В Situ электрод Lithiated сравнения: Дизайн четыре электрода для-operando импедансной спектроскопии

Спрос на более эффективные литий-ионные аккумуляторы стимулирует исследования в направлении понимания факторов, вызывающих деградацию. Описанный здесь метод позволяет точно измерить поведение отдельных компонентов батареи. Обширный объем информации, предоставляемой этим методом, расширяет возможности диагностического анализа литий-ионных аккумуляторов и вносит ценный вклад в оптимизацию отдельных компонентов ячейки.

Для начала приобретите кондуктор шириной четыре сантиметра и длиной семь сантиметров, сделанный из медной проволоки толщиной два миллиметра. С плоскими петлями для стабилизации джига на одном конце, и ручкой на другом конце. Затем налейте около 23 миллилитров промышленного раствора для снятия изоляции в стакан из нержавеющей стали диаметром 7,6 сантиметра, чтобы получить глубину раствора около пяти миллиметров.

Погрузите термопару в раствор, держа кончик подальше от дна стакана. Начните нагревать стакан на горячей плите до 85 градусов по Цельсию. Пока раствор нагревается, осторожно намотайте 60 сантиметров оловянной медной проволоки с полиуретановым покрытием 25,4 микрон по длине вокруг приспособления.

концы проволоки к ручкам. Как только раствор достигнет 85 градусов по Цельсию, выключите огонь и поместите приспособление вертикально в раствор, чтобы погрузить одну сторону обернутой проволоки. Оставьте кондуктор в растворе на 15 секунд, а затем промойте проволоку и кондуктор в деионизированной воде в течение 15 секунд.

Осмотрите проволоку на предмет оголения олова, которое будет выглядеть как серебристо-белый материал. Повторите погружение в раствор для зачистки и промывку до тех пор, пока одна сторона обернутой проволоки не будет полностью очищена до слоя олова. Будьте осторожны, чтобы не вытравить покрытую форму.

Затем промойте приспособление и проволоку в деионизированной воде и дайте им высохнуть на воздухе при комнатной температуре. После высыхания разрежьте проволоку в центре каждого зачищенного участка, чтобы получить проволоку длиной примерно 10 сантиметров с открытыми лужеными концами. Чтобы начать подготовку эталонного провода, отрежьте около 10 сантиметров изолированного провода электрической цепи шириной два миллиметра.

Зачистите около двух сантиметров изоляции с каждого конца провода. Затем аккуратно положите один зачищенный конец оловянного медного провода на зачищенный электрический провод. Припаяйте место соединения, чтобы образовался электрический контакт между проводами.

Убедитесь, что сопротивление только что сформированного оловянного электрода сравнения составляет от шести до восьми Ом. Таким же образом соберите второй электрод сравнения с открытым медным концом и поместите провода в бардачок, заполненный аргоном. Затем отрежьте кусок металлического лития толщиной 200 микрон размером не более пяти миллиметров на пять миллиметров и поместите его на платформу из ПТФЭ.

С помощью валика, обтянутого полимерной лентой, разровняйте металл до толщины 25 микрон. Затем согните металл в форме буквы U и проложите в изгибе открытый кончик медной проволоки. Осторожно надавите на литий вокруг провода, чтобы полностью герметизировать оголенную медь.

Это будет литий-металлический электрод сравнения. Поместите анод в приспособление с литиевым элементом так, чтобы центр электрода был немного смещен от центра приспособления. Поместите на анод изолирующий сепаратор из трислоя полиэтилена и полипропилена.

С помощью щетки из ПТФЭ аккуратно удалите пузырьки воздуха между анодом и сепаратором. Убедитесь, что сепаратор надежно закреплен в приспособлении. Затем нанесите каплю электролита в 10 микролитров на сепаратор через два миллиметра от края анода.

Нанесите вторую каплю на центр анода. Расположите открытый оловянный наконечник оловянного электрода сравнения в капле в центре анода. Расположите кончик литиевого электрода сравнения в капле на расстоянии двух миллиметров от анода.

Нанесите еще 10 микролитров капли электролита на литиевый наконечник и удалите пузырьки воздуха между металлическим литием и сепаратором с помощью развертки. Затем нанесите 400 микролитров электролита на сепаратор. Установите второй сепаратор на сборку так, чтобы провода электродов сравнения были зажаты между сепараторами.

Чтобы избежать чрезмерного натяжения проводов, оставьте некоторое провисание проводов между сепараторами. Удалите пузырьки воздуха между сепараторами с помощью щетки. Затем смочите катод 400 микролитрами раствора электролита.

Поместите катод на верхний сепаратор, выровненный по аноду. Осторожно поместите распорку из нержавеющей стали на катод, не нарушая выравнивание стека ячеек. Установите две волновые пружины из нержавеющей стали на распорку, чтобы учесть изменение объема ячейки и повышение давления, а затем закройте приспособление.

Подключите катод и анод элемента аккумулятора к соответствующим клеммам амплификатора аккумулятора. Подключите литиевый электрод сравнения к вспомогательной клемме. Создание профилей напряжения для каждого электрода относительно литиевой пары.

Подайте постоянный ток в пять микроампер в течение шести часов между катодом и оловянным электродом сравнения с верхним напряжением в четыре вольта, чтобы электрохимически литифицировать олово. Когда закончите, отсоедините элемент от клемм амплификатора батареи и дайте литическому проводу уравновеситься в течение двух часов. Чтобы подтвердить успешное литирование, подключите литиевый электрод сравнения к вспомогательной клемме, а литиевый оловянный электрод — к отрицательной клемме.

Разность потенциалов между ними должна быть близка к нулю вольт. Чтобы получить спектры для всей ячейки, сначала подключите отрицательные выводы напряжения и тока потенциального стата к аноду, а положительные выводы — к катодному. Цикл электрохимической пары при небольшой амплитуде напряжения ниже пяти милливольт с использованием переменного тока или переменной частоты, при этом импедансная характеристика будет построена в виде мнимой составляющей по отношению к действительной составляющей.

Затем переключите клеммы отрицательного напряжения и тока с анода на электрод из литиевого сплава и получите спектр катода по сравнению с электродом из литий-оловянного сплава. Наконец, подсоедините клеммы отрицательного напряжения и тока к аноду, а положительные клеммы — к электроду из литий-оловянного сплава. Профили напряжения были получены как для всей ячейки, так и для каждого электрода по отношению к литиевой паре.

Возрастающий потенциал положительного электрода во время заряда указывал на делитиацию. И уменьшающийся потенциал отрицательного электрода соответственно указывал на литиацию. Электрохимическая импедансная спектроскопия показала значительное увеличение импеданса положительного электрода по отношению к литиационному оловянному электроду сравнения после 100 циклов работы батареи, но минимальное увеличение импеданса отрицательного электрода.

Это означает, что общее увеличение импеданса было обусловлено преимущественно увеличением положительного импеданса. Циклическое движение в условиях экстремального напряжения увеличивает вероятность попадания лития на отрицательный электрод, что вызывает серьезные проблемы с безопасностью. В настоящее время проводятся дополнительные эксперименты для понимания возникновения литиевого покрытия путем разработки протоколов для измерения начала отложения лития.

Этот подход может быть использован для получения инсайдерской информации о поведении электродов во время старения аккумулятора. Выравнивание оловянной проволоки с металлами, такими как натрий или магний, может расширить применение этой технологии в батареях нового поколения.