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

O objetivo geral deste estudo é demonstrar a construção de uma configuração confiável de célula tipo moeda de três eletrodos para investigar fenômenos de degradação em células de íons de lítio e, ao mesmo tempo, identificar a influência do ânodo e do cátodo. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo de armazenamento de energia e cetro, como qual é o papel do ânodo e do cátodo nos fenômenos de degradação das células de íons de lítio. A principal vantagem desta técnica é a simplicidade da construção celular, juntamente com a confiabilidade da medição, das propriedades eletroquímicas.

As implicações desta técnica se estendem ao monitoramento das características eletroquímicas do ânodo e do cátodo separadamente durante o processo de carga e descarga devido à presença do eletrodo de referência. Construa o eletrodo de referência com fio de cobre esmaltado. Corte um fio de 120 milímetros de comprimento para cada célula de três eletrodos.

Coloque uma extremidade de fio de cerca de dez milímetros em uma prensa de laboratório e aplique quatro megapascais de pressão. Depois de remover o fio, corte-o de forma que a seção achatada tenha cerca de dois milímetros de comprimento. Em seguida, use cuidadosamente um bisturi para remover o isolamento externo na extremidade achatada.

Coloque o fio de lado e passe a fazer a pasta. Obtenha uma solução de PVDF e NMP a 10% em peso. Separadamente, pese e adicione à mesma argamassa pó de titanato de lítio, grafite sintética e um aditivo condutor.

Misture e triture os pós até obter uma mistura homogênea. Em seguida, transfira a mistura de pó para um tubo de mistura descartável de 20 mililitros. Em seguida, use uma pipeta para adicionar a solução NMP.

Continue adicionando 16 bolas de mistura de vidro de silicato de seis milímetros de diâmetro antes de aparafusar a tampa. Use um dispositivo de mistura de alta transparência para misturar a pasta. Após a mistura, trabalhe com a pasta e o fio exposto previamente preparado.

Com a mão, mergulhe a ponta de cobre exposta na pasta mista. Na remoção, prenda os fios a uma base, com a extremidade fundida para cima, para secar. Seque os eletrodos em um forno de laboratório a 70 graus Celsius por pelo menos oito horas.

Quando todos os componentes e eletrólitos estiverem prontos, coloque-os em um porta-luvas de argônio. Aqui estão a caixa e a tampa, a junta, os separadores de polipropileno, o espaçador de aço inoxidável e a mola ondulada. Dobre o eletrodo de referência em forma de espiral usando um alicate.

Dentro do porta-luvas, prepare dois discos limpos de lítio. Obtenha um disco de lítio e um espaçador de aço inoxidável. Coloque o disco de lítio no centro do espaçador e pressione os dois juntos com firmeza.

Verifique se o lítio adere ao espaçador. Agora, trabalhe com a caixa de célula tipo moeda e um pequeno barco de pesagem e centralize o segundo disco de lítio dentro da caixa. Pressione-o com firmeza e certifique-se de que ele grude.

Coloque várias gotas de eletrólito no disco de lítio. Coloque várias gotas ao redor da borda do lítio para preencher a lacuna externa. Em seguida, coloque um separador de polipropileno em cima do disco de lítio molhado.

Quando o separador estiver completamente molhado, coloque a junta na célula com a borda voltada para cima. Use uma pinça de plástico para colocar suavemente a espiral do eletrodo de referência no centro da célula. Adicione algumas gotas de eletrólito ao redor do eletrodo de referência.

Em seguida, coloque um pequeno separador quadrado onde o fio cruza a junta e a caixa. Continue colocando um separador de polipropileno em cima do eletrodo de referência. Recupere o disco espaçador de lítio e coloque-o em cima do conjunto, com o lado do lítio voltado para baixo.

Em seguida, coloque a mola ondulada em cima do espaçador. Em seguida, use uma pinça de plástico para colocar cuidadosamente a tampa em todo o conjunto. Empregue um crimpador para crimpar a célula tipo moeda para cerca de cinco megapascais.

Neste ponto, a célula pode ser removida do porta-luvas. Limpe e seque a célula antes de continuar. Para selá-lo, use um palito para aplicar uma pequena quantidade de epóxi não condutor onde o fio sai da célula tipo moeda.

Para litiação, configure o dispositivo de teste. Coloque um pequeno quadrado de fita isolante na parte superior da caixa da célula tipo moeda e coloque-a no suporte da célula. Use um clipe jacaré para conectar o eletrodo de referência à conexão positiva do suporte da célula.

Alterne o eletrodo de referência várias vezes na faixa de tensão apropriada. Observe a tensão de referência, que deve ocorrer durante os processos de carga e descarga. Retorne a célula ao porta-luvas de argônio equipado com os materiais para fazer uma célula funcional.

Coloque o disco catódico no centro da caixa da célula. Em seguida, coloque várias gotas do eletrólito na parte superior e ao redor da borda. Em seguida, coloque um separador em cima do eletrodo molhado.

Em cima disso, coloque a junta com a borda voltada para cima. Coloque o conjunto de lado e obtenha a célula de preparação litiada. Aplique fita isolante na parte superior da caixa e segure-a com um alicate de bico fino.

Use um alicate de ponta cortante para abrir a borda da célula tipo moeda. Quando possível, separe a caixa da célula e a tampa e extraia cuidadosamente o eletrodo de referência litiado. Com um alicate, desdobre a espiral do eletrodo de referência e endireite-o.

Junte a célula de trabalho e o eletrodo de referência. Coloque a ponta do eletrodo de referência no centro do eletrodo de trabalho. Ele se estenderá sobre a borda da célula.

Dobre novamente o fio na borda da célula e coloque um pequeno separador retangular onde o fio cruza a caixa. Em seguida, posicione um separador na parte superior do eletrodo de referência. Cubra isso com o disco de ânodo preparado.

Coloque cuidadosamente um espaçador de aço inoxidável de um milímetro no ânodo. Em seguida, coloque a mola ondulada no conjunto. Agora, encha a célula até a borda com eletrólito.

Use uma pinça de plástico para colocar cuidadosamente a tampa da célula no conjunto. Transfira a célula para um crimpador e prenda a célula a cinco megapascais. Depois de remover a célula da caixa de argônio, limpe-a e feche-a.

Deixe a célula completa secar por pelo menos uma hora. Leve a célula a um dispositivo de medição eletroquímica. Conecte a célula como neste esquema.

A potência positiva e o sensor positivo se conectam ao cátodo. A potência negativa e o sensor se conectam ao ânodo. A referência se conecta ao eletrodo de referência.

Cicle a célula completa na taxa C desejada e meça simultaneamente os potenciais do cátodo e do ânodo da célula completa. Mova a célula para o dispositivo de espectroscopia de impedância eletroquímica. Conecte a potência positiva e o sensor ao cátodo da célula e a potência negativa e o sensor e o sensor de referência ao ânodo.

Mantenha o eletrodo de referência desconectado. No painel de controle, selecione uma amplitude de dez milivolts. Selecione a faixa de frequência de um megahertz a um milihertz.

Comece a coletar a impedância de toda a célula. Aqui estão as medições de tensão em corrente constante para um ânodo, usando a escala à direita, e um cátodo, e uma célula completa de dois e três eletrodos usando a escala à esquerda. A taxa de carregamento é 1/10 do máximo calculado.

As tensões de célula completa para as células de dois e três eletrodos são as mesmas, sugerindo que o eletrodo de referência não modifica o comportamento. Compare-os com medições de tensão durante a descarga. Durante o carregamento, o potencial do cátodo aumenta em relação ao lítio slash plus à medida que o lítio se move do cátodo para o ânodo.

O potencial no ânodo diminui. As medições de tensão durante a descarga demonstram que o oposto ocorre nessas condições. Este é um exemplo do espectro de impedância coletado para a célula completa de três eletrodos em função do estado de carga.

Aqui estão espectros adicionais para o cátodo e o ânodo. Os dados são úteis para encontrar contribuições individuais para a impedância do eletrodo à medida que o estado de carga muda. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em cinco dias, incluindo testes de ciclagem e impedância, se for realizada corretamente.

Ao tentar este procedimento, é importante lembrar que o fio do eletrodo de referência é fino e pode quebrar se não for manuseado adequadamente. Seguindo este procedimento, testes de mapeamento rápido e de segurança podem ser realizados para responder a perguntas como: É possível mapear rapidamente uma célula sem induzir qualquer degradação? E qual é o papel do ânodo e do cátodo nos eventos de falha?

Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores na área de armazenamento de energia diagnosticarem falhas e melhorarem a vida útil das baterias de íon de lítio. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como construir uma célula de três eletrodos estável e confiável usando componentes típicos encontrados em qualquer laboratório eletroquímico. Não se esqueça de que trabalhar com compostos de lítio, eletrólitos orgânicos e equipamentos elétricos pode ser extremamente perigoso, e precauções, como o uso de equipamentos de proteção individual, devem sempre ser tomadas durante a execução deste procedimento.