Summary
Inkorporering av referanse elektroder et Li-ion batteri gir verdifull informasjon for å klargjøre fornedrelse mekanismer på høye spenninger. I denne artikkelen presenterer vi en celle design som passer flere referanse elektroder, sammen med montering skritt å sikre maksimal nøyaktigheten av dataene innhentet i elektrokjemiske målinger.
Abstract
Utvide driftsspenningen av Li-ion-batterier gir høyere energiforbruk fra disse enhetene. Høye spenninger, men kan utløse eller akselerere flere prosesser ansvarlig for langsiktig ytelse forfall. Gitt kompleksiteten i fysiske prosesser skjer i cellen, er det ofte utfordrende for å oppnå en full forståelse av årsakene til denne ytelsen. Dette problemet skyldes delvis det faktum at noen elektrokjemiske måling av et batteri vil returnere den kombinerte bidrag fra alle komponenter i cellen. Innlemmelse av en referanse elektrode kan løse en del av problemet, som det tillater elektrokjemiske reaksjoner av katoden og anoden å bli individuelt analysert. En variasjon i spenningsområde oppleves av katoden, kan for eksempel angi endringer i bassenget cyclable lithium ioner i full-cellen. Strukturelle utviklingen av de mange interphases i batteriet kan også monitoreres med måler bidrag av hver elektrode til den overordnede cellen impedansen. Slike mengde informasjon forsterker rekkevidden av diagnostiske analyse i Li-ion-batterier og gir verdifulle innspill til optimalisering av enkeltcelle komponenter. I dette arbeidet, vi introdusere utformingen av en test celle kunne imøtekomme flere referanse elektroder, og nåværende referanse elektroder som passer for hver bestemt måling, detaljering samlingen prosessen for å maksimere nøyaktigheten av eksperimentelle resultatene.
Introduction
Etterspørselen etter høy energi tettheter fra Li-ion-batterier (LIBs) driver forskning mot forståelse fundamentale faktorer som begrenser Li-ion celle ytelse1. Høy spenning drift av celler med en ny generasjon av lagdelt transisjonsmetall oksid katoder, grafitt anoder og organisk karbonat elektrolytter er forbundet med flere parasittiske reaksjoner2,3. Noen av disse reaksjonene bruker Li - ion lager og ofte resultere i betydelige impedans vekst av cellen4,5,6,7. Tap av Li-ion resulterer også i en netto endring av overflaten potensialet av elektroder. Overvåking av spenning endringer på en individuell elektrode i en full celle versus en referanse elektrode kan (RE) utføres i kommersielle 3 elektrode celle design8,9,10,11 , 12 , 13 , 14. informasjon om spenning profiler og endres impedans på individuelle elektroder fremmer en dypere forståelse av grunnleggende fornedrelse mekanismer for et LIB. Konvensjonelle 3 elektrode celler inneholder Li som en referanse elektrode, som muliggjør en distinkt forståelse av elektrokjemiske prosessene på hver elektroden. Li-metall kontakt med organiske elektrolytt gjennomgår spontan overflaten endring og bidrag av denne overflatelaget på Li kan ikke kvantifisert15. Flere 3 elektrode konfigurasjoner som (a) T-modell, (b) en mikro-RE plassert koaksial både arbeider og counter elektroden, (c) en mynt celle med en RE på baksiden av counter elektrode, etc. har vært foreslått tidligere. De fleste av disse celle konfigurasjonene har RE plassert fra cellen sandwich, generere betydelige drift i impedans data på grunn av lav ledningsevne elektrolytten. Det har blitt bevist at en RE med stabil potensial gjennom måling må være stasjonert i midten av sandwich å sikre pålitelig impedans data.
For å ta disse avvikene, har vi utviklet en celle oppsett involverer en fjerde RE16. En ultratynn Sn belagt Cu wire er klemt mellom elektrodene på et batteri som kan være electrochemically lithiated i situ å danne en LixSn legering. Som Sn gjennomgår lithiation, spenningen av referanse ledningen faller og en fullstendig lithiated wire har en potensiell nær 0 V vs. Li+/Li17. Lithiated sammensetning har et potensial sammenlignes med Li metall og metastable legeringer rette en stabil potensielle under for målingen. Li metall utsatt for elektrolytt er utsatt for elektrolytt spaltningsprodukter danner overflaten lag. En EIS måling å undersøke impedans på individuelle elektroder ved å samle spectra mellom av elektrodene og Li metall referansen som kombinert er ikke pålitelig på grunn av forholdet mellom disse lagene på impedansen. Selv om elektrolytt reduksjon er uunngåelig også på Li-Sn overflaten, en i situ lithiated referanse wire har følgende fordeler: (a) ingen konstant elektrolytt spaltningsprodukter som spenningen er alltid over nedbryting potensialet i elektrolytt med mindre lithiated, antyde uten tap av Li beholdningen i systemet interfacial lag; (b) lag dannet under lithiation av Sn ledningen er over et lite område, gir ubetydelig bidrag til EIS data; og (c) den dannet produkter fornedre som Sn ledningen mister Li og potensialet av wire øker, noe som resulterer i litiasjon av fersk Sn wire under hver-litiasjon og dermed dannelsen av svært tynne interfacial lag hver gang i stedet for økt tykkelse av disse lag. Spectra registrert med disse legeringer som referanse gi mer nøyaktige og pålitelige data av elektroden impedansen. Vi gjennomførte tester med standard 2032-type mynt celler og 4 elektrode RE celler for å validere vår design. Resultatene fra disse testene og vår tolkning av dataene brukes som et representativt resultat for å forklare effekten av våre protokollen. 3-4,4 V sykling fulgt en standardprotokoll, som inkluderte formasjon sykluser, aldring sykluser og periodiske AC impedans målinger under sykling. Mynt celle målinger gir verdifull informasjon om parameterne som livssyklus, kapasitet oppbevaring, AC impedans endringer, etc. RE celler aktiverer overvåking spenningen endringene og impedans stige på individuelle elektroder. Vår mekanistisk forståelse på kapasitet visne og impedans økningen kan gi retningslinjer for utvikling av elektrolytt systemer og forstå bidrag for kapasitet tap fra hver elektrode under høy spenning celle drift.
Våre celler finnes Li1,03 (Ni0,5Co0,2Mn0,3)0,97O2 (betegnet som NMC532)-basert positiv elektroder, grafitt-baserte negative elektroder (merket her som Gr) og en 1,2 M løsning av LiPF6 i Fluoroethylene karbonat (FEC): Ethyl Methyl karbonat (EMC) (5:95 w/w) som elektrolytt. Elektrodene i denne studien er standard elektroder fabrikkert i celle analyse, modellering og Prototyping (CAMP) anlegg på Argonne National Laboratory. Den positive elektroden består av NMC532, ledende karbon additiv (C-45) og polyvinylidene (PVdF) fluor bindemiddel i vektforholdet 90:5:5 på 20 µm tykk Al nåværende samler. Negativ elektroden består av grafitt, blandet med C-45 og PVdF bindemiddel i vektforholdet 92:2:6 på et 10 µm tykk Cu aktuelt samler. Sirkulære plater av 5,08 cm diameter var slo fra elektrode laminater og skilletegn ble slo med en 7,62 cm dø for bruk i kamper med 7,62 cm indre diameter. Disse elektrodene var tørket på 120 ° C og skilletegn på 75 ° C i vakuum ovn for minst 12 h før cellen forsamlingen. En skjematisk fremstilling av lampen er representert i figur 1. Store kamper og elektroder sikre minimum inhomogeneities i gjeldende distribusjoner per areal, dermed gir minst skjevheter i impedans spectra. 3-4,4 V sykling fulgt en standardprotokoll, som inkluderte to formasjon sykluser C/20 satser 100 aldring sykluser frekvensen C/3 og to diagnostiske sykluser på C/20. Alle Batteritester ble utført på 30 ° C. Elektrokjemiske sykling data ble målt ved hjelp av et batteri cycler og elektrokjemiske impedans spektroskopi (EIS) utføres ved å bruke en potentiostat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. stripping kobber/tinn ledninger
- Varmen hentes kommersielt stripping løsning.
- Hell kommersiell industriell karakter stripping løsning i et rustfritt stål beaker (7,6 cm i diameter og 8,5 cm i høyden) til en dybde på ca 5 mm fra bunnen. Plass begeret på en kokeplate. Starte oppvarming ett langsom rate på ca 5 ° C/min.
- Dyppe en bærbar thermocouple i løsningen nøye overvåke temperatur rampen løsningen og justere oppvarming for kokeplate å opprettholde hastigheten nødvendig oppvarming.
- Definering av Cu/Sn ledningen på pilken for å forberede referanse ledninger.
- Vind en tykk kobbertråd i form av en gigg (4 cm bred og 7 cm lang). Mount kommersielle Cu/Sn (eller ren Cu) wire (25,4 µm i diameter), belagt med et tynt lag av Sn og elektronisk isolert med polyuretan belegg) på pilken som vist i figur 1a.
Merk: Disse trådene er svært delikat og kan bryte hvis håndtert grov.
- Vind en tykk kobbertråd i form av en gigg (4 cm bred og 7 cm lang). Mount kommersielle Cu/Sn (eller ren Cu) wire (25,4 µm i diameter), belagt med et tynt lag av Sn og elektronisk isolert med polyuretan belegg) på pilken som vist i figur 1a.
- Stripping polymer
- Når temperaturen i stripping løsningen leser ca 85 ° C på thermocouple, stopper oppvarming løsningen og fordype wire montert dekopaj i løsningen.
- Forlate dekopaj inne løsningen for 15 s og deretter skyll dekopaj i DI vann for en annen 15 s å vaske overflødig stripping løsning adsorbert på tråden.
- Når ledningen på utsatte Sn (vises som sølvfargede hvit farge), og gjenta trinnet 1.3.2 før polymer fjernes helt.
Forsiktig: Lang tids eksponering av ledningen til stripping løsning kan etch bort Sn belegg og utsette en rødbrun Cu wire under. Hvis ledningene er forberedt for impedans spektroskopi analyse, Sn plating er viktig. - Skyll dekopaj i DI vann og tørk i luften ved romtemperatur (25 ° C).
- Klippe ledningene i regionene strippet hente ledninger med begge ender med synlige Sn (eller Cu over overflødig strippet ledninger). Hver ledning er ca 10 cm.
2. referanse Wire forberedelse
- Referanse wire kontaktene, koble ledningene til en elektrisk ledning og loddetinn krysset.
- En rull med elektrisk krets ledninger, klippe stykker av 10 cm og kle isolasjon dekselet fra begge ender å avsløre ca 2 cm metal.
- Montere en ende av polymer strippet ledningen på slutten av den utsatte elektriske ledningen og loddetinn krysset for å danne en elektrisk kontakt mellom ledningene.
- Måle motstanden mellom synlige Sn (eller Cu) wire og utsatte elektriske ledningen.
Merk: De typiske motstand verdiene er mellom 6-8 Ω. - Overføre en wire med Sn utsatt og med Cu utsatt i en Argon fylt glovebox for montering i en celle.
- Montere en presset og flat Li metallisk foil til Cu utsatt referanse wire
- Klippe et lite stykke Li metall (ikke mer enn 5 x 5 mm) fra en stor Li folie inne en glovebox.
Merk: Bruk dedikert utstyr for kontakt med Li metall og butikken inne glovebox'en å hindre cross forurensning og påfølgende elektrisk mikro-kort. - Bruker en berg dekket med en polymer tape (for å hindre stikker av Li metall på metallisk roller overflaten), rulle Li metallet brikken på en Teflon plattform under Ar.
- Fortsette rulle for å oppnå en folie tykkelse på ca 25 µm. Sjekk tykkelse ved hjelp av en skrue måler.
- Ved å få ønsket tykkelse av Li metallfolie, bøye folien på senteret for å danne en U-form. Sted Cu utsatt ledning mellom svingen slik at Cu er i kontakt med Li metall og trykk fold å kapsle Cu wire mellom to Li lagene.
Merk: Opprettholde ekstrem forsiktighet mens innkapsle Cu wire å sikre dekker alle synlige spissen. Cu er for elektronisk konduktans bare kontakt av Cu elektrolytt medfører lese et blandet overflate potensial genererer feil spenning verdier i dataene.
- Klippe et lite stykke Li metall (ikke mer enn 5 x 5 mm) fra en stor Li folie inne en glovebox.
3. celle montering og datainnsamling
- Plassere både Li metall referansen og Sn referanse ledningene mellom Li-ion celle forsamlingen.
- Sett negative elektroden i kampen slik at midten av elektroden er litt forskjøvet fra midten av kampen. Legge til 400 µL av elektrolytt (1.2M LiPF6 i Fluoroethylene karbonat (FEC): Ethyl Methyl karbonat EMC (5:95 w/w)) våt hele elektroden.
- Plasser ett skilletegn på elektroden og bruker en organophobic fei, forsiktig fjerne fanget luftbobler mellom separatoren og elektroden. Juster plasseringen av separatoren til sikre konsentrisitet med kampen å isolere bunnen av kampen fra den positive elektroden og unngå elektrisk kort i cellen.
Merk: Store elektroder pleier å fange luftlommer mellom separatoren og elektrodene som de krølle ved tillegg av elektrolytt. Disse luftlommer må fjernes for å sikre riktig kontakt for separatoren med elektrodene. Luftboblene øke impedans på cellen og hemme ion overføring. - Legge til to dråper (ca 10 µL) av elektrolytt, på 2 mm fra cellen sandwich og en i midten av elektroden. Posisjon Sn utsatt spissen av referanse ledningen på midten av elektroden og Li metallfolie (innkapslet på Cu wire) på miste fra elektroden. Overflatespenningen mellom metaller og elektrolytt dråper holder ledningene i posisjon.
- Legge til en mer dråpe (ca 10 µL) av elektrolytt på Li metall etter plassere ledningen i posisjon.
- Fjerne ekstra luftbobler mellom Li folien og skilletegnet med Teflon feie. Legge til en annen 400 µL av elektrolytt.
- Plass andre skilletegn justert til første skilletegnet slik at begge referanse ledningene er klemt mellom to skilletegnene. Fjern eventuelle ekstra luftbobler.
Forsiktig: Mens plassere andre skilletegn, kan overdreven spenninger bryte referanse ledningene. La ekstra kabel inne i cellen til å redusere spenningen i ledningen. - Våt den positive elektroden med 400 µL av elektrolytt. Sted elektroden linje med negative elektroden på andre skilletegnet.
- Plass rustfritt stål mellomlegget på den positive elektroden forsiktig for å ikke forstyrre stabel cellejustering.
Merk: Feiljustert elektroder resultere i ikke-homogen gjeldende distribusjoner og redusert celle kapasitet på grunn av redusert tilgang av aktive cellen. - Sted to rustfritt stål bølge springs på pucken for å innkvartere for cellen endres og presset bygge opp som sikrer riktig elektrisk kontakt mellom elektrodene og innslag terminalene. Lukk kampen. Siden installasjonen ikke er hermetisk lukket, er testene gjennomført inne i hanskerommet i en inert atmosfære.
- Registrere data fra Li metall referanse wire for individuelle elektrode spenning profiler
- Koble AUX referanse terminalen til cycler til Li metall mens positive og negative elektrode terminalene på cycler er koblet til de respektive elektrodene.
Merk: Under sykling av cellen, leser cycler potensielle forskjellen mellom positiv terminal og RE som Aux1 produksjon og negative elektroden og referansen som Aux2. Mens Li metalltråd er koblet, Aux1 og Aux2 er mulighetene for individuelle elektroder med hensyn til Li metal.
- Koble AUX referanse terminalen til cycler til Li metall mens positive og negative elektrode terminalene på cycler er koblet til de respektive elektrodene.
- Lithiate Sn wire i situ til posten elektrokjemiske impedans spektroskopi (EIS).
- Bruk en konstant strøm av 5 µA 6 h mellom den positive elektroden og Sn wire med en øvre spenning cutoff av 4 V til electrochemically lithiate Sn. Potensialet av Li/Sn legering dermed dannet er tilnærmet de Li metallet. Koble fra terminalene og tillate å equilibrate 2 h.
Merk: Kontroller ekstremt lav strøm (nær 0 A) i kretsen å bekrefte fullstendig lithiation av Sn ledningen. - Endre cycler tilkoblinger til Li metall til hjelpesystemer terminal på cycler og Sn ledningen til den negative terminalen på cycler og sikre lesing av Aux2 nær 0 V. En lithiated fase av Sn er oppnådd, som LixSn.
- Koble positive og negative terminalene på cycler til respektive elektrodene på cellen og hjelpesystemer terminal til LixSn wire.
- Bruk en konstant strøm av 5 µA 6 h mellom den positive elektroden og Sn wire med en øvre spenning cutoff av 4 V til electrochemically lithiate Sn. Potensialet av Li/Sn legering dermed dannet er tilnærmet de Li metallet. Koble fra terminalene og tillate å equilibrate 2 h.
- Registrere EIS for (i) katoden vsanoden, (ii) katoden vs lithiated Sn wire og (iii) anode vs lithiated Sn wire. Impedans på (i) er summen av impedances oppnådd i (ii) og (iii). Potentiostat består av to terminaler registrere spenninger og to for gjeldende utganger for hver elektroden.
- For å få full celle spectra, koble spenning og gjeldende terminaler til de respektive positive og negative elektrodene for cellen.
- Den positive elektroden impedansen, koble spenningen og gjeldende positiv terminaler (også kjent som arbeider elektrode, vi) til positive elektroden, og koble de negative terminalene (også kjent som counter elektroden, CE) til LixSn referanse elektrode.
- For negative elektrode impedansen, kobler vi terminalene til negative elektroden og koble CE terminalene til LixSn referanse elektroden.
- For å registrere EIS, levere AC strøm eller varierende frekvenser å sykle elektrokjemiske paret mellom en liten spenning amplitude (5 mV) og tegne impedans svaret som imaginære komponenten g. ekte komponenten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 2 er en representant profil av spenninger av Personlige elektroder med 1,2 M LiPF6 i (FEC): EMC (5:95 w/w) som elektrolytt under første og andre sykluser av formasjonen. Figur 3 viser EIS spektra av cellen etter tre formasjon sykluser og på slutten av syklusen livet aldring protokollen. Muligheten til å re-lithiate RE å få EIS data aids i nøyaktig sporing av impedansen endringer i individuelle elektroden.
Figur 1. Skjematisk og visuell representasjon av referanse wire forberedelse og celle
(a) kobber jig brukes til å montere referanse ledninger for avkler ut polymer belegg, (b) en skjematisk av stripping prosessen som angir plasseringen av dekopaj inne begeret til rette delvis stripping av ledninger å avsløre Sn laget. Stripping løsningen er opprettholdt på 85 ° C. Dekopaj er ikke helt nedsenket i løsningen slik at bare en del av ledningen er strippet av polymer laget. Ledningen er kuttet i den strippede delen opprette til separate ledninger med synlige metall tips. (c) skjematisk fremstilling av cellen lampen viser plasseringen av både referanse elektrodene. Cellen inneholder både Li metall referanse i celle stakken og Li/Sn referanse ledninger i midten av cellen stakken. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Spenning profiler av hele cellen, positive og negative elektroder
(a) spenning profilen til hele cellen i første og andre sykluser mellom 3 og 4.4 V og tilsvarende profiler av positive og negative elektroder vs Li/Li+ vises i (b) og (c) henholdsvis. Mens hele cellen feier mellom 3 og 4.3 V, erfaringer positive spenninger mellom 3.7 og 4,5 V. Negative gjennomgår spenning endringer mellom 0,7 og 0,05 V. Li referanse ledningen gjør at tett oppfølging av Personlige elektroder og forenkler sondering elektrokjemiske redoksreaksjoner på overflaten på individuelle elektroder. Platået i hver profil angir nøyaktig spenningen (vs Li / Li+) på hvilke lithiation / de-litiasjon oppstår i en elektrode. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Elektrokjemiske impedans spektra av hele cellen, positive og negative elektroder
AC - EIS spektra av alle hele cellen og den Personlige elektroder vs RE etter (a) dannelse sykluser og (b) 100 sykluser. EIS dataene hentes av i situ litiasjon Sn ledning mellom elektrodene. Dermed en stabil referanse elektrode kan brukes til å samle impedans på individuelle elektrode siden i motsetning til Li metall, bidrag til impedans fra denne tynn tråd er ubetydelig gir nøyaktig elektrode atferd. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Figur 2a spenning profilen full cellen mens figur 2b og 2 c viser spenning profiler tilsvarer positivt og negative elektrode vs Li/Li+ par mens hele cellen slås mellom 3 og 4.4 V. Det kan sees at for hele cellen avsøker mellom 3 og 4.4 V, den positive elektroden opplever spenninger mellom 3,65 V og 4.45 V og negative elektroden mellom 0,65 V og 0,05 V vs. Li/Li+ henholdsvis. Under ladingen minsker potensial (vs Li/Li+) av positiv øker de-litiasjon og av negative elektroden (vs Li/Li+) som angir lithiation. I første charge, som potensialet for negativt elektroden når ~ 1,1 V, det er en endring i skråning og en liten potensielle platå. Dette tilskrives reduksjon av FEC i elektrolytt18,19,20, danner en interfacial lag forbruker Li-ioner irreversibelt. Redusert kapasitet under påfølgende utslipp vises som en spenning hysteresis i profilen. Hysteresis gjenspeiles også i profilen til den positive elektroden, og at hele cellen. Potensielle profiler av personlige elektrodene er oppnådd som Aux1 og Aux2 fra Li metall referanse elektrode (trinn 3.2).
Figur 3a og 3b representerer EIS hele cellen etter formasjon sykluser og på slutten av protokollen samlet med lithiated Sn wire som RE som nevnt i trinn 3.3 (målene etter trinn 3.4). 5 mV spenning amplitude under EIS målingen er ikke aktivere elektrokjemisk redoksreaksjoner og bare impedans svar kan skaffes. Frekvensen er variert mellom 10 mHz og 1 MHz. høy frekvens impedans gir informasjon av ohmsk og interfacial atferd og midt-frekvens impedans verdier angir bulk svar. Informasjon om diffusion koeffisientene ioner kan fås fra lavfrekvente området som vises som en rett linje. Beregninger knyttet til deconvolution informasjon fra til spectra kan fås fra flere litteratur artikler21,22,23,24. Det kan sees at det er en betydelig økning i impedans på hele cellen (svart kurve). Impedans data fra personlige positive og negative elektroder har også vært plottet som blå og rød henholdsvis. Mens negativ elektroden viser liten eller ingen impedans vekst, er økningen i positiv impedans betydelig antyde at økningen i hele cellen impedans hovedsakelig kommer fra endringer i positiv impedans.
Elektrokjemiske impedans av paret med Li metall er forskjellig fra en uberørt Li overflate å ha en ikke-målbare bidrag til dataene. In situ -litiasjon av en sekundær referanse Cu/Sn wire former metastable LixSn legeringer, som kjemisk potensialene er nær at Li metal. Fordelene med stabil elektrode potensialer og å kunne plassere koblingen mellom elektrode sandwich lette dette pålitelig design for å få impedans spektra av en referanse elektrode par. Effekten av denne referanse elektrode teknikken forstås når impedans data Personlige elektroder tegnes.
Et stort bidrag til impedans på dette paret kommer fra elektroden siden ingen filmer forventes på overflaten av LixSn wire. Presis overvåking impedans endringene i elektroden kan ordnes gjennom dannelsen av i situ referanse elektrode. Siden LixSn legeringer er metastable, gjennomgå de konstant delithiation over tid for å få ren Sn elektroden. The kinetics av selv - utslipp er imidlertid svært langsom (> 200 timer for komplett delithiation), tilrettelegging nesten konstant sammensetning og potensialet i hele samling av impedans spectra (tidsperiode ~ 0,5 timer for hver elektrode). Denne teknikken, dermed gir pålitelig EIS data sammenlignet med andre teknikker på grunn av plasseringen av referanse ledningen, spenningen av LixSn fase, etc. som gjør dataene upåvirket av ohmsk tap og nåværende tetthet inhomogeneities. Til tross for stor effekt i teknikken, ustabilitet og lav holdbarhet av LixSn har wire på grunn av selvutlading vært den eneste begrensningen siden det krever re--litiasjon av Sn ledningen for mål utover 200 timer. Selv om kapasitet tapt i litiasjon Sn wire er lav i forhold til kapasiteten på cellen, kan periodisk re-litiasjon over langsiktige mål endre status for ladingen av den positive elektroden.
Tilnærming kan brukes til å få i situ informasjon om elektroden oppførsel under aldring av et batteri. Sykling en celle på ekstrem spenning forhold øke sjansene for Li plating på negative elektroden forårsaker intense utfordringer av sikkerhet. Flere eksperimenter er underveis for å forstå forekomsten av Li plating ved utvikling å undersøke utbruddet av Li deponering. Videre kan alloying Sn wire med andre metaller som Na eller Mg gjøre bruk av denne teknikken til andre ny generasjon batteri kjemikalier som Na ion og Mg ionbatterier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne bekrefter økonomisk støtte fra US Department of Energy, Office av energieffektivisering og fornybar 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).
