Методическая статья

Подготовка клетки тремя электродами монет и электроосаждение аналитика для литий ионных батарей

DOI:

10.3791/57735

⸱

22 мая 2018 г.

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

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

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

3 электродный клетки полезны в изучении электрохимии литий ионных батарей. Электрохимические установки позволяет явления, связанные с катодом и анодом развязкой и изучить самостоятельно. Здесь мы представляем руководство для строительства и использования тремя электродами таблетка с упором на литий, покрытие аналитики.

Аннотация

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

Как литий ионные аккумуляторы найти применение в высокой энергии и мощности приложений, таких как в электрических и гибридных электрических транспортных средств, мониторинга деградации и вопросы последующих безопасности становится все более важным. В установке ячейки Li-ion измерение напряжения через терминалы положительные и отрицательные по сути включает в себя эффект катода и анода, которые соединены и сумму производительность общей ячейки. Соответственно способность контролировать аспекты деградации, связанные с конкретным электрода чрезвычайно трудно, потому что электроды соединены принципиально. 3 электродный установки может преодолеть эту проблему. Путем введения третьего электрода (Справочник), влияние каждого электрода может быть отделены, и электрохимических свойств могут быть измерены независимо друг от друга. Электрод сравнения (RE) должны иметь стабильный потенциал, который затем может быть откалиброван против известных ссылку, например, лития. Ячейка 3 электрод может использоваться для электрохимических тесты как Велоспорт, циклической вольтамперометрии и электрохимических импедансной спектроскопии (EIS). Ячейка 3 электрод EIS измерений можно выяснить вклад отдельных электродов импеданс в полном ячейку. Кроме того мониторинг потенциальных анода позволяет обнаружение электроосаждения за литий обшивки, который может вызвать проблемы безопасности. Это особенно важно для быстрой зарядки литий-ионных батарей в электрических транспортных средств. Для того, чтобы контролировать и охарактеризовать аспекты безопасности и деградации электрохимической ячейки, тремя электродами установки может оказаться бесценным. Этот документ призван служить руководством для строительства 3 электрод монета клетки установки, с помощью архитектуры 2032-таблетка, которая легко производить, надежным и экономически эффективным.

Введение

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

Хотя происхождение литий батареи можно проследить произвольно далеко в прошлое, крупномасштабное производство и коммерциализация многих из сегодняшних часто найдены литий ионные батареи началось в 1980-х. Многие из материалов, разработанных в эту эпоху, одним из примеров является оксид лития кобальта (LiCoO2), до сих пор обычно встречаются в использовании сегодня1. Многие текущие исследования были сосредоточены на пути развития других структур окиси металла, с некоторым акцентом на пути сокращения или прекращения использования кобальта вместо других более низкая стоимость и более экологически безопасные металлов, таких как 2марганца или никель. Постоянно меняющегося ландшафта материалов, используемых в литий ионные аккумуляторы требует метод эффективной и точной характеризации их производительность и безопасность. Потому что операция любого аккумулятора включает спаренных электрохимические реакции положительные и отрицательные электроды, типичный два электрода аккумуляторов соответствуют возможность характеризовать электроды самостоятельно. Бедных характеристику и последующее отсутствие понимания может привести к опасным ситуациям или бедных производительность батареи вследствие наличия деградации явлений. Предыдущие исследования были направлены на стандартизацию методов обработки для типичных клеток двух электрод3. Один из методов, который улучшает недостатки стандартной ячейки конфигурации является ячейкой тремя электродами.

3 электродный установки является одним из способов отделить ответы двух электродов и обеспечить более глубокое понимание фундаментальной физики работы батареи. В трех электрод установки электрод сравнения вводится в дополнение к катод и анод. Затем этот электрод сравнения используется для измерения потенциал анода и катода динамически во время операции. Не ток проходит через электрод сравнения и следовательно, он обеспечивает единственное и идеально стабильным, напряжение. С помощью программы установки 3 электрод, полное напряжение, потенциал катода и анода потенциал может быть собрана одновременно во время операции. Помимо возможных измерений вклад импеданс электродов можно охарактеризовать как функция состояния клеток, бесплатно4.

3 электрод установок являются очень полезными для изучения деградации явлений в литий ионных батарей, таких электроосаждения лития, также известный как литий покрытие. Другие группы предложили три электрод установок5,6,,78,9,10,11,12, 13 но они часто используют нестабильным литий-металлические как ссылка и включают в себя пользовательские, трудно собрать установок, ведущих к снижения надежности. Литий покрытия происходит когда вместо вставочный в структуру узла электрода, литий осаждается на поверхности структуры. Эти отложения часто предполагают морфологии (относительно) универсальный металлический слой (покрытие) или небольших дендритных структур. Покрытие может иметь последствия, начиная от вызывают вопросы безопасности для противодействия Велоспорт производительности. С точки зрения феноменологической литий хромирование происходит из-за неспособности лития вставлять в структуре электрода принимающей эффективно. Покрытие, как правило, происходят при низкой температуре, высокие зарядки скорость, высокий электрода состояние заряда (SOC) или сочетание этих трех факторов12. При низкой температуре твердотельные диффузии внутри электрода уменьшается, вследствие Аррениуса температуропроводности зависимость от температуры. Более низкие результаты твердотельных диффузии в накопление лития на интерфейсе электрод электролит и последующее осаждение лития. Высокой скоростью зарядки аналогичное явление происходит. Литий пытается вставлять в структуре электрода очень быстро, но не может и таким образом является покрытием. В выше SOC составляет в среднем менее доступное пространство для лития вставлять в структуру, и таким образом она становится более благоприятным для депозита на поверхности.

Литий дендритов имеют особенно важное значение ввиду озабоченность по безопасности, которые они вызывают. Если дендритов образуют внутри клетки, есть потенциал для них, чтобы расти, проткнуть сепаратор и вызвать внутреннего короткого между анодом и катодом. Этот внутренний короткий может привести к очень высокой локализованных температур в легковоспламеняющиеся электролита, часто приводит к тепла и даже к взрыву ячейки. Другой вопрос связан с образованием дендритов является увеличение площади поверхности реактивной лития. Недавно на хранение литий будет реагировать с электролитом и вызывают увеличение твердого электролита межфазовые изолирующие (ИУЭ) образование, которое приведет к увеличению потенциала потери и производительность Велоспорт.

Один вопрос, связанный с тремя электродами системы является выбор соответствующей ссылки электрода. Логистики, касающимся расположения и размера ссылкой положительные и отрицательные электроды могут играть важную роль в получении точных результатов из системы. Одним из примеров является, что рассогласование положительных и отрицательных электродов при строительстве клеток и в результате воздействия края можно ввести ошибка в ссылке на чтение14,15. С точки зрения выбор материала электрод сравнения должны иметь стабильные и надежные напряжения и имеют высокий не поляризуемость. Лития, который часто используется как электрод сравнения многих исследовательских групп, имеет потенциал, который зависит от пассивного поверхности пленку. Это может производить вопросы, потому что очищены и возрасте литий электроды отображать различные потенциалы16. Это становится проблемой, когда изучаются долгосрочные эффекты старения. Исследования Solchenbach et al. была предпринята попытка устранить некоторые из этих вопросов нестабильности, сплава золота с литий и использовать его как их ссылки11. Другие исследования посмотрел на различные материалы, включая титаната лития, который экспериментально изучено и показывает большой электрохимический потенциал плато диапазон вокруг 1.5-1.6 V17 (~ 50% SOC). Это плато помогает поддерживать стабильный потенциал, особенно в случае случайного возмущений электрода состояние заряда. Потенциальные стабильность LTO, включая проводящих добавки на основе углерода, поддерживается даже на различных C-тарифы и температуры. 18 важно подчеркнуть, что выбор электрод сравнения представляет собой важный шаг в дизайн 3 электрод клеток.

Многие исследовательские группы предложили экспериментальной тремя электродами клетки установки. Долле et al. используются тонкие пластиковые клетки с электродом ссылка медной проволоки титаната лития для изучения изменений в сопротивление из-за Велоспорт и хранения при высокой температуре19. McTurk et al. работает техника, whereby литий покрытием медной проволоки был вставлен в ячейку коммерческих мешочек с главной целью продемонстрировать важность методов неинвазивной вставки9. Solchenbach и др. для модифицированных Swagelok тип Т-клеток и золото микро ведения электрода (упоминалось ранее) импеданс и возможных измерений. 11 Waldmann et al. собирают электродов от коммерческих клеток и реконструирован собственных клеток тремя электродами мешочек для использования в изучении литий осаждения12. Costard et al. разработали жилищного строительства собственных экспериментальных тремя электродами ячейки для проверки эффективности различных справочных электродных материалов и конфигураций13.

Большинство из этих исследовательских групп использовать чистый лития как ссылку, которая может иметь проблемы со стабильностью и SEI роста, особенно при длительном применении. Другие вопросы связаны с сложным и трудоемким модификации существующих или коммерческих установок. В настоящем документе представлена надежной и экономически эффективной техники для строительства 3 электрод Li-ion монета клетки для электрохимических тестов, как показано на рисунке 1. Это три электрод установки могут быть построены с использованием стандартных монета клеточных компонентов, медная проволока и электрод сравнения, на основе титаната лития (см. Рисунок 2). Этот метод не требует какого-либо специализированного оборудования или сложные модификации и следует стандартных лабораторных масштабах электрохимических процедур и материалов от коммерческих поставщиков.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. ссылка электрода и подготовка сепаратор

  1. Подготовка справочных электрод
    1. Подготовка провода
      1. Вырежьте один 120-мм длина размер 32 AWG (0,202 мм диаметром) эмалированный медный провод.
        Примечание: Каждый провод станет 1 электрод сравнения и будет использоваться в ячейку 1 тремя электродами.
      2. Поместите один конец проволоки в лаборатории печати. Аккуратно нажмите около 10 мм проволоки на одном конце давление около 4 МПа. Cut избыточного провод от кончик проволоки, чтобы уплощенных секции — ~ 2 мм в длину.
        Примечание: Средняя толщина чаевые это около 0,1 мм. Будьте осторожны не согнуть плоский кончик как он может усталость и разорвать.
      3. Поместите провод на разделочную доску из политетрафторэтилена (ПТФЭ). Для удаления наружной изоляцией на кончик плоского провода тщательно используйте скальпель. Убедитесь в том снять изоляцию с обеих сторон; конечный продукт должен быть ровную, блестящую часть подвергается меди.
      4. Весят провод с использованием лабораторных.
        Примечание: Эта масса будет использоваться после того, как определить точное количество активного материала, присутствующего в каждый электрод сравнения была брошена навозной жижи.
      5. Повторите шаги 1.1.1.1 - 1.1.1.5 для типичного пакета размером 36 проводов. Место провода на сосуд для хранения. Хорошим вариантом является ленточные провода вокруг краю небольшой стеклянной банке.
    2. Подготовка навозной жижи
      1. Подготовьте не менее 10% винилидена фторида (PVDF) раствор в N-метил-2-pyrrolidinone (NMP).
        1. С помощью небольшой прямоугольный вес бумаги, совок из нержавеющей стали и лабораторных, Отмерьте нужное массы порошка PVDF (0,1 г).
        2. Перенесите PVDF порошок из бумаги весят в пластиковая бутылка 500 мл. Измерения и передачи соответствующей массы NMP жидкости (0,9 г) в бутылку с помощью пипетки лабораторные объемом 1 мл.
        3. Вставьте магнитный бар перемешивания раствора; поместите бутылку на магнитные пластины перемешивания и оставить его в смесь на неопределенный срок. Дайте раствору смешать для по крайней мере за 24 часа до первого использования. Рекомендуется подготовить решение PVDF навалом, чтобы избежать необходимости сделать меньше пакетов для каждой партии навозной жижи.
      2. До взвешивания любых больше порошка, очистите совок из нержавеющей стали, толкателем и минометов с изопропиловым спиртом, чтобы избежать любого загрязнения.
      3. Использование бумаги весят, лабораторных и совок из нержавеющей стали, отмерить соответствующее количество порошка (Li4Ti5O12) титаната лития (0.8 g). Тщательно передать порошок ступку и пестик. После использования очистите совок с изопропиловым спиртом.
      4. Аналогичным образом весят соответствующую сумму (0,03 г) КС-6 синтетического графита и проводящих добавка (0,09 г). Тщательно передать порошок же ступку и пестик. Очистите совок с изопропиловый спирт как раньше.
      5. Слегка перемешайте три порошков в ступке до тех пор, пока они становятся равномерно рассеяны. Растереть смесь порошка, с помощью пестика, пока смесь не станет однородной. Тщательно передача смеси порошка в 20-мл одноразовые смешивания трубку.
        Примечание: Это будет служить в качестве высокого сдвига смешивания судна для обеспечения однородного распределения всех материалов внутри навозной жижи.
      6. Добавьте соответствующее количество NMP (2,2 мл) для смешивания трубку с помощью пипетки лабораторные. Добавить шестнадцать диаметром 6-мм силикатного стекла смешивание шарики и винт на крышке. Место смешивания трубки на высоких сдвига перемешивающим устройством, замок трубку в место и смесь суспензии для 15 мин на максимальной скорости (около 6000 об/мин).
      7. Добавление 0,8 г раствора PVDF (подготовленные ранее на шаге 1.1.2.1) для смешивания трубки. Продолжать перемешивание пульпы для еще 5 мин обеспечить равномерное распределение вяжущего. Сразу же бросили навозной жижи на проводах. Если шлам сидит дольше 5 минут, смешайте раствор для дополнительных 15 минут до использования, для обеспечения однородной смеси.
    3. Кастинг и сушка электрод сравнения
      1. Окуните вручную подвергаются меди, на кончике каждого электрод сравнения, в смешанных навозной жижи. Кроме того падение литой пульпы из пипетки на проволоку отзыв. Убедитесь в том покрыть только сплюснутые, котор подвергли действию секции медной проволоки.
      2. Подключите провода RE литой на базу с литой конце приостановлено для сушки. Лента литой RE владельцу избежать контакта мокрой навозной жижи с любой поверхностью (см. рис. 3). Сухие электроды для по крайней мере 8 h в лабораторные печи в 70 ° C.
      3. Измерения массы электродов ссылку после высыхания и оценки сухой массы навозной жижи (0,1 мг, средняя над более чем 100 образцов).
      4. Передача ссылки электродов в бардачком инертных аргон для использования в ячейке производственного процесса.
  2. Катод и анод электрода подготовка
    1. Выберите желаемый электрода к быть изучены.
      Примечание: Для этих испытаний, электрод сборных листов будет использоваться для демонстрационных целей. Собственного производства электродов или электродов, добываемых из коммерческих клетки могут также использоваться.
    2. Выбивать круговой диск материала катода, с помощью полой 1.27-см (1/2 дюйма) удар. Электрод форму диска может быть механически изменена согласно необходимый тест (см. Рисунок 4). Взвешивания электродов и вычислить процент активных материалов.
    3. Повторите шаги 1.2.1-1.2.2 для материала анода и дополнительные клетки желаемого. Поместите диск каждый электрод в небольшой стеклянный флакон и тщательно передачи флаконов в инертной аргон бардачком где они будут использоваться во время процесса строительства клеток.
  3. Подготовка сепаратор
    1. Сложите лист бумаги (22,6 см x 28 см / 8.5 в x 11 в) пополам вдоль пополам. Резку примерно 25 см х 8,5 см сепаратора полипропилена (PP) и осторожно поместите его бумаги сложить принтера.
      Примечание: Документ обеспечивает некоторые защиту и жесткость, когда разделитель пробита вручную.
    2. Поместите бумагу и сепаратор сэндвич верхней самовосстанавливающийся резки мат. Это обеспечивает твердую поверхность и поможет избежать, притупляя полых удар. С помощью полой 1.905 см (3/4 дюйма) удар, удар, один диск циркулярный сепаратор для каждой ячейки тремя электродами. Подготовить сепараторы навалом и хранить их в стеклянный флакон для последующего использования.
    3. Кроме того вырежьте несколько квадратиков сепараторов примерно 5 мм х 8 мм; один из этих сепараторы будет использоваться для каждой ячейки. Храните их в небольшой стеклянный флакон. Передача флаконов разделители в инертной аргон бардачком для использования в процессе строительства клеток.

2. Строительство подготовки ячейки

  1. Подготовьте электрод сравнения с помощью плоскогубцы, чтобы согнуть проволоку в форме спирали (см. Рисунок 3b). Убедитесь, что окончательный спиральную форму приспособит внутри прокладка таблетка (около 1,58 см в диаметре). Место каждого электрода спираль в лодке небольшой вес и отложите их в сторону.
    Примечание: Дополнительные провода спираль обеспечивает стабильность и будет также развернул и впоследствии используется в рабочей камере.
  2. Очистите обе стороны литий металлический ленты с помощью скальпелем или лезвием бритвы. Соскрести любого окисления поверхности до блестящей литий показывает через. Убедитесь в том очистить обе стороны лития. При использовании острые предметы внутри бардачком принять крайней осторожностью.
  3. Выбивать два 1,58 см (5/8 дюймов) диски для каждой ячейки из очищенных литий ленты с помощью полых удар.
  4. Поместите один диск лития в центре прокладка нержавеющей стали 0,5 мм. Крепко сожмите лития с распоркой; как правило будет достаточно большого пальца пресс. Убедитесь, что диск литий прилипает к распорку.
  5. Место в случае монета клеток внутри небольшой весят лодке. Установите второй диск лития внутри корпуса клеток монета. Убедитесь, что литий центрируется и прижать так, что литий прилипает к нижней части корпуса. Место несколько капель электролита [LiPF 1,0 М6 в EC/DEC (1:1 по объему)] на литий диск и несколько капель вокруг края лития для восполнения вне.
    Примечание: Если добавляется недостаточно электролита, там будет пузыри под сепаратор и внутри клетки, что является нежелательным.
  6. Место один 1.905 см (3/4 дюйма) PP сепаратора поверх увлажненный литий диск. Убедитесь, что разделитель является полностью увлажненной и есть никаких пузырей ловушке под. Поместите прокладку в ячейку с прокладкой губы вверх; где будет место крышку в этот губы. Прижать вписывается в случае прокладки.
  7. С помощью пластиковых пинцет, осторожно поместите ссылку электрода спираль в центр ячейки. Добавьте несколько капель электролита вокруг электрод сравнения. Место небольшой, сепаратора прямоугольник поверх где провод пересекает прокладку и дело ячейки.
    Примечание: Разделителя помогает предотвратить короткое замыкание между проводом и крышку металлических клеток.
  8. Место один 1,58 см (5/8 дюймов) сепаратор поверх спираль электрода ссылки. Убедитесь, что разделитель является полностью увлажненной и что не существует никаких пузырей ловушке под. Поместите диск литий прокладку поверх электрод сравнения, ионно покрытием стороной вниз.
  9. Место весной волна поверх распорку. Убедитесь, что все компоненты сосредоточены внутри клетки. Заполните клетки к brim с электролитом. Когда ячейка гофрированные, будет выдавливаться дополнительных электролита.
  10. С помощью пластиковых пинцета, тщательно место крышку ячейки поверх сборки. Нажмите твердо на место крышку в губы прокладки. Согните ссылка электродной проволоки, таким образом, что она откладывает плоский над верхней части крышки. Это делается для убедитесь, что провод обрывается не когда Обжимные клетки (см. Рисунок 2).
  11. Тщательно передать ячейки устройство обжима монета клеток с помощью пластиковых пинцет. При транспортировке, держите клетки плоские, чтобы избежать потери каких-либо дополнительных электролита. Обжимные таблетка для примерно 5 МПа (750 psi).
  12. Удалить ячейку Монета из разглаживания и согнуть подвергаются проволоку обратно вверх от верхней части клетки. Это позволяет избежать любого возможного короткого замыкания между крышкой и электрод сравнения.
  13. Удаление завершенных таблетка с бардачком аргон. С помощью изопропилового спирта и ворса задачи стеклоочистителя, тщательно очистите внешний вид ячейки. Позаботьтесь, чтобы не мешать провод или место, где провод выходит из ячейки.
  14. Запечатывания ячейки
    1. Тщательно высушите таблетка с помощью безворсовой задачи стеклоочистителя. Будьте особенно осторожны в сухом месте, где провод выходит из таблетка.
    2. Смесь равных частей смолы и отвердителя сформировать непроводящих эпоксидной смолы. Тщательно с помощью зубочистки или небольших зондом, нанесите небольшое количество эпоксидной в место, где провод выходит из таблетка. Это место, где ячейка является скорее к утечке.
    3. Разрешить 1 ч для эпоксидных высохнуть перед подключением таблетка для любого испытательного оборудования. Обратите внимание, что это может занять до 24 ч для эпоксидной полностью вылечить и затвердеть.
      Примечание: Эпоксидной предназначен для уплотнения клетки (см. Рисунок 5) и не предоставлять любую механическую прочность.

3. Lithiation процедура

  1. Настройка подключения
    1. С помощью карманных зажигалок, сжечь около 2 см изоляции в конце ссылка электродной проволоки, торчащий из ячейки; Это где провод будет подключаться к испытательного устройства. Согните проволоку подвергаются обратно на себя, чтобы улучшить связь при соединении тремя электродами ячейки для тестирования.
    2. Место небольшой квадрат изоленты (2 x 2 см) в верхней части монеты клеток дела; Это должно предотвратить любые электрического контакта между верхней части монеты ячейки и ячейки держатель монета. Место подготовки ячейки в ячейку владельца.
      Примечание: В верхней части ячейки должны быть изолированы от любого соединения и в нижней части клетки должен быть подключен к негативные чтения на держателе клеток.
    3. С помощью Аллигатор клип, подключите электрод сравнения Топ клип на держателе клеток (положительную связь).
      Примечание: Клетки должны создаваться для тестирования с электрод сравнения, выступающей в качестве положительного электрода и нижней литий диск (ячейка случай), действуя как отрицательный электрод.
  2. Опорное напряжение калибровки
    1. Рассчитайте количество активного материала для электрод сравнения.
      Примечание: Для типичного электрод массы 0,1 мг и 80% активных состав материала, это приходит вне до 0,08 мг.
    2. С помощью активной массы материала и теоретическая удельная производительность титаната лития20, определите соответствующие ток зарядки ячейки на C/16.
    3. Цикл электрод сравнения несколько раз в соответствующий диапазон напряжений (1,25-2,25 V против Li/Li+) в C/16; Этот диапазон будет меняться в зависимости от электрод сравнения используется. Принять к сведению плато опорного напряжения напряжение, которое должно произойти во время зарядки и выполнения процессов.
      Примечание: Для Li4Ti5O12 электрод является это значение обычно около 1.56 V против Li/Li+.
    4. Запись опорного напряжения и соответствующая ячейка, с которой он связан. Позже используйте это напряжение для калибровки потенциал электродов при использовании в рабочей камере.
    5. Остальные клетки для 24 h и контролировать, что ссылка электродный потенциал устойчивый.
    6. Передача lithiated клеток в среде инертного аргона для использования в строительстве клеток рабочих. Избегайте любых возможных контактов между электрод сравнения и крышку или ячейки дела; Это короткий электрод сравнения и изменить свой потенциал.

4. строительные работы клеток

  1. Место в случае монета клеток внутри небольшой весят лодке. Поместите диск катода в центре клетки корпуса. Место несколько капель DEC электролита на катод и несколько капель вокруг края для восполнения вне.
  2. Поместите один 1.905 см (3/4 дюйма) сепаратор на вершине электрода. Убедитесь, что разделитель является полностью увлажненной и что не существует никаких пузырей ловушке под. Место прокладки с малых губ для ячейки крышку вверх. Прижать должным образом вписывается в случае прокладки. Отложите монета cell Ассамблеи и найдите ячейку lithiated подготовки.
  3. Добыча lithiated ссылка электрода
    1. Применить небольшой квадрат изолентой к верхней части клетки lithiated подготовки. Это помогает предотвратить короткое замыкание между корпус и колпачок во время разборки.
    2. Крепко подготовки клетки, Кап стороной вверх, используя тонкие носом плоскогубцы с. Будьте осторожны, чтобы не короткий ячейки с металлическими плоскогубцами. Используйте плоскогубцы раскроя осторожно, но твердо, подглядывать открыть таблетка вдоль края. Будьте осторожны, не короткие верхней и нижней части клетки с металлическими плоскогубцами.
    3. После того, как примерно 70% ячейки были разжал открытым, удерживайте дело с конца-кусачки и тщательно отдельные ячейки случая и крышка с использованием тонких носом плоскогубцы. Осторожно извлечь электрод lithiated ссылку. Отказаться от других клеточных компонентов.
  4. Использование плоскогубцы, отгибают спираль образная ссылка электродной проволоки и выпрямить. Повторно согните проволоку, таким образом, чтобы кончик сидит в центре электроды и проволока простирается над краем ячейки. Отрежьте подвергаются, неизолированный провод.
  5. Добавьте несколько капель электролита на и вокруг электрод сравнения. Место небольшой, Прямоугольный сепаратор на вершине, где провод пересекает дело прокладка и клеток. Это помогает предотвратить короткое замыкание между проводом и металлический корпус и колпачок.
  6. Поместите один 1,58 см (5/8 дюймов) сепаратор на вершине электрод сравнения; Это помогает предотвратить короткое замыкание между электрод сравнения и анода. Поместите диск подготовлен анод поверх электрод сравнения в ячейку. Позаботьтесь, чтобы правильно согласовать форму с что анода катода.
    Примечание: Ссылка электрода должен быть в центре и проволока должны выйти в прямоугольные разрыв.
  7. Осторожно поместите 1.0-мм нержавеющей стали прокладку поверх анода. Место весной волна поверх распорку. Убедитесь, что все компоненты расположены по центру ячейки. Заполните клетки к brim с электролитом.
  8. С помощью пластиковых пинцета, тщательно место крышку ячейки поверх сборки. Нажмите твердо на место крышку в губы прокладки. Осторожно сложите оставшиеся провода обратно над крышку ячейки до опрессовки. Это предотвращает будучи отрезаны во время обжима провода.
  9. Тщательно передачи ячейки на монеты клеток опрессовки устройство с помощью пластиковых пинцет. При передаче в ячейку, держать его квартиру, чтобы избежать потери дополнительных электролита. Обжимные ячейки примерно 5 МПа (750 psi).
  10. Удалите ячейку монета с бардачком аргон. Тщательно очистите ячейки с помощью изопропилового спирта и стеклоочиститель безворсовой задачи.
  11. Запечатывания ячейки
    1. Тщательно высушите таблетка с помощью безворсовой задачи стеклоочистителя. Будьте особенно осторожны в сухом месте, где провод выходит из таблетка.
    2. Смесь равных частей смолы и отвердителя сформировать непроводящих эпоксидной смолы. Тщательно используя зубочистку, применить небольшое количество эпоксидные в место, где провод выходит из таблетка. Это место, где ячейка является скорее к утечке.
    3. Разрешить 1 ч для эпоксидных высохнуть перед подключением таблетка для любого испытательного оборудования.
      Примечание: Это может занять до 24 ч для эпоксидной полностью вылечить и затвердеть. Однако здесь эпоксидной предназначен для запечатывания ячейки и не предоставлять любую механическую прочность.

5. электрохимические тесты

  1. Производительность и Велоспорт
    1. Расчет теоретического потенциала для катода и анода электродов.
      1. Используя общий сухой вес диска электрода, массы субстрата Алюминий/Медь и массовая доля активного материала, определить массу активный материал для каждого электрода.
      2. Определите потенциал каждого электрода путем умножения массы активный материал на его соответствующей теоретической производительности. Используя наиболее ограничивающим электродный потенциал (обычно катода), определите общий потенциал клеток.
    2. Подключите ячейки к электрохимическое измерительное устройство, забота с подключением позитивные мощность и позитивного датчик к катод и негативные энергии и датчик к аноду. Подключите ссылка на электрод сравнения через медный провод (см. Рисунок 6b).
    3. Убедитесь, что ячейки подключен и работает должным образом, проверяя напряжения тока открытой цепи и потенциалов. Используйте для калибровки катод и анод потенциальных чтений опорного напряжения, записанная во время процедуры lithiation.
    4. Цикл полной ячейки на желаемый C-курс, например C/10 и одновременно измерять полное клеток, катод и анод потенциалов. Повторите шаги 5.1.1 - 5.1.4 других клеток и C-ставки по желанию, в зависимости от спецификации и требования для каждой ячейки.
  2. Электрохимических импедансной спектроскопии
    1. Полное клеток импеданс
      1. Подключите ячейки на устройство измерения EIS. Используйте следующую конфигурацию: положительная сила и позитивные датчик катода, негативные энергии и негативного датчик к аноду.
        Примечание: Ссылка датчик должен быть подключен к аноду. Электрод сравнения должны оставаться отключенным.
      2. Выберите элемент управления potentiostatic для ЭИС с амплитудой 10 МВ. Выберите диапазон частот от 1 до 1 МГц. Соберите импеданс полного ячейки. Участок Найквиста сюжет и ЛАФЧХ проанализировать ответ клетки.
        Примечание: Диапазон частот не всегда может быть потребовано и могут быть изменены после сбора предварительные результаты.
    2. Катод импеданс
      1. Подключите ячейки к EIS устройство измерения следующим: положительная сила и позитивные датчик катода, негативные энергии и негативного датчик к аноду и датчик ссылка на электрод сравнения через медный провод.
      2. Повторите те же шаги для полного ячейки сопротивления (шаги 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    3. Анод импеданс
      1. Подключите ячейки к EIS устройство измерения следующим: положительная сила и позитивные датчик анода, негативные энергии и негативного датчик к катоду и датчик ссылка на электрод сравнения через медный провод.
      2. Повторите те же шаги для полного ячейки сопротивления (шаги 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    4. Сопротивление в зависимости от состояния заряда
      1. Подключите ячейки к устройству измерения EIS по данным измерения требуемый импеданс: полное клеток, катод или анода. Используйте шаги 5.2.1.1, 5.2.2.1 или 5.2.3.1, соответственно, для соответствующего подключения.
      2. Заряд клеток с помощью постоянного тока на C/2, до тех пор, пока клетка достигает предел верхней напряжения. Держите напряжение на верхний предел, с использованием метода управления постоянного напряжения до прикладной текущий падает ниже C/100. Ячейка теперь должен быть полностью заряжен.
      3. Разряд клеток в C/2 на 3 мин; ячейка должна теперь быть на 90% соц. разрешить ячейку, чтобы отдохнуть за 1 ч до условий равновесия термической и электрохимическое.
      4. Собирайте с помощью той же процедуры, представленные в шагах 5.2.1.2 - 5.2.1.3 импеданса. Повторите шаги 5.2.4.3 и 5.2.4.4 забирать импеданса как функция соц.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Типичные результаты для напряжения и потенциальных профили для три электрод ячейки можно увидеть на рисунке 7. В идеале полная ячейка напряжения должны быть идентичны, производится от двух электрод ячейки, используя же пара электрода. Это один из способов определить, изменяет ли вставки электрод сравнения производительности ячейки. Если существует значительная разница между производительность двух - и трех электрод полный ячейки (для одинаковых рабочих и Счет...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Клетки, Давление опрессовки играет важную роль в успеха как подготовки, так и работы клеток. Если ячейка гофрированные при слишком высоком давлении (> 800 psi), электрод сравнения может стать соединены с крышкой клеток из-за ссылки крышку и прокладку проволоки промежуточное положение. Обратите внимание, что проволока, пересекающих этот интерфейс является требованием для того, чтобы подключить электрод сравнения, чтение внешнего измерения устройства. Если клетки давление слишком низкое (< 700 фунтов на квадратный дюйм), я...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Финансовая поддержка от Texas Instruments (TI) университета исследования партнерской программы с благодарностью. Авторы также с благодарностью признаем помощи Чэнь Цзянь-вентилятор от энергетики и транспорта наук лаборатории, Машиностроение, Техас A & M университет, на начальном этапе этой работы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Агатовая ступка и пестикVWR89037-4925 диаметра
Набор матрицMayhew66000
Лабораторный прессMTIYLJ-12
Аналитические весыOhausAdventurer AX
Смесительное устройство с большими сдвиговыми усилиямиIKA3645000
Перчаточный ящик, наполненный аргоном, MBraunLABstar
Гидравлический обжимнойнасос MTIMSK-110
Аккумуляторный амплификаторArbin InstrumentsBT2000
Потенциостат/Гальваностат/EISBio-logicVMP3
Вакуумная печь и насосMTI-медная
проволокаRemingtonPN15532 AWG
Стеклянные шарикиMcMasterr-Carr8996K25Шарики из боросиликатного стекла 6 мм
Трубка для перемешиванияIKA370300020 мл
Celgard 2500 СепараторMTIEQ-bsf-0025-60C25 μ м толщиной; Полипропиленовая
нержавеющая сталь CR2032 Coin Cell Kit МатериалыPredКомплект монетоприемника включает в себя: корпус, крышку, прокладку из полипропилена
Прокладка из нержавеющей сталиPred Материалы15,5 мм диаметр и в 0,5 мм
Нержавеющая сталь Волновая пружинаPred Материалы15,0 мм диаметр и в 1,4 мм высота
Li-ion Battery Anode - GraphiteMTIbc-cf-241-ss-005Медная фольга односторонняя с покрытием CMS графит (241мм Д x 200мм Ш x 50&му; m Толщина)
Катод литий-ионного аккумулятора - LiCoO2MTIbc-af-241CO-ss-55Алюминиевая фольга односторонняя с покрытием LiCoO2 (241 мм Д x 200 мм Ш x 55μ m толщина)
Поливинилидендифторид (PVDF)KynarFlex 2801
N-метил-2-пирролидинон безводный (NMP), 99,5%Sigma Aldrich328634
CNERGY Super C-65тимкальный
электролит (1,0 м LiPF6 in EC/DEC, 1:1 по объему)BASF50316366
Титанат лития (Li4Ti5O12)Sigma Aldrich702277
KS6 Синтетический графитTimcal
Литий-металлическая лентаSigma Aldrich320080толщина 0,75 мм
Эпоксидная смола многоцелеваяLoctite
Изолентаскотч 3М Супер 88 
Изопропиловый спирт (IPA), реагент ACS, & 99,5%Сигма Олдрич190764

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

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

Похожие статьи