Summary
Införlivandet av referenselektroder i ett Li-ion batteri ger värdefull information för att klarlägga skademekanismer vid höga spänningar. I denna artikel presenterar vi en cell design som rymmer flera referenselektroder, tillsammans med församlingen stegen för att försäkra maximal riktigheten av de uppgifter som erhållits i elektrokemiska mätningar.
Abstract
Att utvidga driftspänning av Li-ion batterier resulterar i högre energiproduktionen från dessa enheter. Höga spänningar, kan dock utlösa eller påskynda flera processer ansvarar för långsiktig prestanda förfall. Tanke på komplexiteten i fysiska processer som sker inuti cellen, det ofta svårt för att uppnå full förståelse av de bakomliggande orsakerna till denna prestandaförsämring. Denna svårighet uppstår delvis från det faktum att elektrokemiska mätningar av ett batteri kommer att återvända de kombinerade bidrag av alla komponenter i cellen. Införlivandet av en referenselektrod kan lösa en del av problemet, eftersom det tillåter katoden och anoden att vara individuellt utforskad elektrokemiska reaktioner. En variation i intervallet spänning upplevs av katoden, exempelvis kan indikera förändringar i poolen av återvinningsbara litium joner i full-cellen. Den strukturella utvecklingen av de många interphases som är existerande i batteriet kan också övervakas, genom att mäta bidragen från varje elektrod den övergripande cell impedansen. Sådan rikedom av information förstärker räckhåll för diagnostisk analys i Li-ion batterier och ger värdefull input till optimering av enskild cell komponenter. I detta arbete, vi införa utformningen av en test cell kunna rymma flera referenselektroder och nuvarande referenselektroder som är lämpliga för varje typ av mätning, beskriver församlingen bearbeta för att maximera noggrannhet experimentella resultat.
Introduction
Efterfrågan på hög energi densitet från Li-ion batterier (LIBs) driver forskning för att förstå de grundläggande faktorer som begränsar Li-ion cell prestanda1. Högspänning drift av celler som innehåller en ny generation av skiktad övergången metal oxide katoder, grafit anoder och organiska karbonat elektrolyter är associerad med flera parasitiska reaktioner2,3. Några av dessa reaktioner konsumera Li - ion inventering och ofta resultera i betydande impedans rise of cell4,5,6,7. Förlust av Li-jon resulterar också i en netto förskjutning av de ytan potentialerna av elektroder. Övervakning av spänning förändringar på en individuell elektrod i en full cell kontra en referenselektrod kan (RE) utföras i kommersiella 3-elektrod cell mönster8,9,10,11 , 12 , 13 , 14. information som rör spänning profiler och impedans ändras på enskilda elektroderna främjar en djupare förståelse för de grundläggande skademekanismer för en LIB. Konventionella 3-elektrod celler innehåller Li metall som en referenselektrod, vilket underlättar en tydlig förståelse av de elektrokemiska processerna på varje elektrod. Li-metall kontakt med organiska elektrolyten genomgår spontan ytmodifiering och bidrag till detta ytskikt på Li kan inte vara kvantifierade15. Flera 3-elektrod konfigurationer som (a) T-modell, (b) en mikro-RE placerad koaxial till både arbete och disken elektroden, (c) en coin cell med en RE på baksidan av counter elektrod, etc. har föreslagits tidigare. De flesta av dessa cell konfigurationer har RE placerad bort från cellen smörgås, generera betydande drift i impedans data på grund av låg ledningsförmåga i elektrolyten. Det har bevisats att en RE med en stabil potential i hela mätningen måste vara stationerad i mitten av smörgås att säkerställa tillförlitlig impedans data.
För att hantera dessa skillnader, har vi utformat en cell setup som involverar en fjärde RE16. En ultra-tunn Sn pläterade Cu tråd är inklämt mellan elektroderna på ett batteri som kan vara elektrokemiskt lithiated i situ bildar en LixSn legering. Som Sn genomgår lithiation, spänningen av referens tråd sjunker och en helt lithiated tråd har en potential nära 0 V vs. Li+/Li17. Lithiated sammansättning har en potential som är jämförbar med Li metall och de metastabila legeringarna underlätta en stabil potentiella under tidsperioden för mätningen. En Li metall utsätts för elektrolyten är benägna att elektrolyten sönderdelningsprodukter bildas ytskikten. En EIS mätning sond impedansen hos enskilda elektroder genom att samla spektra mellan en av elektroderna och Li metall referens som tillsammans har inte varit tillförlitliga på grund av bidraget av dessa lager på impedans. Även om elektrolyt minskning är oundvikliga även på Li-Sn yta, en i situ lithiated referens tråd har följande fördelar: (a) ingen konstant elektrolyt sönderdelningsprodukter som spänningen är alltid ovanför nedbrytning potential elektrolyten såvida inte lithiated, vilket innebär ingen förlust av Li inventering i systemet för att gränsskiktspänning lager; (b) lager bildas under lithiation av Sn tråden är över ett mycket litet område, ger försumbart bidrag till EIS uppgifterna. och (c) de bildade produkterna försämras som Sn tråd förlorar Li och potentialen av tråd ökar, vilket resulterar i lithiation av färska Sn tråd under varje lithiation och thus bildandet av mycket tunna gränsskiktspänning lager varje tid istället för ökad tjocklek av dessa lager. Spectra inspelade med dessa legeringar som referens ge mer precisa och tillförlitliga uppgifter av elektroden impedans. Vi har utfört tester med standard 2032-typ mynt celler och 4-elektrod RE celler för att validera vår design. Resultaten från dessa tester och vår tolkning av data kommer att användas som representativa resultat för att förklara effekten av våra protokoll. 3-4.4 V cykling följt ett standardprotokoll, som omfattade bildandet cykler, åldrande cykler och periodiska AC impedans mätningar under cyklingen. Coin cell mätningar ger värdefull information om parametrarna såsom livslängd, kapacitet lagring, AC impedans förändringar, etc. RE celler aktiverar övervakning spänningsändringar och impedans stiga på enskilda elektroder. Våra mekanistisk förståelse i kapacitet fade och impedans uppgång kan ge riktlinjer för utvecklingen av elektrolyt system och förstå bidrag för kapacitetsförlust från varje elektrod under hög spänning cell drift.
Våra celler innehöll Li1,03 (Ni0,5Co0.2Mn0,3)0,97O2 (betecknas här som NMC532)-baserat positiva elektroder, grafit-baserade negativa elektroder (betecknas här som Gr) och en 1,2 M lösning av LiPF6 i Fluoroethylene karbonat (FEC): etyl metyl karbonat (EMC) (5:95 w/w) som elektrolyt. De elektroder som används i denna studie är standard elektroder fabricerade på Cell analys, modellering och Prototyping (CAMP) anläggning vid Argonne National Laboratory. Den positiva elektroden består av NMC532, ledande kol tillsats (C-45) och polyvinylidene fluor (PVdF) binder i ett viktförhållande med 90:5:5 på en 20 µm tjockt Al nuvarande samlare. Den negativa elektroden består av grafit, blandat med C-45 och PVdF bindemedlet i ett viktförhållande med 92:2:6 på en 10 µm tjock Cu nuvarande samlare. Cirkulära skivor av 5,08 cm diameter var stansade från de elektrod laminat och avgränsare var stansade med en 7,62 cm för användning i fixturer med 7,62 cm innerdiameter. Dessa elektroder torkades vid 120 ° C och avgränsare på 75 ° C i en vakuumugn för minst 12 h innan cellen församlingen. En schematisk representation av fixturen design är representerade i figur 1. Stora fixturer och elektroder att minsta inhomogeneities i aktuella distributioner per ytenhet, alltså att ge den minsta snedvridningen i impedans spektra. 3-4.4 V cykling följt ett standardprotokoll, som innehöll två bildandet cykler i C/20 hastighet, 100 åldrande cykler i en 3-takt och två diagnostiska cykler vid C/20. Alla Batteritesterna genomfördes vid 30 ° C. Elektrokemiska cykling data mättes med en batteri-apparat och elektroimpedansspektroskopi (EIS) utförs med hjälp av en potentiostat system.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. strippning koppar/tenn ledningar
- Värme erhållits kommersiellt stripp lösning.
- Häll kommersiell industriell kvalitet strippar lösning till en rostfri bägare (7,6 cm i diameter och 8,5 cm i höjd) till ett djup av ca 5 mm från botten. Placera bägaren på en värmeplatta. Påbörja uppvärmning långsam takt ca 5 ° C/min.
- Fördjupa en bärbar termoelement i lösningen att noga övervaka temperatur rampen av lösningen och justera värme värmeplattan att upprätthålla uppgå krävs värme.
- Inrättandet av Cu/Sn tråd på jiggen för att förbereda referens ledningar.
- Linda en tjock koppartråd i form av en jigg (4 cm bred och 7 cm långa). Montera den kommersiella Cu/Sn (eller ren Cu) tråd (25,4 µm i diameter), belagd med ett tunt lager av Sn och elektroniskt isolerade med polyuretan beläggning) på jiggen som visas i figur 1a.
Obs: Dessa trådar är extremt känsliga och kan bryta om hanteras grov.
- Linda en tjock koppartråd i form av en jigg (4 cm bred och 7 cm långa). Montera den kommersiella Cu/Sn (eller ren Cu) tråd (25,4 µm i diameter), belagd med ett tunt lager av Sn och elektroniskt isolerade med polyuretan beläggning) på jiggen som visas i figur 1a.
- Strippar polymeren
- När temperaturen i stripp lösningen läser ca 85 ° C på termoelementet, Avsluta uppvärmningen lösningen och fördjupa jiggen wire monterad i lösningen.
- Lämna jiggen inuti lösningen för 15 s och skölj sedan jiggen i DI vatten för en annan 15 s att tvätta överflödig stripp lösning adsorberas på tråden.
- Kontrollera kabeln för exponerade Sn (visas som silvrigt vit färg) och upprepa steg 1.3.2 tills polymeren är helt strippad.
Varning: Långvarig exponering av tråd stripp lösningen kan etch bort Sn beläggning och exponera en rödbrun Cu tråd under. Om trådarna förbereds för spektroskopi Impedansanalys, är förekomsten av Sn plätering viktigt. - Skölj jiggen i DI vatten och torka i luft vid rumstemperatur (25 ° C).
- Skär trådarna i mitten de avskalade regionerna att erhålla ledningar med båda ändarna med exponerade Sn (eller Cu över överflödig avskalade ledningar). Storleken på varje tråd är ca 10 cm.
2. referenspreparat Wire
- Att göra hänvisningen tråd kontakter, Anslut kablarna till en elektrisk tråd och löda korsningen.
- Från en rulle av elektrisk krets ledningar, skär bitar av 10 cm och band isolering cover från båda ändarna för att exponera ca 2 cm av metall.
- Montera en ände polymer strippad vidare till slutet av den exponerade elektrisk tråden och löda korsningen för att bilda en elektrisk kontakt mellan trådarna.
- Mät resistansen mellan den exponerade Sn (eller Cu) tråden och den exponerade elektrisk tråden.
Obs: De typiska värdena är mellan 6-8 Ω. - Överföra en tråd med Sn utsatt och med Cu exponeras i en Argon fylld glovebox för montering i en cell.
- Montera en pressad och tillplattad Li metallfolie till Cu utsatt referera tråd
- Skär en liten bit av Li metall (inte mer än 5 x 5 mm) från en stor Li folie släpper glovebox.
Obs: Använd dedikerad utrustning för kontakt med Li metall och store inne glovebox att förhindra korskontaminering och efterföljande elektrisk micro-kort. - Använda en rulle som täcks med en polymer tejp (för att förhindra klibba av Li metallen tryckytan metallic rulle), rulla den Li metalldelen på en Teflon plattform under Ar.
- Fortsätta rullande för att uppnå en folie tjocklek av cirka 25 µm. Kontrollera tjockleken med hjälp av en skruv-mätare.
- Fått önskad tjocklek av Li metall folie, böj folien i mitten till en U-form. Plats Cu utsatt tråd mellan böjen sådan att Cu är i kontakt med Li metallen och tryck vikningen för att kapsla in Cu tråd mellan två Li lager.
Obs: Upprätthålla extrem försiktighet medan encapsulating Cu tråd så som täcker hela den exponerade spetsen. Cu är för elektroniska konduktans endast och kontakt av Cu till elektrolyten kommer att resultera i läsning en blandad yta potential generera felaktig spänningsvärden i data.
- Skär en liten bit av Li metall (inte mer än 5 x 5 mm) från en stor Li folie släpper glovebox.
3. cell församling och datainsamling
- Placera både Li metall hänvisningen och Sn referens kablarna mellan Li-ion cell församlingen.
- Placera den negativa elektroden i fixturen så att mitten av elektroden skiftas något från mitten av fixturen. Tillsätt 400 µL av elektrolyten (1.2M LiPF6 i Fluoroethylene karbonat (FEC): etyl metyl karbonat EMC (5:95 w/w)) till våt hela elektroden.
- Placera en separator ovanpå elektroden och använder en organophobic sopa, försiktigt eliminera infångade luftbubblor mellan separatorn och elektroden. Justera placeringen av separatorn att säkerställa rundgång med fixturen att helt isolera basen av fixturen från den positiva elektroden och undvika elektriska kort inuti cellen.
Obs: Stora elektroder tenderar att svälla luftfickor mellan separatorn och elektroderna som de curl vid tillägg av elektrolyten. Dessa luftfickor måste tas bort för att säkerställa korrekt kontakt av separatorn med elektroderna. Luftbubblorna ökar impedansen i cellen och hämmar ion överföring. - Tillsätt två droppar (cirka 10 µL) av elektrolyt, en på 2 mm bort från cellen smörgås och en i mitten av elektroden. Placera Sn utsatt spetsen av referens tråd i mitten av elektroden och den Li metallfolie (inkapslade på Cu wire) på droppa från elektroden. Ytspänningen mellan metallerna och elektrolyt dropparna håller trådarna i position.
- Lägga till en mer droppe (ca 10 µL) av elektrolyt på Li metallen efter att tråden ställning.
- Ta bort ytterligare luftbubblor mellan Li folien och separatorn med Teflon svepet. Lägga till en annan 400 µL av elektrolyten.
- Placera en andra avgränsare som anpassas till den första avgränsaren så att båda referens trådarna är inklämt mellan två avgränsare. Ta bort eventuella ytterligare luftbubblor.
Varning: Medan placera andra avgränsare, kan Överdriven spänning bryta referens trådarna. Lämna extra tråd inuti cellen att minska spänningar i kabeln. - Blöt den positiva elektroden med 400 µL av elektrolyten. Plats elektroden i linje med den negativa elektroden ovanpå andra avgränsare.
- Placera den rostfritt stål distansen till den positiva elektroden noggrant för att inte störa stack celljusteringen.
Obs: Feljusterade elektroder resultera i inhomogena aktuella distributioner och minskad cell kapacitet på grund av begränsad tillgång av aktiv cellområde. - Plats två rostfri våg springs på pucken att rymma för cell volymförändringar och trycket bygga upp som säkerställer korrekt elektrisk kontakt mellan elektroderna och fixtur terminalerna. Stäng fixturen. Eftersom installationen inte är hermetiskt, genomförs testerna innanför handskfacket i en inert atmosfär.
- Registrera data från Li metall referens tråd för enskilda elektrod spänning profiler
- Anslut AUX referens terminalen av apparat till Li metall medan de positiva och negativa elektroden terminalerna av apparat är ansluten till respektive elektroderna.
Obs: Under cyklingen av cellen, apparat läser potentialskillnaden mellan pluspolen och RE som Aux1 utgång och den negativa elektroden och referens som Aux2. Medan den Li metalltråd är ansluten, Aux1 och Aux2 är potentialen av enskilda elektroder med avseende på Li metall.
- Anslut AUX referens terminalen av apparat till Li metall medan de positiva och negativa elektroden terminalerna av apparat är ansluten till respektive elektroderna.
- Lithiate Sn tråd i situ till rekord elektroimpedansspektroskopi (EIS).
- Applicera en konstant ström av 5 µA för 6 h mellan den positiva elektroden och Sn tråd med en övre spänning brytpunkten på 4 V till elektrokemiskt lithiate Sn. Potentialen hos Li/Sn legering således bildade ligger nära Li metallen. Koppla från terminalerna och låt tråden temperera för 2 h.
Anmärkning: Se till extremt låg ström (nära 0 A) i kretsen att bekräfta fullständig lithiation av Sn tråd. - Förändra apparat anslutningar till Li metall till AUX ingången på apparat och Sn kabeln till den negativa terminalen av apparat och säkerställa läsningen av Aux2 nära 0 V. En lithiated fas av Sn erhålls, betecknas som LixSn.
- Anslut igen av positiva och negativa polerna av apparat respektive elektroderna av cellen och extra terminalen till LixSn tråd.
- Applicera en konstant ström av 5 µA för 6 h mellan den positiva elektroden och Sn tråd med en övre spänning brytpunkten på 4 V till elektrokemiskt lithiate Sn. Potentialen hos Li/Sn legering således bildade ligger nära Li metallen. Koppla från terminalerna och låt tråden temperera för 2 h.
- Spela in EIS för (i) katod vs.anod, (ii) katod vs. lithiated Sn wire och (iii) anod vs. lithiated Sn wire. Impedansen av (i) är summan av de impedanser som erhållits i II och III. Potentiostaten består av två terminaler att registrera spänningar och två för nuvarande utgångar för varje elektrod.
- För att få full cell spektra, Anslut spänning och nuvarande terminaler till respektive positiva och negativa elektroderna av cellen.
- För den positiva elektrod impedansen, Anslut spänning och nuvarande positiva terminaler (kallas även arbetselektroden, WE) till den positiva elektroden, och ansluta de negativa terminalerna (även känd som counter elektroden, CE) till LixSn referenselektrod.
- För den negativa elektrod impedansen, Anslut WE terminalerna till den negativa elektroden och CE terminalerna till referenselektroden LixSn.
- För att spela in EIS, leverera AC-strömmar eller varierande frekvenser för att cykla de elektrokemiska par mellan en liten spänning amplitud (5 mV) och rita impedans svaret som imaginära komponenten vs. riktiga komponenten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 2 är en representant profil av spänningar av enskilda elektroder med 1,2 M LiPF6 i (FEC): EMC (5:95 w/w) som elektrolyt under första och andra cykler av bildning. Figur 3 visar EIS spektra av cellen efter tre bildande cykler och i slutet av protokollet cykel liv åldrande. Förmågan att re-lithiate RE att få EIS data aids i exakt spårning av impedansen förändringar i enskilda elektrod.
Figur 1. Schematiska och visuell representation av referens tråd förberedelse och cell församlingen
(a) koppar jig används för att montera referens trådarna för strippning ut polymer beläggning, (b) en schematisk av stripp processen som anger placering av jiggen inuti bägaren att underlätta partiell strippar av trådarna att exponera Sn lagret. Stripp lösningen bibehålls vid 85 ° C. Jiggen är inte helt nedsänkt i lösningen så att endast en del av tråden är fråntagen polymerskikt. Tråden klipps i mitten den avisolerade delen skapa separata ledningar med utsatta metall tips. (c) Schematisk bild av cell fixturen design visar positionen för båda referens elektroderna. Cellen innehåller både Li metall referens placeras nära den cell stacken och Li/Sn referens ledningar placeras i centrera av cellen stacken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Spänning profiler av hela cellen, positiva och negativa elektroder
(a) spänning profil i hela cellen i de första och andra cyklerna mellan 3 och 4.4 V och motsvarande profiler av positiva och negativa elektroder vs Li/Li+ visas i b och c respektive. Medan hela cellen sveper mellan 3 och 4.3 V, erfar positivt spänningar mellan 3,7 och 4,5 V. Negationen genomgår spänningsändringar mellan 0,7 och 0,05 V. Li referens tråd möjliggör noggrann övervakning av enskilda elektroder och underlättar sondera elektrokemiska redoxreaktioner på ytan på enskilda elektroderna. Platån i varje profil anger just spänningen (vs Li / Li+) på vilka lithiation / de-lithiation inträffar i en elektrod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Elektrokemisk impedans spektra av full cell, positiva och negativa elektroder
AC - EIS spektra av alla hela cellen och enskilda elektroder vs RE efter a bildandet cykler och (b) 100 cykler. EIS uppgifterna erhålls genom i situ lithiating Sn tråd placeras mellan elektroderna. Således en stabil referenselektrod kan användas för att samla in impedansen hos enskilda elektroden sedan till skillnad från Li metall, bidrag till impedans denna tunn tråd är försumbar att tillhandahålla korrekt elektrod beteende. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Figur 2a är spänning profilen full cellen medan figur 2b och 2 c visar spänning profiler motsvarar positivt och den negativa elektrod vs Li/Li+ par medan hela cellen är cyklade mellan 3 och 4.4 V. Det kan ses som som cellen full File mellan 3 och 4.4 V, den positiva elektroden upplever spänningar mellan 3,65 V och 4,45 V och den negativa elektroden mellan 0,65 V och 0.05 V vs. Li/Li+ respektive. Under laddning minskar potentialen (vs. Li/Li+) av positiva ökar som anger de-lithiation och att av den negativa elektroden (vs. Li/Li+) som anger lithiation. I den första laddningen, som potentialen i den negativa elektroden når ~ 1.1 V, det är en förändring av lutning och en liten potentiella platå. Detta tillskrivas till en minskning av FEC i elektrolyten18,19,20, bildar en gränsskiktspänning lager förbrukar Li-joner irreversibelt. Minskad kapacitet under efterföljande ansvarsfrihet visas som en spänning hysteresis i profilen. Hysteresen återspeglas i profilen för den positiva elektroden och som av hela cellen också. De potentiella profilerna av enskilda elektroder erhålls som Aux1 och Aux2 data från Li metall referenselektroden (steg 3,2).
Figur 3a och 3b representerar EIS i hela cellen efter bildandet cykler och i slutet av protokollet som samlas in med lithiated Sn tråd som RE som nämns i steg 3.3 (mätningarna enligt steg 3,4). 5 mV spänning amplituden under EIS mätning aktiveras inte elektrokemiska redoxreaktioner och endast impedans svaret kan erhållas. Frekvensen är varierade mellan 10 mHz och 1 MHz. hög frekvens impedans ger information av ohmsk och gränsskiktspänning beteende och mid-frekvens impedans värden indikerar bulk svar. Informationen om Diffusionskoefficienterna av joner kan erhållas från regionen låg frekvens som visas som en rak linje. Beräkningar avseende deconvolution av information från spektra kan erhållas från flera litteratur artiklarna21,22,23,24. Det kan ses att det finns en betydande ökning av impedansen i hela cellen (svarta kurvan). Impedans data från enskilda positiva och negativa elektroderna har också varit ritas som blå och röda kurvor respektive. Medan den negativa elektroden visar mindre eller ingen impedans upphov, är ökningen i positiva impedans betydande vilket innebär att ökningen i full cell impedans huvudsakligen kommer från förändringar i positiv impedans.
Elektrokemisk impedans av par som involverar Li metall skiljer sig från en orörda Li yta med ett icke kvantifierbara bidrag till data. In situ lithiation av en sekundär referens Cu/Sn tråd former metastabilt LixSn legeringar, vars kemiska potential är nära Li metall. Fördelarna med stabil elektrod potential och att kunna placera tråden mellan elektrod smörgås underlätta denna tillförlitlig design för att erhålla impedans spektra av en elektrod-referens par. Effekten av denna referens elektrod teknik är förstås när impedansen data av enskilda elektroder är ritade.
Ett viktigt bidrag till impedans i detta par kommer från elektroden eftersom inga filmer väntas på ytan av LixSn tråd. Noggrann övervakning av impedans förändringarna i elektroden kan underlättas genom bildandet av i situ referenselektrod. Eftersom LixSn legeringarna metastabilt genomgår konstant delithiation med tiden att få ren Sn elektrod. Kinetiken för själv - ansvarsfrihet är dock extremt långsam (> 200 timmar för komplett delithiation), att underlätta nästan konstant sammansättning och potential i hela samlingen av impedans spektra (tidsperiod ~ 0,5 timme för varje elektrod). Den här tekniken ger således tillförlitliga EIS uppgifter jämfört med andra tekniker på grund av placeringen av referens tråd, spänningen av LixSn fas, etc. vilket gör data påverkas inte av ohmsk förluster och strömtäthet inhomogeneities. Trots stor effekt i tekniken, instabilitet och låg hylla liv av LixSn har tråd på grund av självurladdning varit den enda begränsningen eftersom det kräver re-lithiation av Sn tråd för mätningar utöver 200 timmar. Även om kapaciteten förlorade i lithiating Sn wire är låg jämfört med kapaciteten av cellen, kan tidskriften re-lithiation över lång sikt mätningar förändra laddningstillstånd av den positiva elektroden.
Metoden kan användas för att få i situ information om elektroden beteende under åldrandet ett batteri. Cykling en cell på extrema spänningsförhållanden öka chanserna för Li plätering på den negativa elektroden som orsakar intensiva utmaningar av säkerhet. Ytterligare experiment pågår för att förstå förekomsten av Li plätering genom att utveckla protokoll sond uppkomsten av Li nedfall. Ytterligare, legeringsämnen Sn tråd med andra metaller såsom Na eller Mg kan vidga tillämpningen av denna teknik till andra nya generationens batteri kemier såsom Na ion och Mg-jonbatterier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna erkänner finansiellt stöd från US Department of Energy, Office för energieffektivitet och förnybar 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).
