Summary
Indarbejdelse af referenceelektroder i et Li-ion batteri giver værdifulde oplysninger at belyse nedbrydning mekanismer ved høje spændinger. I denne artikel præsenterer vi en celle design, der kan rumme flere referenceelektroder sammen med forsamlingen trinene til at sikre maksimal nøjagtighed af oplysninger indhentet i elektrokemiske målinger.
Abstract
Udvide driftsspænding på Li-ion batterier resultater i højere energioutput fra disse enheder. Høje spændinger, men kan udløse eller fremskynde flere processer, der er ansvarlig for langsigtede ydeevne forfald. Betragtning af kompleksiteten af fysiske processer, der forekommer inde i cellen, det ofte en udfordring for at opnå en fuld forståelse af de grundlæggende årsager til denne forringelse af ydeevnen. Dette problem skyldes delvis, at enhver elektrokemiske måling af et batteri vil returnere de kombinerede bidrag af alle komponenter i cellen. Inkorporering af en referenceelektrode kan løse en del af problemet, da det giver mulighed for katoden og anode at være individuelt aftestede elektrokemiske reaktioner. En variation i spændingsområde erfarne ved katoden, for eksempel, kan indikere ændringer i puljen af cyclable lithium-ioner i fuld-celle. Den strukturelle udvikling i de mange interphases i batteriet kan også overvåges ved at måle bidragene af hver elektrode til den overordnede celle impedans. Sådan rigdom af oplysninger forstærker rækkevidde af diagnostisk analyse i Li-ion batterier og giver værdifuldt input til optimering af enkelte celle komponenter. I dette arbejde, vi indføre design af en stand til at rumme flere referenceelektroder prøvningsrummet og nuværende referenceelektroder, der er relevante for hver specifik måling, detaljering forsamlingen proces for at maksimere nøjagtigheden af de eksperimentelle resultater.
Introduction
Efterspørgslen efter høj energi tætheder fra Li-ion batterier (LIBs) driver forskning mod forståelse grundlæggende faktorer, der begrænser Li-ion celle ydeevne1. Høj spænding drift af celler, der indeholder en ny generation af lagdelt overgangen metal oxide katoder, graphite anoder og økologisk karbonat elektrolytter er forbundet med flere parasitiske reaktioner2,3. Nogle af disse reaktioner forbruge Li - ion lager og ofte resulterer i betydelige impedans stigningen i celle4,5,6,7. Tab af Li-ion resulterer også i en netto skift af elektroder overflade potentialer. Overvågning af spændingsændringer på en individuel elektrode i en fuld celle versus en referenceelektrode kan (RE) udføres i kommercielle 3-elektrode celle designs8,9,10,11 , 12 , 13 , 14. oplysninger om spænding profiler og impedans ændringer på individuelle elektroder fremmer en dybere forståelse af de grundlæggende nedbrydning mekanismer for en LIB. Konventionelle 3-elektrode celler indeholder Li metal som en referenceelektrode, som letter en tydelig forståelse af de elektrokemiske processer på hver elektrode. Li-metal kontakt med organiske elektrolytten gennemgår spontan overflade ændring og bidrag af denne overflade lag på Li kan være kvantificeret15. Flere 3-elektrode konfigurationer såsom a T-model, (b) en mikro-RE placeret koaksial til både arbejde og counter-elektrode, (c) en mønt celle med en RE på bagsiden counter elektrode, etc. er blevet foreslået tidligere. De fleste af disse celle konfigurationer har RE placeret væk fra celle sandwich, generere betydelige drift i impedans data på grund af lav ledningsevne af elektrolytten. Det er blevet bevist, at en RE med en stabil potentiale i hele målingen skal være stationeret i midten af sandwich at sikre pålidelige impedans data.
For at løse disse uoverensstemmelser, har vi designet en celle installation involverer en fjerde RE16. En ultra-tynd Sn forgyldt Cu wire er klemt inde mellem elektroderne på et batteri, der kan være elektrokemisk lithiated i situ at danne en LixSn legering. Som Sn gennemgår lithiation, spænding af reference wire dråber og en fuldstændig lithiated wire har en potentiel tæt på 0 V vs. Li+/Li17. Lithiated sammensætning har en sammenlignelig med Li metal potentiale og de metastabile legeringer lette en stabil potentielle det tidsrum af målingen. En Li metal udsat for elektrolyt er udsat for elektrolyt nedbrydningsprodukter danner overfladen lag. En EIS måling at sonde impedans af individuelle elektroder ved at indsamle spectra mellem en af elektroder og Li metal reference som kombineret ikke har været pålidelig på grund af bidraget fra disse lag på impedans. Selvom elektrolyt reduktion er uundgåelige også på Li-Sn overflade, en i situ lithiated reference wire har følgende fordele: a ingen konstant elektrolyt nedbrydningsprodukter som spændingen er altid over nedbrydning potentiale elektrolytten medmindre lithiated, indebærer ingen tab af Li lager i systemet til interfacial lag; (b) lag dannet under lithiation af Sn tråd er over et meget lille område, giver ubetydelige bidrag til EIS data; og (c) de dannede produkter forringes som Sn wire mister Li og potentialet i wire forhøjelserne, resulterer i lithiation af friske Sn wire under hver lithiation og dermed dannelsen af meget tynde interfacial lag hver gang i stedet for øget tykkelse af disse lag. Spektre registreret med disse legeringer som reference giver mere nøjagtige og pålidelige data af elektrode impedans. Vi gennemførte tests med standard 2032-type mønt celler og 4-elektrode RE celler for at validere vores design. Resultater fra disse tests og vores fortolkning af data vil blive brugt som et repræsentativt resultat for at forklare effekten af vores protokol. 3-4.4 V cykling fulgte en standardprotokol, der omfattede dannelsen cyklusser, aldrende cyklusser og periodiske AC impedans målinger under den cykling. Mønt celle målinger give værdifulde oplysninger om parametre som cyklus liv, opbevaring af kapacitet, AC impedans ændringer etc. RE celler aktiverer overvågning spændingsændringer og impedans stige på individuelle elektroder. Vores mekanistiske forståelse i kapacitet fade og impedans stigning kan give retningslinjer for udvikling af elektrolyt systemer og forstår bidrag for kapacitet tab fra hver elektrode under højspændings celle drift.
Vores celler indeholdt Li1,03 (Ni0,5Co0,2Mn0,3)0.97O2 (betegnes her som NMC532)-baseret positive elektroder, grafit-baserede negative elektroder (betegnes her som Gr) og en 1,2 M opløsning af LiPF6 i Fluoroethylene karbonat (FEC): Ethyl Methyl karbonat (EMC) (5:95 w/w) som elektrolyt. Elektroderne anvendes i denne undersøgelse er standard elektroder fabrikeret på celle analyse, modellering og Prototyping (CAMP) facilitet ved Argonne National Laboratory. Den positive elektrode består af NMC532, ledende kulstof tilsætningsstof (C-45) og polyvinylidene fluorid (PVdF) binder i en vægt-forhold af 90:5:5 på en 20 µm tykt Al nuværende collector. Den negative elektrode består af grafit, blandet med C-45 og PVdF bindemiddel i en vægt forholdet mellem 92:2:6 på en 10 µm tykt Cu nuværende collector. Cirkulær diske af 5,08 cm diameter var slået fra elektrode laminater og separatorerne blev slået med en 7,62 cm dør til brug i armaturer med 7,62 cm indvendig diameter. Disse elektroder var tørres ved 120 ° C og separatorer ved 75 ° C i et vakuum ovn i mindst 12 timer før celle samling. En skematisk gengivelse af armatur design er repræsenteret i figur 1. Store Kampprogram og elektroder sikre minimum inhomogeneities i nuværende distributioner pr. arealenhed, således at give de mindste forvridninger i impedans spektre. 3-4.4 V cykling fulgte en standardprotokol, der omfattede to dannelse cyklusser på en C/20 sats, 100 ældre cykler til en C/3 og to diagnostiske cyklusser på C/20. Alle batteriet tests blev udført på 30 ° C. Elektrokemiske cykling data blev målt ved hjælp af et batteri cycler og elektrokemiske impedans spektroskopi (EIS) udføres ved hjælp af et potentiostat system.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. stripning kobber/Tin ledninger
- Varme fremstillet kommercielt stripping løsning.
- Hæld industrielle handelsklasse stripping løsning i en rustfri bægerglas (7,6 cm i diameter og 8,5 cm i højden) i en dybde af ca. 5 mm fra bunden. Bægerglasset anbringes på en varmeplade. Begynde at varme en langsom hastighed på omkring 5 ° C/min.
- Fordybe termølement bærbare i løsning til nøje at overvåge temperatur rampen af opløsningen og justere opvarmning af varmepladen at opretholde tilskuddet krævede varme.
- Opsætning af Cu/Sn wiren på jig for at forberede reference ledninger.
- Vind en tyk kobbertråd i form af en jig (4 cm bred og 7 cm lang). Mount kommercielle Cu/Sn (eller ren Cu) wire (25,4 µm i diameter), belagt med et tyndt lag af Sn og elektronisk isoleret med en polyurethan belægning) på jig som vist i figur 1a.
Bemærk: Disse ledninger er yderst delikat og kan bryde, hvis håndteret ru.
- Vind en tyk kobbertråd i form af en jig (4 cm bred og 7 cm lang). Mount kommercielle Cu/Sn (eller ren Cu) wire (25,4 µm i diameter), belagt med et tyndt lag af Sn og elektronisk isoleret med en polyurethan belægning) på jig som vist i figur 1a.
- Stripping polymeren
- Når temperaturen i stripping løsningen læser omkring 85 ° C på termoelement, stoppe varme løsningen og fordybe ledning monteret jig i løsning.
- Forlade jig inde løsningen for 15 s og derefter skylle jig i DI vand til en anden 15 s at vaske overskydende stripping løsning adsorberet på wiren.
- Kontroller kablet for udsatte Sn (vises som sølvskinnende hvid farve) og Gentag trin 1.3.2 indtil polymeren er helt strippet.
Forsigtighed: Langsigtet eksponering af wiren til stripping løsningen kan etch lager Sn belægning og udsætte en rødlig-brun Cu wire nedenunder. Hvis ledningerne er at være forberedt til impedans spektroskopi analyse, tilstedeværelsen af Sn plating er afgørende. - Skyl jig i DI vand og tørres i luft ved stuetemperatur (25 ° C).
- Klippe ledningerne midt på de afisolerede regioner at få ledningerne med begge ender med udsatte Sn (eller Cu over overskydende afisolerede ledninger). Størrelsen af hver ledning er ca 10 cm.
2. Wire referencepraeparat
- At henvise wire kontakter, oprette ledningerne til en elektrisk ledning og lodde krydset.
- Fra en rulle af elektriske kredsløb ledninger, udskårne stykker af 10 cm og fratage dækslet isolering fra begge ender til at eksponere ca 2 cm af metal.
- Montere en ende af polymer strippet ledning til slutningen af den udsatte elektriske ledning og lodde krydset til at danne en elektrisk kontakt mellem ledningerne.
- Måle modstanden mellem de udsatte Sn (eller Cu) wire og de udsatte elektrisk ledning.
Bemærk: Typisk modstand værdierne ligger mellem 6-8 Ω. - Overføre én ledning hver med Sn udsat og med Cu udsat i en Argon fyldt handskerum til montering i en celle.
- Montere en presset og fladtrykte Li metal folie til Cu udsat reference wire
- Skær et lille stykke af Li metal (ikke mere end 5 mm x 5 mm) fra en stor Li folie inde i handskerum.
Bemærk: Brug dedikeret udstyr for kontakt med Li metal og butikken inde i handskerum at forhindre krydskontaminering og efterfølgende elektriske mikro-kort. - Ved hjælp af en valse, dækket med en polymer tape (for at forhindre stikning af Li metal overfladen, metallisk roller), roll Li metal stykke på en Teflon platform under Ar.
- Fortsætte rullende for at opnå en folie tykkelse af ca 25 µm. Check tykkelse ved hjælp af en skrue gauge.
- Når han får den ønskede tykkelse af Li metalfolie, bøje folie på center til at danne en U-form. Sted Cu udsat ledning i mellem bøje sådan at Cu er i kontakt med Li metal og tryk på fold at indkapsle Cu ledning mellem de to Li lag.
Bemærk: Fastholde ekstrem forsigtighed mens indkapsling Cu wire for at sikre, der dækker alle de udsatte tip. Cu er for elektroniske konduktans kun og kontakt af Cu til elektrolytten vil resultere i læse en blandet overflade potentiale genererer fejlagtige spænding værdier i dataene.
- Skær et lille stykke af Li metal (ikke mere end 5 mm x 5 mm) fra en stor Li folie inde i handskerum.
3. celle forsamling og dataopsamling
- Placere både Li metal reference og Sn reference ledninger mellem Li-ion celle forsamling.
- Placer den negative elektrode i armaturet, så midten af elektroden er lidt forskudt fra midten af armaturet. Tilføj 400 µL af elektrolytten (1.2M LiPF6 i Fluoroethylene karbonat (FEC): Ethyl Methyl carbonat EMC (5:95 w/w)) til våd hele elektrode.
- Placer en separator ovenpå elektrode og bruger en organophobic feje, forsigtigt fjerne fanget luftbobler mellem separatoren og elektrode. Justere placeringen af separator at sikre concentricity med armatur til helt isolere bunden af armaturet fra den positive elektrode og undgå elektriske kort inde i cellen.
Bemærk: Store elektroder har tendens til at fælde luft lommer mellem separatoren og elektroder som de krøller ved tilsætning af elektrolytten. Disse luftlommer skal fjernes for at sikre ordentlig kontakt separator med elektroderne. Luftboblerne øge impedans af cellen og hæmmer ion overførsel. - Tilføj to dråber (ca. 10 µL) elektrolyt, der på 2 mm fra celle sandwich og endnu en på midten af elektroden. Holdning til Sn udsat spidsen af reference wire i midten af elektrode og Li metalfolie (indkapslet på Cu wire) på drop fra elektroden. Overfladespænding mellem metaller og elektrolyt dråber holde ledningerne på plads.
- Tilføje en mere dråbe (ca. 10 µL) af elektrolyt på Li metal efter at placere ledningen i position.
- Fjerne yderligere luftbobler mellem Li folie og separator med Teflon feje. Tilføje en anden 400 µL af elektrolytten.
- Sted en anden separator justeret til den første separator at begge reference ledningerne er klemt inde mellem de to separatorer. Fjern eventuelle ekstra luftbobler.
Forsigtighed: Samtidig med at placere den anden separator, kan overdreven spændinger bryde reference ledninger. Forlade ekstra ledning inde i cellen for at mindske spændingen i wiren. - Våd den positive elektrode med 400 µL af elektrolytten. Sted elektroden på linje med den negative elektrode på toppen af den anden separator.
- Placer rustfrit stål spacer på den positive elektrode omhyggeligt vil ikke forstyrre stak cellejustering.
Bemærk: Fejljusteret elektroder resultere i inhomogene nuværende distributioner og reduceret celle kapacitet på grund af reduceret adgang af aktive celle område. - Sted to rustfri bølge fjedre på pucken til at rumme for celle volumen ændringer og presset bygge som sikre ordentlig elektrisk kontakt mellem elektroderne og armatur terminaler. Luk armaturet. Da opsætningen ikke er hermetisk forseglet, udføres testene inde i handskerummet i en inert atmosfære.
- Record data fra Li metal reference wire for individuelle elektrode spænding profiler
- Tilslutte den hjælpeansatte reference terminal på cycler til Li metal mens positivt og negative elektrode terminaler i cycler er forbundet til de respektive elektroder.
Bemærk: Under cykling af cellen, cycler læser spændingsforskel mellem pluspolen og RE som Aux1 output og den negative elektrode og referencen som Aux2. Mens Li metaltråd er tilsluttet, er Aux1 og Aux2 potentialer af individuelle elektroder med hensyn til Li metal.
- Tilslutte den hjælpeansatte reference terminal på cycler til Li metal mens positivt og negative elektrode terminaler i cycler er forbundet til de respektive elektroder.
- Lithiate Sn wire i situ at optage elektrokemiske impedans spektroskopi (EIS).
- Anvende en konstant strøm af 5 µA for 6 h mellem den positive elektrode og Sn wiren med en øverste spænding cutoff 4 V til elektrokemisk lithiate i Sn. Potentialet i Li/Sn legering saaledes dannede ligger tæt op ad Li metallet. Afbryde terminalerne og tillade ledning til blandingen henstår i 2 h.
Bemærk: Sikre yderst svagstrøm (tæt på 0 A) i kredsløb at bekræfte komplet lithiation af Sn wire. - Ændre cycler forbindelser til Li metal til hjælpeansatte terminal af cycler og Sn ledning til den negative terminal af cycler og sikre læsning af Aux2 nær 0 V. En lithiated fase af Sn er fremstillet, betegnet som LixSn.
- Igen forbinde de positive og negative terminaler af cycler til de respektive elektroder af cellen og hjælpeansatte terminalen til LixSn wire.
- Anvende en konstant strøm af 5 µA for 6 h mellem den positive elektrode og Sn wiren med en øverste spænding cutoff 4 V til elektrokemisk lithiate i Sn. Potentialet i Li/Sn legering saaledes dannede ligger tæt op ad Li metallet. Afbryde terminalerne og tillade ledning til blandingen henstår i 2 h.
- Optag EIS for a katode vsanode, (ii) katode vs lithiated Sn wire og (iii) anode vs lithiated Sn wire. Impedans af (i) er summen af den impedances fremstillet i (ii) og (iii). Potentiostat består af to terminaler til at registrere spændinger og to for nuværende output for hver elektrode.
- For at opnå fuld celle spektre, Tilslut spænding og nuværende terminaler til de respektive positive og negative elektroder af cellen.
- For den positive elektrode impedans, Tilslut spænding og nuværende positive terminaler (også kendt som arbejder elektrode, WE) til den positive elektrode, og Tilslut de negative terminaler (også kendt som counter elektrode, CE) til LixSn referenceelektrode.
- For den negative elektrode impedans, tilsluttes den negative elektrode WE terminaler og tilsluttes LixSn-referenceelektrode CE terminaler.
- Hvis du vil optage EIS, forsyne AC strømme eller varierende frekvenser for at cykle de elektrokemiske par mellem en lille spænding amplitude (5 mV) og plot impedans svar som imaginære Elements vs den rigtige komponent.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 2 er en repræsentant profil for spændinger af individuelle elektroder med 1,2 M LiPF6 i (FEC): EMC (5:95 w/w) som elektrolyt under første og anden cyklusser af dannelse. Figur 3 viser EIS spektrene af cellen efter tre dannelse cykler og i slutningen af cyklus liv aldrende protokol. Evnen til at re-lithiate RE at opnå EIS data aids i præcis sporing af impedans ændringer i individuelle elektrode.
Figur 1. Skematisk og visuel repræsentation af den reference wire forberedelse og celle forsamling
(a) kobber jig bruges til at montere reference ledningerne til stripning ud af polymeren belægning, (b) en skematisk af stripping proces med angivelse af placering af jig inde i bægerglasset at lette delvise Afisolering af ledninger til at eksponere Sn lag. Stripping løsningen holdes på 85 ° C. Jig er ikke helt nedsænket i løsningen, således at kun en del af wiren er frataget polymer lag. Wiren er skåret midt i den afisolerede del at skabe for at adskille ledninger med udsatte metal tips. c skematisk gengivelse af celle armatur design viser placeringen af begge elektroderne for reference. Cellen indeholder både Li metal reference placeret tæt på celle stakken og Li/Sn reference ledninger placeret i midten af cellen stakken. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Spænding profiler af cellen fuld, positive og negative elektroder
(a) spænding profil af den fulde celle i de første og anden cirkulerer mellem 3 og 4.4 V og de tilsvarende profiler af positive og negative elektroder vs Li/Li+ er vist i (b) og (c) henholdsvis. Mens den fulde celle fejer mellem 3 og 4.3 V, erfaringer positive spændinger mellem 3,7 og 4,5 V. Negativt gennemgår spændingsændringer mellem 0,7 og 0,05 V. Li reference ledning giver mulighed for nøje overvågning af individuelle elektroder og letter sondering elektrokemiske redox reaktioner på overfladen på individuelle elektroder. Plateau i hver profil angiver netop spændingen (vs Li / Li+) på hvilke lithiation / de-lithiation opstår i en elektrode. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Elektrokemiske impedans spektre af fuld celle, positive og negative elektroder
AC - EIS spektre af alle fuld cellen og individuelle elektroder vs RE efter a dannelse cyklusser og (b) 100 cyklusser. EIS data er indsamlet ved i situ lithiating Sn wire placeret mellem elektroderne. Således en stabil referenceelektrode kan bruges til at samle impedans af individuelle elektrode siden i modsætning til Li metal, fra denne tynde wire bidrag til impedans er ubetydelig giver nøjagtige elektrode adfærd. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Figur 2a er spænding profil af den fulde celle mens figur 2b og 2 c vis spænding profiler svarer til positivt og den negative elektrode vs Li/Li+ par, mens den fulde celle skiftes mellem 3 og 4.4 V. Det kan ses, at som cellen fuld scanninger mellem 3 og 4.4 V, den positive elektrode oplever spændinger mellem 3,65 V og 4,45 V og den negative elektrode mellem 0,65 V og 0,05 V vs. Li/Li+ henholdsvis. Under opladning falder potentiale (vs Li/Li+) af de positive stiger med angivelse af de-lithiation og af den negative elektrode (vs Li/Li+) der angiver lithiation. I den første afgift, som af den negative elektrode potentiale når ~ 1.1 V, der er en ændring af hældning og en lille potentielle plateau. Dette tilskrives reduktion af FEC elektrolyt18,19,20, danner en interfacial lag forbrugende Li-ioner uigenkaldeligt. Nedsat kapacitet under den efterfølgende udledning er vist som en spænding hysterese i profilen. Hysterese afspejles i profil af den positive elektrode og fuld cellen også. De potentielle profiler af individuelle elektroder fås som Aux1 og Aux2 data fra Li metal referenceelektrode (trin 3.2).
Figur 3a og 3b repræsenterer EIS af cellen fuld efter dannelsen cykler og for enden af den protokol, der er indsamlet ved hjælp af lithiated Sn wire som RE som nævnt i trin 3.3 (maalinger ifølge trin 3,4). 5 mV spænding amplitude under EIS målingen aktivere ikke elektrokemiske redox reaktioner og kun impedans svar kan rekvireres. Hyppigheden er varieret mellem 10 mHz og 1 MHz. høj frekvens impedans indeholder oplysninger om den ohmske og interfacial adfærd og midten af frekvens impedans værdier angiver bulk svar. Kan indhentes oplysninger om diffusion koefficienter af ioner fra lav frekvens område, der vises som en lige linje. Beregninger vedrørende deconvolution af oplysninger fra spektrene kan hentes fra flere litteratur artikel21,22,23,24. Det kan ses, at der er en betydelig stigning i impedans af den fulde celle (sort kurve). Impedans data fra individuelle positive og negative elektroder har også været afbildet som blå og røde kurver henholdsvis. Mens den negative elektrode viser mindre eller ingen impedans anledning, er stigning i positive impedans væsentlig, hvilket indebærer, at stigningen i fuld celle impedans overvejende kommer fra ændringer i positive impedans.
Elektrokemiske impedans af de par, der involverer Li metal er forskellig fra en uberørt Li overflade har en ikke-kvantificerbare bidrag til dataene. In situ lithiation af en sekundær reference Cu/Sn wire former metastabile LixSn legeringer, hvis kemiske potentialer er tæt på at af Li metal. Fordele ved stabil elektrode potentialer og at blive købedygtig placere wire mellem elektrode sandwich lette denne pålidelige design for at opnå impedans spektre af en elektrode-reference par. Effekten af denne reference elektrode teknik er underforstået når impedans data fra individuelle elektroder er afbildet.
Et stort bidrag til impedans af dette par kommer fra elektroden da ingen film forventes på overfladen af LixSn wire. Præcis overvågning af impedans ændringer i elektroden kan lettes gennem dannelsen af i situ -referenceelektrode. Da LixSn legeringer er metastabile, undergår de konstant delithiation over tid for at få ren Sn elektrode. Kinetik af self - udledning er dog ekstremt langsom (> 200 timer for komplette delithiation), at lette næsten konstant sammensætning og potentiale i hele samlingen af impedans spektre (periode ~ 0,5 timer for hver elektrode). Denne teknik, således giver pålidelige EIS data i forhold til andre teknikker på grund af placeringen af reference wire, spænding af LixSn fase, osv. , der gør dataene upåvirket af ohmske tab og strømtæthed inhomogeneities. Trods stor effektivitet i teknikken, ustabilitet og lavt holdbarhed af LixSn har wire på grund af selvafladning været den eneste begrænsning, da det kræver re-lithiation af Sn wire målinger ud over 200 timer. Selvom kapacitet tabt i lithiating Sn wire er lav i forhold til kapaciteten af cellen, kan periodiske re-lithiation over længere sigt målinger ændre stat af afgift af den positive elektrode.
Tilgangen kan potentielt bruges til at hente i situ oplysninger om elektrode adfærd under ældning af et batteri. Cykling en celle på ekstrem spænding betingelser øge chancerne for Li plating på den negative elektrode forårsager intense udfordringer for sikkerheden. Yderligere eksperimenter er undervejs for at forstå forekomsten af Li plating ved at udvikle protokoller at sonde debut af Li deposition. Yderligere, legering Sn wire med andre metaller som Na eller Mg kan udvide anvendelsen af denne teknik til andre nye generation batteri kemi som Na ion og Mg ion batterier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne anerkende finansiel støtte fra den amerikanske Department of Energy, Office of Energy Efficiency og vedvarende energi.
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).
