ânodo preparado em cima o eléctrodo de referência na célula. Tome cuidado para alinhar corretamente a forma do cátodo com o do ânodo.
    Nota: A ponta do eletrodo de referência deve ser o centro e o fio deve sair na abertura retangular.
  7. Cuidadosamente coloque o espaçador de aço inoxidável de 1,0 mm em cima o ânodo. Coloque a mola de onda em cima do espaçador. Certifique-se de que todos os componentes estão centrados na célula. Preencha a célula até a borda com o eletrólito.
  8. Usando uma pinça de plástico, coloque cuidadosamente a tampa do celular em cima do assembly. Pressione firmemente para baixo para a tampa do assento para o lábio da junta. Com cuidado dobre o fio restante volta a tampa do celular antes da prensagem. Isso impede que o fio ser cortado durante a prensagem.
  9. Transferi com cuidado a célula para o dispositivo de friso de célula de moeda usando um par de pinças de plástico. Ao transferir a célula, mantê-la plana para evitar a perda de eletrólito adicional. Afetar a célula à aproximadamente 5 MPa (750 psi).
  10. Remova a célula de moeda no porta-luvas do argônio. Limpe cuidadosamente a célula usando álcool isopropílico e um limpador de tarefa de fiapos.
  11. Selagem da célula
    1. Seca cuidadosamente a célula de moeda usando um limpador de tarefa de fiapos. Tome cuidado extra para secar o local onde o fio sai da célula de moeda.
    2. Misture partes iguais de resina e endurecedor para formar um epóxi não condutora. Usando um palito de dente, aplique cuidadosamente uma pequena quantidade de epóxi para o local onde o fio sai da célula de moeda. Este é o local onde a célula é mais provável a vazar.
    3. Permitir que 1 h para o epóxi secar antes de conectar a célula de moeda para qualquer equipamento de teste.
      Nota: Pode demorar até 24 h para o epóxi totalmente curar e rigidez. No entanto, o propósito do epóxi aqui é para selar a célula e não para fornecer qualquer resistência mecânica.

5. eletroquímicas testes

  1. Desempenho e ciclismo
    1. Calcule a capacidade teórica para o cátodo e o ânodo de eletrodos.
      1. Usando o peso seco total do disco eletrodo, a massa da carcaça de alumínio/cobre e a porcentagem do peso do material ativo, determinar a massa do material ativo presente para cada eletrodo.
      2. Determine a capacidade de cada eletrodo multiplicando a massa do material ativo por sua respectiva capacidade teórica. Usando a capacidade de eletrodo mais limitante (normalmente o cátodo), determine a capacidade total da célula.
    2. Conecte a célula eletroquímico dispositivo de medição de, tendo o cuidado com a força positiva e positiva sensor de conexão para o cátodo e a energia negativa e sensor para o ânodo. Conectar-se a referência para o eletrodo de referência através do fio de cobre (ver Figura 6b).
    3. Verifique que o celular está ligado e funcionando corretamente, verificando a tensão de circuito aberto e potenciais. A tensão de referência são registados durante o procedimento lithiation para calibrar as leituras de potencial cátodo e o ânodo.
    4. Ciclo da célula completa à C-taxa desejada, por exemplo C/10 e medir o potencial de célula, cátodo e ânodo completo simultaneamente. Repita as etapas 5.1.1 - 5.1.4 para outras células e C-taxas conforme desejado, dependendo das especificações e requisitos para cada célula.
  2. Espectroscopia de impedância eletroquímica
    1. Impedância de celular completo
      1. Conecte a célula para o dispositivo de medição do sie. Use a seguinte configuração: o poder positivo e positivo do sensor do cátodo, a energia negativa e sensor negativo para o ânodo.
        Nota: O sensor de referência deve ser ligado ao ânodo. O eletrodo de referência deve permanecer desconectado.
      2. Selecione o controle potentiostatic para o sie com uma amplitude de 10 mV. Selecione uma faixa de frequência de 1 MHz e 1 mHz. Recolha a impedância da célula completa. Plote um lote de Nyquist e Bode plot para analisar a resposta da célula.
        Nota: A faixa de frequência não pode sempre ser exigida e pode ser modificada depois de coletar os resultados preliminares.
    2. Impedância de cátodo
      1. Conectar a célula para o dispositivo de medição EIS com o seguinte: o poder positivo e positivo do sensor do cátodo, a energia negativa e sensor negativo para o ânodo e o sensor de referência para o eletrodo de referência através do fio de cobre.
      2. Repita as mesmas etapas quanto a impedância de célula cheia (etapas 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    3. Impedância de ânodo
      1. Conectar a célula para o dispositivo de medição EIS com o seguinte: o poder positivo e positivo sensor para o ânodo, a energia negativa e sensor negativo ao cátodo e o sensor de referência para o eletrodo de referência através do fio de cobre.
      2. Repita as mesmas etapas quanto a impedância de célula cheia (etapas 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    4. Impedância em função do estado da carga
      1. Conectar o dispositivo de medição de sie de acordo com a medição de impedância desejada da célula: célula completa, cátodo ou ânodo. Use etapas 5.2.1.1, 5.2.2.1 ou 5.2.3.1, respectivamente, para a conexão apropriada.
      2. Cobra a célula usando uma corrente constante em C/2 até que a célula atinge o limite superior de tensão. Mantenha a tensão no limite superior usando um método de controle de tensão constante até as gotas atuais aplicadas abaixo C/100. A célula deve agora ser totalmente carregada.
      3. Descarga da célula em C/2 por 3 min; a célula agora deve estar em 90% SOC. permitir a célula para descansar por 1h para atingir condições de equilíbrio térmico e eletroquímica.
      4. Recolha a impedância usando o mesmo procedimento apresentado em etapas 5.2.1.2 - 5.2.1.3. Repita as etapas 5.2.4.3 e 5.2.4.4 para coletar a impedância em função do SOC.

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Resultados

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Resultados típicos para a tensão e perfis de potenciais para a célula de três-elétrodo podem ser vistos na Figura 7. Em uma configuração ideal, a tensão de célula completa deve ser idêntico ao produzido a partir de uma célula de dois eletrodos, usando o mesmo par de eletrodo. Este é um método para determinar se a inserção do eléctrodo referência modifica o desempenho da célula. Se houver uma diferença significativa entre o desempenho de dois e três-elétrodo c...

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Discussão

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Célula de pressão de friso desempenha um papel importante na taxa de sucesso da preparação e células de trabalho. Se a célula é frisada a uma pressão muito alta (> 800 libras por polegada quadrada), o eletrodo de referência pode tornar-se em curto com a tampa da pilha devido a referência bancária posição entre a tampa e a gaxeta. Note que o fio Cruzando essa interface é um requisito para conectar-se o eléctrodo de referência de leitura para um dispositivo de medição externa. Se a pressão de célula é muito baixa (< 700 li...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Apoio financeiro do programa de parceria de pesquisa de Universidade de Texas Instruments (TI) é reconhecido com gratidão. Os autores também com gratidão reconhecem a assistência de Chen Chien-fã da energia e transporte laboratório de Ciências, engenharia mecânica, Texas A & M University, durante a fase inicial deste trabalho.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Ágata Mortar and PilleVWR89037-492in diameter
Die SetMayhew66000
Laboratory PressBalança Analítica MTIYLJ-12
Dispositivo de Mistura de Alto Cisalhamento
Crimpador HidráulicoMTIMSK-110
Bateria CyclerArbin InstrumentsBT2000
Potenciostato/Galvanostato/EISBio-LogicVMP3
Forno e Bomba a VácuoMTI-Fio
CobreRemingtonPN15532 AWG
Bolas de VidroMcMasterr-Carr8996K25Bolas de vidro borossilicato de 6 mm
Tubo de agitaçãoIKA370300020 ml
Celgard 2500 SeparadorMTIEQ-bsf-0025-60C25 μ m de espessura;
Kit de Célula de Moeda de Aço Inoxidável Polipropileno CR2032Materiaiskit de célula de moeda inclui: caixa, tampa, junta PP
Espaçador de Aço InoxidávelMateriais de Aço Inoxidável15,5 mm de diâmetro e tempos; 0,5 mm de espessura
Materiais de Aço Inoxidável de Mola Onduladade Aço Inoxidável15,0 mm de diâmetro e tempos; 1,4 mm de altura
Ânodo de Bateria de Íons de Lítio - GrafiteMTIbc-cf-241-ss-005Foil Single Side Revestido por CMS Graphite (241mm L x 200mm W x 50μ m Espessura)
Cátodo de Bateria Li-ion - LiCoO2MTIbc-af-241co-ss-55Folha de Alumínio Lado Único Revestido por LiCoO2 (241mm L x 200mm W x 55μ m Espessura)
Difluoreto de polivinilideno (PVDF)KynarFlex 2801
N-Metil-2-Pirrolidinona Anidro (NMP), 99,5%Sigma Aldrich328634
CNERGY Super C-65Eletrólito Timcal
(1,0 M LiPF6 em EC/DEC, 1:1 por vol.)BASF50316366
Titanato de Lítio (Li4Ti5O12)Sigma Aldrich702277
KS6 Grafite SintéticaTimcal
Fita de Metal de LítioSigma Aldrich3200800,75 mm de espessura
Epóxi MultiusoLoctite
Fita IsolanteScotch 3M Super 88 
Álcool Isopropílico (IPA), reagente ACS, ≥ 99,5%Sigma Aldrich190764
5 Ohaus Adventurer AX IKA 3645000 Porta-luvas cheio de argônio MBraun LABstar de de Pressão O

Referências

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