Summary
إدراج مرجع كهربائي في بطارية ليثيوم أيون يوفر معلومات قيمة لتوضيح آليات تدهور في الفولتية العالية. في هذه المقالة، نحن نقدم تصميم الخليوي الذي يستوعب أقطاب مرجعية متعددة، جنبا إلى جنب مع خطوات الجمعية لضمان أقصى قدر من الدقة في البيانات التي تم الحصول عليها في القياسات الكهروكيميائية.
Abstract
توسيع نطاق الجهد التشغيل نتائج بطاريات ليثيوم أيون في ناتج الطاقة أعلى من هذه الأجهزة. الفولتية العالية، ومع ذلك، قد يؤدي أو التعجيل بعمليات متعددة مسؤولة عن اضمحلال الأداء طويل الأجل. نظراً لتعقد العمليات الفيزيائية التي تحدث داخل الخلية، كثيرا ما تحدي للتوصل إلى فهم كامل للأسباب الجذرية لتدهور الأداء هذه. وتنشأ هذه الصعوبة في الجزء من حقيقة أن أي قياس البطارية الكهروكيميائية سيعود مساهمات جميع العناصر مجتمعة في الخلية. التأسيس القطب مرجع يمكن أن يحل جزءا من المشكلة، كما أنه يسمح للتفاعلات الكهروكيميائية الكاثود والانود سبر يكون فردياً. على سبيل المثال، يمكن أن تشير إلى اختلاف في نطاق الجهد ذوي الخبرة بالكاثود، تعديلات في بركة أيونات الليثيوم cyclable بالكامل-الخلية. يمكن أيضا رصد تطور الهيكلية من إينتيرفاسيس العديدة الموجودة في البطارية، عن طريق قياس مساهمات كل قطب كهربائي لمقاومة الخلية عموما. مثل هذه ثروة معلومات يزيد من نطاق التحليل التشخيصي في بطاريات ليثيوم أيون ويوفر مدخلاً قيماً للاستغلال الأمثل لمكونات الخلايا الفردية. في هذا العمل، ونحن نقدم تصميم اختبار خلية قادرة على استيعاب أقطاب مرجعية متعددة، وهذا أقطاب المرجعية المناسبة لكل نوع محدد من القياس، التي تفصل الجمعية عملية بغية تحقيق أقصى قدر من الدقة من النتائج التجريبية.
Introduction
الطلب لارتفاع كثافة الطاقة من بطاريات ليثيوم أيون (LIBs) يقود الأبحاث نحو فهم العوامل الأساسية التي تحد من لي أيون خلية الأداء1. تشغيل الجهد العالي من الخلايا التي تحتوي على جيل جديد من الطبقات الانتقالية معدن أكسيد الزركونيم واقطاب الغرافيت والكربونات العضوية الشوارد يرتبط مع عدة ردود فعل الطفيلية2،3. بعض ردود الفعل هذه تستهلك لي-أيون المخزون، وكثيراً ما يؤدي إلى ظهور مقاومة كبيرة من الخلية4،5،،من67. خسارة لي أيون ينتج أيضا تحولاً صافياً من الإمكانات السطحي من أقطاب. رصد تغيرات الجهد على قطب فردية في خلية كاملة مقابل قطب إشارة (RE) يمكن أن يؤديها في التجارية 3-قطب الخلية التصاميم8،9،،من1011 , 12 , 13 , 14-المعلومات المتعلقة بالتشكيلات الجانبية للجهد ومقاومة التغييرات على أقطاب فردية تعزز فهم أعمق لآليات تدهور الأساسية ليب. التقليدية 3-القطب الخلايا تحتوي على معدن لي وصفها قطب مرجعية، مما يسهل فهم متميزة للعمليات الكهروكيميائية في كل قطب كهربائي. المعادن لي اتصالات مع الكهرباء العضوية يخضع لتعديل السطح عفوية ومساهمة هذه الطبقة السطحية على لي لا يمكن أن يكون كمياً15. العديد من تكوينات 3-القطب مثل (أ) تي موديل، (ب) مايكرو--إعادة وضع محوري للعامل ومسرى العداد، (ج) الخلوية مع RE في الجزء الخلفي من العداد الكهربائي و ما إلى ذلك وقد اقترحت في وقت سابق. لدى معظم هذه التكوينات خلية RE المتمركزة بعيداً عن ساندويتش الخلية، توليد عائمة كبيرة في البيانات مقاومة بسبب التوصيل منخفضة للكهرباء. وقد ثبت أن إعادة مع احتمال مستقرة في جميع أنحاء القياس يجب ستتمركز في وسط شطيرة لضمان مقاومة موثوقية البيانات.
وبغية معالجة هذه التناقضات، لقد قمنا بتصميم إعداد خلية التي تشمل رابع إعادة16. هي تقع سلك Cu Sn مطلي رقيقة جداً بين أقطاب كهربائية من البطارية التي يمكن اليكتروتشيميكالي ليثياتيد في الموقع لتشكيل سبائك Snسلي. كما يخضع Sn ليثييشن، يسقط الجهد الأسلاك مرجع وسلك lithiated تماما إمكانات قريبة من 0 الخامس مقابل. لي+/Li17. تكوين lithiated لديها إمكانات قابلة لمقارنة للمعدن لي وسبائك يتواجد تيسير مستقر محتملة خلال الفترة الزمنية للقياس. معدن لي معرضة للكهرباء عرضه لنواتج التحلل اﻻلكتروﻻيت تشكيل الطبقات السطحية. مقياس نظام المعلومات البيئية للتحقيق مقاومة أقطاب الفردية عن طريق جمع أطياف بين أحد أقطاب كهربائية والإشارة لي المعدنية، إلى جانب لم تكن موثوقة نظراً لمساهمة هذه الطبقات في المقاومة. على الرغم من أن الحد من الكهرباء أمر لا مفر منه أيضا على سطح لي-Sn، سلك مرجع ليثياتيد في الموقع بالمزايا التالية: (أ) منتجات تحلل اﻻلكتروﻻيت مستمر لا كالجهد دائماً أعلاه إمكانية التحلل الكهرباء ما لم ليثياتيد، مما يعني عدم فقدان المخزون لي في النظام إلى طبقات السطح البيني؛ (ب) طبقات تشكلت خلال ليثييشن الأسلاك Sn على مساحة صغيرة جداً، تقديم مساهمة ضئيلة للبيانات البيئية؛ (ج) شكلت المنتجات تتحلل كما سلك Sn يفقد لي واحتمال زيادة الأسلاك، أدى ليثياتيون الطازجة Sn أسلاك خلال كل ليثياتيون وبالتالي تشكيل طبقات السطح البيني رقيقة جداً كل مرة بدلاً من زيادة سمك هذه الطبقات. أطياف المسجلة مع هذه السبائك كمرجع تقديم بيانات دقيقة وموثوق بها أكثر من مقاومة القطب. وقد أجرينا اختبارات مع معيار 2032-نوع العملة الخلايا وإعادة 4-القطب الخلايا للتحقق من صحة التصميم لدينا. سيتم استخدام النتائج المستخلصة من هذه التجارب وتفسيرنا للبيانات نتيجة لذلك ممثل لتوضيح مدى فعالية جهودنا البروتوكول. V 3-4.4 ركوب الدراجات يتبع بروتوكول قياسي، التي تضمنت تشكيل دورات ودورات الشيخوخة، وقياسات مقاومة التيار المتردد الدوري خلال الدراجات. القياسات الخلية العملة توفر معلومات قيمة عن المعلمات مثل دورة الحياة، الاحتفاظ بالقدرات، التغييرات مقاومة التيار المتردد، إلخ إعادة الخلايا تمكين الرصد تغيرات الجهد ومقاومة الارتفاع في أقطاب الفردية. يمكن أن توفر مبادئ توجيهية لتطوير نظم الكهرباء فهمنا آليا إلى ارتفاع قدرة تتلاشى ومقاومة وفهم المساهمات لفقدان القدرة من كل قطب كهربائي أثناء تشغيل الخلية ذات الجهد العالي.
خلايانا الواردة لي1.03 (ني0.5Co0.2Mn0.3)0.97س2 (تتم الإشارة إليها هنا ك NMC532)-على أساس إيجابي أقطاب، المستندة إلى الجرافيت أقطاب سلبية (تتم الإشارة إليها هنا كالموارد الوراثية) وحل 1.2 متر من ليف6 في فلوروثيليني كربونات (FEC): إيثيل الميثيل كربونات (EMC) (5:95 w/w) كما المنحل بالكهرباء. الأقطاب الكهربائية المستخدمة في هذه الدراسة معيار أقطاب ملفقة في خلية التحليل والنمذجة ومرفق النماذج (معسكر) في "مختبر أرغون الوطني". القطب إيجابية يتكون من NMC532 والكربون موصل المضافة (C-45) والفينيليدن الفلوريد (PVdF) الموثق في نسبة وزن 90:5:5 على 20 ميكرومتر سميكة بن جامع الحالية. القطب السلبي يتكون من الغرافيت، مختلطة مع C-45، والموثق PVdF في نسبة وزن 92:2:6 في جامع 10 ميكرون سميكة Cu الحالية. أقراص دائرية قطرها 5.08 سم اللكم من رقائق القطب والفواصل كانت اللكمات مع يموت 7.62 سم لاستخدامها في المباريات مع 7.62 سم القطر الداخلي. كانت تجفف هذه الأقطاب في 120 درجة مئوية والفواصل في 75 درجة مئوية في فرن فراغ لمالا يقل عن 12 ح قبل انعقاد الجمعية الخلية. يتم تمثيل تمثيل تخطيطي لتصميم لاعبا أساسيا في الشكل 1. المباريات الكبيرة واقطاب ضمان الحد الأدنى إينهوموجينيتيس في التوزيعات الحالية في وحدة المساحة، وبالتالي، توفير التشوهات أقل في أطياف مقاومة. V 3-4.4 ركوب الدراجات يتبع بروتوكول قياسي، التي تضمنت دورتين من دورات تكوين بمعدل C/20، 100 دورات بمعدل C/3 ودورتين للتشخيص في C/20 الشيخوخة. كل بطارية اختبارات أجريت في 30 درجة مئوية. تم قياس البيانات ركوب الكهروكيميائية cycler بطارية استخدام ويتم إجراء التحليل الطيفي المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) باستخدام نظام بوتينتيوستات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1-تجريد الأسلاك النحاس/تين
- حصل الحرارة تجارياً على تجريد الحل.
- صب الصف الصناعية التجارية تجريد الحل داخل دورق فولاذ المقاوم للصدأ (7.6 سم وقطرها 8.5 سم في الطول) على عمق حوالي 5 ملم من الجزء السفلي. ضع الكأس على صفيحة ساخنة. تبدأ تدفئة بمعدل بطيء لحوالي 5 درجة مئوية/دقيقة.
- تزج الحرارية محمولة في حل عن كثب رصد منحنى درجة الحرارة من الحل وضبط معدل التسخين من الصفيحة الحفاظ على معدل التسخين المطلوبة.
- إعداد الأسلاك Cu/التعطيل في الرقصة لإعداد مرجع الأسلاك.
- ريح سميكة أسلاك نحاسية في شكل الرقصة (4 سم وطولها 7 سم). جبل التجارية Cu/التعطيل (أو النحاس النقي) سلك (25.4 ميكرومتر في القطر)، مطلي بطبقة رقيقة من التعطيل والمعزولة إلكترونيا بطلاء البولي يوريثان) على الرقصة كما هو مبين في الشكل 1 ألف.
ملاحظة: هذه الأسلاك هي حساسة للغاية وقد كسر إذا معالجة الخام.
- ريح سميكة أسلاك نحاسية في شكل الرقصة (4 سم وطولها 7 سم). جبل التجارية Cu/التعطيل (أو النحاس النقي) سلك (25.4 ميكرومتر في القطر)، مطلي بطبقة رقيقة من التعطيل والمعزولة إلكترونيا بطلاء البولي يوريثان) على الرقصة كما هو مبين في الشكل 1 ألف.
- تجريد البوليمر
- وبمجرد قراءة درجة حرارة الحل تجريد حوالي 85 درجة مئوية في الحرارية، وقف تدفئة الحل وتزج الرقصة الأسلاك التي شنت في الحل.
- اترك الرقصة داخل الحل للمياه 15 s وشطف ثم الرقصة في دي لآخر 15 s لغسل الزائد الحل تجريد تمتز فوق الأسلاك.
- التحقق من وجود السلك مكشوف Sn (يظهر باللون الأبيض الفضي) وكرر الخطوة 1-3-2 حتى يتم تجريده البوليمر تماما.
تنبيه: التعرض طويل الأجل للأسلاك للحل تجريد يمكن أحفر بعيداً Sn طلاء وفضح سلك Cu البنى المحمر تحت. إذا كان يجري إعداد الأسلاك لمقاومة التحليل الطيفي، ومن الضروري وجود الطلاء Sn. - شطف الرقصة في المياه دي وتجف في الهواء في درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية).
- قطع الأسلاك في وسط مناطق جردت للحصول على الأسلاك مع طرفي مع Sn المكشوفة (أو الاتحاد الجمركي عبر أسلاك جردت الزائدة). أن حجم كل الأسلاك حوالي 10 سم.
2. مرجع إعداد الأسلاك
- جعل الإشارة أسلاك الاتصالات وتوصيل الأسلاك الأسلاك كهربائية ولحام الوصلات.
- من لفافة أسلاك الدائرة الكهربائية، قطع قطعة من 10 سم وتجريد غلاف العزل من كلا الطرفين للكشف عن حوالي 2 سم معدن.
- جبل أحد طرفي سلك البوليمر تجريده إلى نهاية الأسلاك الكهربائية المكشوفة ولحام وصلة لنموذج اتصال بين الأسلاك كهربائية.
- قياس المقاومة بين السلك Sn (أو Cu) مكشوفة والأسلاك الكهربائية المكشوفة.
ملاحظة: القيم النموذجية المقاومة بين Ω 6-8. - نقل سلك واحد مع Sn كل مكشوف ومع Cu يتعرض إلى أرجون ملء الدرج الأمامي للجمعية في خلية.
- جبل مسطح وضغطت لي معدنية إحباط إلى الاتحاد الجمركي يتعرض مرجع الأسلاك
- قطع قطعة صغيرة من المعدن لي (لا تزيد عن 5 مم × 5 مم) من إحباط لي كبيرة داخل الدرج الأمامي.
ملاحظة: استخدام معدات مخصصة للاتصال مع المعدن لي ومخزن داخل الدرج الأمامي لمنع التلوث واللاحقة الكهربائية الصغيرة-قصيرة عبر. - استخدام الرول مغطاة بشريط بوليمر (لمنع الالتصاق من المعدن لي على سطح الاسطوانة المعدنية)، لف قطعة معدنية لي على منصة تفلون تحت ع.
- مواصلة المتداول لتحقيق سمك إحباط حوالي 25 ميكرومتر. الاختيار سمك باستخدام مقياس المسمار.
- عند الحصول على سمك المرجوة للي المعدن إحباط، ينحني إحباط في مركز لتشكيل شكل U. مكان Cu تتعرض الأسلاك بين منحنى مثل أن الاتحاد الجمركي على اتصال مع المعدن لي واضغط حظيرة لتغليف Cu الأسلاك بين طبقتين لي.
ملاحظة: الحفاظ على أقصى درجات الحذر مع تغليف أسلاك Cu ضمانا ليغطي كل طرف المكشوفة. الاتحاد الجمركي الموصلية الإلكترونية فقط والاتصال للاتحاد الجمركي للكهرباء سيؤدي إلى قراءة محتملة سطحية مختلطة توليد قيم الجهد خاطئة في البيانات.
- قطع قطعة صغيرة من المعدن لي (لا تزيد عن 5 مم × 5 مم) من إحباط لي كبيرة داخل الدرج الأمامي.
3-الخلية الجمعية والحصول على البيانات
- ضع الإشارة لي المعادن والأسلاك إشارة التعطيل بين الجمعية خلية ليثيوم أيون.
- ضع القطب السلبي في المباراة مثل مركز القطب هو إزاحة طفيفة من وسط المباراة. إضافة 400 ميليلتر من الكهرباء (1.2M ليف6 في فلوروثيليني كربونات (FEC): إيثيل الميثيل كربونات EMC (5:95 w/w)) الرطب مسرى كامل.
- ضع فاصل واحد على رأس الكهربائي واستخدام عملية تمشيط أورجانوفوبيك، بلطف القضاء على فقاعات الهواء المحبوس بين الفاصل ومسرى. ضبط موضع الفاصل لضمان كونسينتريسيتي مع المباراة لعزل قاعدة لاعبا أساسيا من القطب إيجابية تماما وتجنب قصيرة كهربائية داخل الخلية.
ملاحظة: أقطاب كبيرة تميل إلى اعتراض جيوب الهواء الفاصل بين الأقطاب كما أنها حليقة عند إضافة الكهرباء. هذه جيوب هوائية تحتاج إلى إزالة لضمان الاتصال السليم فاصل مع الأقطاب. زيادة مقاومة الخلية فقاعات الهواء وتمنع نقل أيون. - إضافة نقطتين (حوالي 10 ميليلتر) المنحل بالكهرباء، وواحد في 2 مم بعيداً عن ساندويتش الخلية وواحد آخر في المركز القطب. ضع تلميح Sn تتعرض الأسلاك إشارة في مركز مسرى ورقائق معدنية لي (مغلفة على سلك Cu) على انخفاض بعيداً عن مسرى. التوتر السطحي بين المعادن وقطرات اﻻلكتروﻻيت عقد الأسلاك في الموقف.
- إضافة قطره واحدة أكثر (حوالي 10 ميليلتر) من الكهرباء على المعدن لي بعد وضع الأسلاك في الموقف.
- إزالة فقاعات الهواء إضافية بين إحباط لي والفاصل مع اكتساح تفلون. إضافة ميليلتر 400 آخر من الكهرباء.
- ضع فاصل ثاني الانحياز إلى الفاصل الأول أن كل الأسلاك المرجعية هي تقع بين الفواصل اثنين. قم بإزالة أي فقاعات هوائية إضافية.
تنبيه: بينما وضع الفاصل الثاني، يمكن كسر التوتر المفرط الأسلاك مرجع. ترك سلك إضافي داخل الخلية إلى تخفيف حدة التوتر في السلك. - ويت مسرى إيجابية مع 400 ميليلتر من الكهرباء. مكان مسرى تتماشى مع القطب السلبي على رأس الفاصل الثاني.
- ضع فاصل الفولاذ المقاوم للصدأ على مسرى إيجابية بعناية لعدم الإزعاج محاذاة الخلية المكدس.
ملاحظة: يؤدي المنحرفة أقطاب متنافرة التوزيعات الحالية وقدرة الخلية انخفاض بسبب حصول انخفاض مساحة الخلية النشطة. - مكان اثنين من الفولاذ المقاوم للصدأ موجه الينابيع في عفريت لاستيعاب التغييرات حجم الخلية والضغط بناء التي تكفل الاتصال الكهربائية السليم بين أقطاب كهربائية ومحطات لاعبا أساسيا. إغلاق لاعبا أساسيا. منذ الإعداد مغلقة لا، تجري الاختبارات داخل صندوق القفازات في جو خامل.
- سجل البيانات من الأسلاك المعدنية مرجع لي للتشكيلات الجانبية للجهد الكهربائي الفردية
- الاتصال الطرفية مرجع مساعد cycler المعدن لي حين ترتبط المحطات قطب الإيجابية والسلبية cycler لأقطاب كل منهما.
ملاحظة: أثناء ركوب الدراجات للخلية، cycler يقرأ الفرق المحتملة بين محطة إيجابية وإعادة الإخراج Aux1 ومسرى السلبية والإشارة ك Aux2. أثناء توصيل الأسلاك المعدنية لي، هي Aux1 و Aux2 إمكانات أقطاب الفردية فيما يتعلق بالمعادن لي.
- الاتصال الطرفية مرجع مساعد cycler المعدن لي حين ترتبط المحطات قطب الإيجابية والسلبية cycler لأقطاب كل منهما.
- ليثياتي Sn الأسلاك في الموقع لمقاومة الكهروكيميائية سجل التحليل الطيفي (EIS).
- تطبيق الحالي مستمر من µA 5 ح 6 بين القطب إيجابية وسلك Sn مع قطع التيار الكهربائي أعلى 4 الخامس على اليكتروتشيميكالي ليثياتي التعطيل. الإمكانات السبائك لي/التعطيل وبالتالي شكلت قريب من المعدن لي. قطع الاتصال المحطات والسماح بالأسلاك حجته على ح 2.
ملاحظة: ضمان الحالية منخفضة للغاية (ما يقرب من 0 A) في الدائرة للتأكد من ليثياتيون كاملة من الأسلاك Sn. - تغيير اتصالات cycler للمعادن لي إلى المحطة الطرفية الإضافية cycler وسلك Sn إلى المحطة الطرفية سلبية cycler والتأكد من قراءة Aux2 قريبة من 0 الخامس. يتم الحصول على مرحلة ليثياتيد من التعطيل، تتم الإشارة إليها كليسSn.
- إعادة توصيل المحطات الإيجابية والسلبية من cycler إلى أقطاب كل منهما من الخلية والمحطة الطرفية الإضافية لليسسلك Sn.
- تطبيق الحالي مستمر من µA 5 ح 6 بين القطب إيجابية وسلك Sn مع قطع التيار الكهربائي أعلى 4 الخامس على اليكتروتشيميكالي ليثياتي التعطيل. الإمكانات السبائك لي/التعطيل وبالتالي شكلت قريب من المعدن لي. قطع الاتصال المحطات والسماح بالأسلاك حجته على ح 2.
- سجل نظام المعلومات البيئية (ط) الكاثود واﻷنود، مقابل (ثانيا) الكاثود الأسلاك Sn ليثياتيد و مقابل (ثالثا) اﻷنود سلك Sn ليثياتيد. وهي المقاومة من (ط) مجموع ممانعات التي تم الحصول عليها في (ثانيا) و (ثالثا). بوتينتيوستات يتكون من محطتين لتسجيل الفولتية واثنان للنواتج الحالية لكل قطب كهربائي.
- للحصول على الأطياف خلية كاملة، الاتصال المحطات الحالية والجهد أقطاب الإيجابية والسلبية كل من الخلية.
- لمقاومة القطب إيجابية، قم بتوصيل التيار الكهربائي والمحطات الإيجابية الحالية (يعرف أيضا باسم العامل الكهربائي، نحن) إلى القطب إيجابية، وقم بتوصيل المحطات السلبية (يعرف أيضا باسم العداد الكهربائي، CE) ليسSn مرجع القطب.
- لمقاومة قطب السلبية، تتصل المحطات نحن مسرى السلبية وتتصل المحطات م ليسSn مرجع مسرى.
- لتسجيل نظام المعلومات البيئية، توريد التيارات التيار المتردد أو اختلاف ترددات لدورة للزوجين الكهروكيميائية بين مطال جهد صغيرة (5 mV) ومؤامرة استجابة مقاومة المكون التخيلي مقابل المكون الحقيقي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
الرقم 2 صورة تمثيلية الفولتية أقطاب الفردية مع 1.2 مليون ليف6 في (FEC): EMC (5:95 w/w) كالكهرباء خلال المرحلتين الأولى والثانية من تشكيل. ويبين الشكل 3 الأطياف نظام المعلومات البيئية للخلية بعد ثلاث دورات تكوين وفي نهاية دورة حياة الشيخوخة البروتوكول. القدرة على إعادة ليثياتي وإعادة الحصول على الإيدز بيانات نظام المعلومات البيئية في التتبع الدقيق للمقاومة التغيرات في القطب الفردية.
الشكل 1. التمثيل التخطيطي والبصرية سلك مرجع خلية وإعداد الجمعية
(أ) النحاس الرقصة المستخدمة لتركيب الأسلاك إشارة لتجريد من البوليمر طلاء، (ب) تخطيطي لعملية تجريد تشير إلى موضع الرقصة داخل الكأس تيسيرا لتجريد جزئي من الأسلاك لفضح الطبقة Sn. الحل تجريد هو الإبقاء على 85 درجة مئوية. لا منغمسين في الحل الرقصة تماما حيث أن جزء فقط من الأسلاك يتم تجريده من طبقة البوليمر. يتم قطع الأسلاك في منتصف الجزء جردت لخلق فصل أسلاك مع نصائح المعدنية المكشوفة. (ج) التخطيطي تمثيل تصميم المباراة خلية عرض موقف كل مرجع أقطاب كهربائية. تحتوي الخلية على مرجع لي معدنية وضعت على مقربة من المكدس الخلية وأسلاك مرجع لي/التعطيل المتمركزة في وسط الخلية المكدس. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 2. التشكيلات الجانبية للجهد من خلية كاملة، أقطاب الإيجابية والسلبية
(أ) يظهر الشخصية الجهد الكهربي للخلية الكاملة في المرحلتين الأولى والثانية بين 3 و 4.4 الخامس وملامح المناظرة من الإيجابية والسلبية أقطاب مقابل لي/لي+ في (ب) و (ج) على التوالي. بينما الاحتلالات الخلية الكاملة بين 3 و 4-3 الخامس، الخبرات الإيجابية الفولتية بين 3.7 و 4.5 V. السلبية يخضع لتغيرات الجهد بين 0.7 و 0.05 V. يتيح الرصد الوثيق لأقطاب الفردية سلك مرجع لي ويسهل سبر ردود فعل الأكسدة الكهروكيميائية على السطح في أقطاب الفردية. الهضبة في كل ملف تعريف يشير إلى دقة الجهد (مقابل لي/لي+) في ليثياتيون التي/دي-ليثياتيون يحدث في قطب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3. أطياف المعاوقة الكهروكيميائية كامل الخلية، أقطاب الإيجابية والسلبية
أطياف التيار المتردد-نظام المعلومات البيئية لجميع الخلية الكاملة واقطاب الفردية مقابل إعادة بعد (أ) تشكيل دورات ودورات (ب) 100. يتم الحصول على البيانات البيئية في الموقع ليثياتينج Sn السلكي وضعت بين الأقطاب. وهكذا، قطب مرجعية ثابتة يمكن استخدامها لجمع مقاومة القطب الفرد منذ خلافا للمعدن لي، المساهمة لمقاومة هذا السلك رقيقة لا يكاد توفير سلوك القطب دقيقة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
الشكل 2a هو الشخصية الجهد الكهربي للخلية الكاملة بينما الشكل 2b و ج 2 تظهر ملامح الجهد المقابل للايجابية والسلبية القطب مقابل زوجين لي/لي+ بينما يتم تدوير الخلية الكاملة بين 3 و 4-4 V. يمكن أن ينظر إلى أن كما تفحص الخلية الكاملة بين 3 و 4-4 V, مسرى إيجابية التجارب الفولتية بين 3.65 V و 4.45 الخامس ومسرى السلبية بين 0.65 الخامس و الخامس 0.05 مقابل. لي/لي+ على التوالي. أثناء الشحن، يقلل احتمال (مقابل لي/لي+) من زيادات إيجابية تشير إلى ليثييشن دي وأن القطب السلبي (مقابل لي/لي+) ليثييشن التي تشير إلى. في التهمة الأولى، كاحتمال القطب سلبية تصل إلى ~ 1.1 الخامس، هناك تغيير في المنحدر وهضبة محتملة صغيرة. ويعزى هذا إلى الحد FEC في الكهرباء18،،من1920، تشكيل طبقة السطح البيني تستهلك أيونات لي لا رجعة فيه. انخفاض قدرة أثناء أداء اللاحقة هو كما هو موضح التباطؤ جهد في التشكيل الجانبي. وينعكس التباطؤ في التشكيل الجانبي للقطب إيجابية، وأن الخلية الكاملة أيضا. يتم الحصول على التشكيلات الجانبية المحتملة من أقطاب الفردية كالبيانات Aux1 و Aux2 من مسرى لي مرجع معدنية (الخطوة 3، 2).
الشكل 3 ألف و 3 باء يمثل نظام المعلومات البيئية للخلية الكاملة بعد تشكيل دورات وفي نهاية البروتوكول بجمعها باستخدام الأسلاك Sn ليثياتيد كإعادة كما هو مذكور في الخطوة 3، 3 (القياسات المتخذة وفقا للخطوة 3، 4). السعة الجهد المتوسط 5 أثناء أخذ القياس البيئية لا تنشيط تفاعلات الأكسدة الكهروكيميائية ويمكن الحصول على استجابة مقاومة فقط. التردد هو تراوح بين 10 ميجا هرتز و 1 ميغاهرتز. مقاومة عالية التردد ويقدم معلومات للسلوك المقاومها والسطح البيني وقيم مقاومة منتصف التردد تشير إلى استجابة السائبة. يمكن الحصول على معلومات حول المعاملات نشر من الأيونات من منطقة منخفضة التردد الذي يظهر كخط مستقيم. يمكن الحصول على الحسابات المتصلة ب deconvolution من المعلومات من الأطياف من عدة الأدب المادتين21،22،،من2324. يمكن أن ينظر إلى أن هناك زيادة كبيرة في مقاومة الخلية الكاملة (المنحنى الأسود). مقاومة من أقطاب الإيجابية والسلبية الفردية قد أيضا تم رسم البيانات منحنيات زرقاء وحمراء على التوالي. بينما يظهر القطب السلبي القاصر أو لا ارتفاع مقاومة، الزيادة في مقاومة إيجابية كبيرة مما يعني أن الارتفاع في مقاومة الخلية الكاملة يأتي أساسا من التغييرات في مقاومة إيجابية.
المعاوقة الكهروكيميائية للزوجين التي تشمل المعادن لي تختلف عن سطح لي البكر بعد مساهمة غير القابلة للقياس الكمي للبيانات. في الموقع ليثييشن من مرجع ثانوي Cu/التعطيل سلك أشكال يتواجد ليسسبائك Sn، إمكانات الكيميائية التي قريبة من المعدن لي. مزايا إمكانيات القطب مستقرة ويجري قادرة على وضع الأسلاك بين ساندويتش القطب تيسير هذا التصميم يمكن الاعتماد عليها للحصول على الأطياف مقاومة لزوجين القطب-مرجع. فعالية هذا الأسلوب الكهربائي إشارة المفهوم عندما يتم رسم البيانات مقاومة أقطاب الفردية.
يأتي إسهاما كبيرا لمقاومة لهذا الزوج من مسرى حيث يتوقع لا أفلام على سطح ليسسلك Sn. ويمكن تيسير رصد دقيق لمقاومة التغييرات في مسرى من خلال تشكيل قطب الإشارة في الموقع . وحيث يتواجد سبائك القصديرxلي، فإنها تمر ديليثييشن المستمر مع مرور الوقت للحصول على نقي Sn القطب. بيد أن حركية التفريغ الذاتي بطيئة للغاية (> 200 ساعة لإكمال ديليثييشن)، تيسير تركيبة ثابتة تقريبا والإمكانات من خلال مجموعة من أطياف مقاومة (الفترة الزمنية ~ 0.5 ساعة لكل قطب كهربائي). هذا الأسلوب، وبالتالي، يوفر بيانات موثوق بها نظام المعلومات البيئية مقارنة بالتقنيات الأخرى نظراً لوضع سلك الإشارة، والجهد ليسمرحلة التعطيل، و غيرها التي تجعل البيانات غير متأثرة بخسائر المقاومها والكثافة الحالية إينهوموجينيتيس. وعلى الرغم من فعالية كبيرة في الأسلوب، وعدم الاستقرار وانخفاض العمر الافتراضي ل ليسSn الأسلاك بسبب التفريغ الذاتي منذ القيد الوحيد أنه يتطلب إعادة-ليثييشن الأسلاك Sn للقياسات تتجاوز 200 ساعة. على الرغم من أن القدرة المفقودة في ليثياتينج Sn الأسلاك منخفضة مقارنة بقدرة الخلية، ليثياتيون إعادة دورية على مدى طويل الأجل القياسات قد يغير الدولة مقابل القطب إيجابية.
يمكن استخدامها النهج الذي يحتمل أن الحصول على في الموقع معلومات حول السلوك الكهربائي أثناء الشيخوخة للبطارية. ركوب الدراجات الهوائية خلية في الظروف المتطرفة الجهد تزيد من فرص لي الطلاء على مسرى السلبية تسبب تحديات مكثفة للسلامة. تجارب إضافية جارية لفهم حدوث الطلاء لي بوضع بروتوكولات للتحقيق بداية ترسب لي. علاوة على ذلك، خلط الأسلاك Sn مع المعادن الأخرى مثل غ أو مغ يمكن توسيع تطبيق هذه التقنية على كيمياء البطارية الجيل الجديد الأخرى مثل أيون Na وبطاريات أيون ملغ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
الكتاب الاعتراف بدعم مالي من وزارة الطاقة في الولايات المتحدة، ومكتب لكفاءة الطاقة والطاقة المتجددة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Insulstrip 220 | Ambion Corporation | 081607-1 | |
| Sodium Hydroxide (23 wt%) | Ambion Corporation | 1310-73-2 | Contents of Insulstrip 220 |
| Furfuryl Alcohol (10 wt%) | Ambion Corporation | 98-00-0 | Contents of Insulstrip 220 |
| NCM523 | TODA America | NM4100 | |
| C-45 | Timcal Inc. | ||
| polyvinylidene fluoride (PVdF) | Sigma Aldrich | 427152 | |
| Sn over Cu wire | Kanthal | MELT # 24633 | Custom ordered |
| Battery cycler | Maccor USA | Series 2300 | |
| Potentiostat | Solartron Analytical | 1470 E |
References
- Ma, D., Cao, Z., Hu, A. Si-Based Anode Materials for Li-Ion Batteries: A Mini Review. Nano-Micro Letters. 6 (4), (2014).
- Jung, S. -K., et al. Understanding the Degradation Mechanisms of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 Cathode Material in Lithium Ion Batteries. Advanced Energy Materials. 4 (1), 1300787 (2014).
- Streipert, B., et al. Influence of LiPF6 on the Aluminum Current Collector Dissolution in High Voltage Lithium Ion Batteries after Long-Term Charge/Discharge Experiments. Journal of The Electrochemical Society. 164 (7), A1474-A1479 (2017).
- Gilbert, J. A., et al. Cycling Behavior of NCM523/Graphite Lithium-Ion Cells in the 3-4.4 V Range: Diagnostic Studies of Full Cells and Harvested Electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A6054-A6065 (2017).
- Shim, J., Kostecki, R., Richardson, T., Song, X., Striebel, K. A. Electrochemical analysis for cycle performance and capacity fading of a lithium-ion battery cycled at elevated temperature. Journal of Power Sources. 112 (1), 222-230 (2002).
- Peled, E., Menkin, S. Review-SEI: Past, Present and Future. Journal of The Electrochemical Society. 164 (7), A1703-A1719 (2017).
- Nadimpalli, S. P. V., et al. Quantifying capacity loss due to solid-electrolyte-interphase layer formation on silicon negative electrodes in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 215, 145-151 (2012).
- Ender, M., Weber, A., Ellen, I. -T. Analysis of Three-Electrode Setups for AC-Impedance Measurements on Lithium-Ion Cells by FEM simulations. Journal of The Electrochemical Society. 159 (2), A128-A136 (2011).
- Zhou, J., Notten, P. H. L. Development of Reliable Lithium Microreference Electrodes for Long-Term In Situ Studies of Lithium-Based Battery Systems. Journal of The Electrochemical Society. 151 (12), A2173-A2179 (2004).
- Klink, S., Höche, D., La Mantia, F., Schuhmann, W. FEM modelling of a coaxial three-electrode test cell for electrochemical impedance spectroscopy in lithium ion batteries. Journal of Power Sources. 240 (Supplement C), 273-280 (2013).
- Bünzli, C., Kaiser, H., Novák, P. Important Aspects for Reliable Electrochemical Impedance Spectroscopy Measurements of Li-Ion Battery Electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 162 (1), A218-A222 (2015).
- 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), A1253-A1260 (2014).
- Hoshi, Y., et al. Optimization of reference electrode position in a three-electrode cell for impedance measurements in lithium-ion rechargeable battery by finite element method. Journal of Power Sources. 288 (Supplement C), 168-175 (2015).
- La Mantia, F., Wessells, C. D., Deshazer, H. D., Cui, Y. Reliable reference electrodes for lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications. 31 (Supplement C), 141-144 (2013).
- Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., Teller, H. A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions. Solid State Ionics. 148 (3), 405-416 (2002).
- Klett, M., et al. Electrode Behavior RE-Visited: Monitoring Potential Windows, Capacity Loss, and Impedance Changes in Li1.03(Ni0.5Co0.2Mn0.3)0.97O2/Silicon-Graphite Full Cells. Journal of The Electrochemical Society. 163 (6), A875-A887 (2016).
- Zhang, W. -J. A review of the electrochemical performance of alloy anodes for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 196 (1), 13-24 (2011).
- Klett, M., Gilbert, J. A., Pupek, K. Z., Trask, S. E., Abraham, D. P. Layered Oxide, Graphite and Silicon-Graphite Electrodes for Lithium-Ion Cells: Effect of Electrolyte Composition and Cycling Windows. Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A6095-A6102 (2017).
- Ma, L., et al. A Guide to Ethylene Carbonate-Free Electrolyte Making for Li-Ion Cells. Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A5008-A5018 (2017).
- Michan, A. L., et al. Fluoroethylene Carbonate and Vinylene Carbonate Reduction: Understanding Lithium-Ion Battery Electrolyte Additives and Solid Electrolyte Interphase Formation. Chemistry of Materials. 28 (22), 8149-8159 (2016).
- Rahmoun, A., Loske, M., Rosin, A. Determination of the Impedance of Lithium-ion Batteries Using Methods of Digital Signal Processing. Energy Procedia. 46, 204-213 (2014).
- Jiang, J., et al. Electrochemical Impedance Spectra for Lithium-ion Battery Ageing Considering the Rate of Discharge Ability. Energy Procedia. 105, 844-849 (2017).
- Andre, D., et al. Characterization of high-power lithium-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy. I. Experimental investigation. Journal of Power Sources. 196 (12), 5334-5341 (2011).
- Li, S. E., Wang, B., Peng, H., Hu, X. An electrochemistry-based impedance model for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 258, 9-18 (2014).
