Summary
Referans elektrotlar bir Li-iyon batarya birleşme bozulması mekanizmaları, yüksek voltaj aydınlatmak için değerli bilgiler sağlar. Bu makalede, biz en fazla elektrokimyasal ölçümlerde elde edilen verilerin doğruluğunu sağlamak için derleme adımları birlikte birden çok başvuru elektrotlar barındıran bir cep tasarım mevcut.
Abstract
Lityum iyon piller sonuçlarında daha yüksek bir enerji çıkışı İşletme gerilimi bu aygıtlardan uzanan. Yüksek voltaj, ancak, tetik veya birden çok işlem uzun vadeli performansı çürümesi için sorumlu hızlandırmak. Hücre içinde meydana gelen fiziki süreçlerin karmaşıklığı göz önüne alındığında, bu kez bu performans düşüşü kök nedenleri tam bir anlayış elde etmek zordur. Bunun nedeni kısmen bir pil elektrokimyasal herhangi bir ölçüm tüm bileşenlerinin kombine katkıları hücreye geri dönecek olmasından doğar. Tek tek probed için anot ve katot elektrokimyasal reaksiyon verdiğinden bir referans elektrot birleşmesiyle sorunun bir parçası çözebilir. Voltajı katot tarafından deneyimli bir varyasyon Örneğin, tam hücreli cyclable Lityum iyonu havuzunda değişiklik gösterebilir. Pil mevcut birçok interphases yapısal evrimi de, genel hücre empedans elektroda katkılarıyla ölçerek izlenebilir. Böyle zengin bilgiler tanı Li-ion piller analizde eriþiminden güçlendirir ve tek hücre bileşenleri optimizasyonu için değerli giriş sağlar. Bu eser, biz test hücrede birden çok başvuru elektrotlar karşılamak mümkün tasarımını tanıtmak ve doğruluğunu en üst düzeye çıkarmak için derleme ayrıntılı ölçüm, belirli her türü için uygun olan mevcut referans elektrotlar işlemek deneysel sonuçlar.
Introduction
Lityum iyon piller (LIBs) yüksek enerji yoğunluğu için talep Li-iyon hücre performans1sınırlamak temel faktörler anlama doğru araştırma sürüyor. Yüksek gerilim operasyon yeni nesil katmanlı geçiş metal oksit katotlar, grafit anotlar ve organik karbonat elektrolit içeren hücrelerin çeşitli parazit reaksiyonlar2,3ile ilişkilidir. Bazıları bu tepkiler, Li - iyon stok tüketmek ve genellikle önemli empedans hücre4,5,6,7artış neden. Li-iyon kaybı da elektrotlar yüzey potansiyelleri net bir vardiyada sonuçlanır. Tam bir hücreye referans elektrot karşı bireysel bir elektrot voltaj değişiklikleri izleme (RE) ticari 3-Elektrot Hücre tasarımlar8,9,10,11 inç gerçekleştirilebilir , 12 , 13 , 14. gerilim profilleri ve bireysel elektrot empedans değişiklikleri ile ilgili bilgi teşvik bir LIB temel bozulması mekanizmaları daha derin bir anlayış. Geleneksel 3-elektrot hücre Li metal elektroda, elektrokimyasal süreçleri farklı bir anlayış kolaylaştırır bir referans elektrot olarak içeriyor. Li-metal ile temas halinde organik elektrolit spontan yüzey modifikasyonu uğrar ve Li yüzey bu katmanda katkısını quantified15olamaz. Birkaç 3-elektrot yapılandırması gibi (bir) T-modeli, (b) bir mikro-RE çalışma ve sayaç elektrot koaksiyel konumlandırılmış, (c) bir madeni para hücre sayaç elektrot, vb arkasında bir RE ile önerdi daha önce. Bu hücre yapılandırmaları en önemli drift elektrolit düşük iletkenlik nedeniyle empedans veri üretme hücre sandviç uzakta konumlandırılmış RE var. Bu ölçüm boyunca istikrarlı bir potansiyele sahip bir RE güvenilir empedans veri sağlamak için sandviç ortasında konuşlanmış gerekir kanıtlanmıştır.
Bu tutarsızlıkları gidermek için biz bir hücre yapısı içeren dördüncü bir16tasarladık. Ultra ince bir kaplama Sn Cu tel mamüllerinin lithiated in situ LixSn alaşım oluşturmak için olabilir bir pil elektrotlar arasında sandviç olduğunu. Sn lithiation uğrar, başvuru tel voltaj düşer ve tamamen lithiated bir tel 0 V vsyakın bir potansiyele sahiptir. Li+/Li17. Lithiated kompozisyon Li metal karşılaştırılabilir bir potansiyele sahiptir ve istikrarlı bir ölçüm zaman dilimi içinde potansiyel metastable alaşımlardan kolaylaştırmak. Elektrolit için maruz bir Li metal yüzey katmanlar oluşturan elektrolit ayrışma ürünleri için eğilimli. Bireysel elektrot empedans spectra bir elektrot ile Li metal başvuru arasında birleştiğinde olarak toplayarak soruşturma için bir EIS ölçüm güvenilir bu katmanlar üzerinde empedans katkı nedeniyle olmamıştır. Elektrolit azaltma Li-Sn yüzeyde de kaçınılmaz olsa da, bir in situ lithiated başvuru tel göre aşağıdaki avantajları vardır: gerilim olarak (a) sürekli elektrolit ayrışma ürünleri olduğunu her zaman ayrışma potansiyelini elektrolit sürece lithiated, sistem interfacial katmanları; Li stok kaybı olmaksızın ima (b) EIS veri önemsiz katkı sağlayan çok küçük bir alan katmanları Sn tel lithiation sırasında oluşan bitti; ve gibi Li ve taze Sn tel lithiation içinde her lithiation ve böylece çok ince interfacial katmanları her zaman artan kalınlık-in bunlar yerine oluşumu sırasında ortaya çıkan tel arttıkça potansiyel Sn tel kaybeder (c) oluşan ürünler Katmanlar. Bu alaşımlar ile referans olarak kaydedilen spectra elektrot empedans, daha doğru ve güvenilir veriler sağlar. Biz testleri hücreleri ve 4-elektrot RE standart 2032-türü madeni para ile hücreleri tasarım doğrulamak için. Bu testler ve veri bizim yorum sonuçlarından temsilcisi bir sonucu olarak bizim protokol etkinliğini açıklamak için kullanılır. 3-4.4 V Bisiklete binme takip oluşumu döngüleri, yaşlanma döngüleri ve periyodik AC empedans ölçümleri Bisiklete binme sırasında dahil standart bir protokol. Madeni para hücre ölçümleri döngüsü hayat, kapasite saklama, AC empedans değişiklikleri, vb RE hücreleri gibi parametreleri hakkında değerli bilgi izleme voltaj değişiklikleri etkinleştirmek ve empedans bireysel elektrotlar artış sağlar. Mekanik anlayışımız kapasite fade ve empedans artış içine elektrolit sistemlerinin geliştirilmesi için yönergeler sağlar ve katkıları için kapasite kaybına elektroda üzerinden yüksek gerilim hücre işlemi sırasında anlıyorum.
Bizim hücrelerin Li1.03 (Ni0,5Co0,2Mn0,3)0,97O2 bulunan (ile belirtilen burada NMC532 olarak)-pozitif elektrotlar, negatif elektrotlar grafit tabanlı dayalı (ile belirtilen burada Gr olarak) ve LiPF6, 1, 2 M çözüm Fluoroethylene karbonat (FEC) içinde: Etil metil karbonat (EMC) (5:95 w/w) elektrolit olarak. Bu çalışmada kullanılan elektrotlar standart elektrot hücre analizi, modelleme ve prototip (CAMP) tesis Argonne Ulusal Laboratuvarı, fabrikasyon vardır. Pozitif elektrot NMC532, iletken karbon katkı (C-45) ve polivinilidin florid (PVdF) cilt 90:5:5 20 µm kalınlığında Al geçerli Toplayıcı üzerinde ağırlık oranını içinde oluşur. Negatif elektrot grafit, C-45 ve 92:2:6 10 µm kalınlığında Cu geçerli Toplayıcı üzerinde ağırlık oranını ciltteki PVdF karışık oluşur. 5,08 cm çapında dairesel diskler elektrot laminat yumruk ve ayırıcılar bir 7.62 cm kalıp kullanılmak üzere 7.62 cm iç çapında armatürleri ile yumruk. Bu elektrotlar 120 ° C ve bir vakum fırında 75 ° C'de ayırıcılar için en az 12 h hücre derleme önce kurumuş. Fikstür tasarım şematik gösterimi Şekil 1' de temsil edilir. Büyük armatürleri ve elektrot empedans spectra en azından distorsiyonları sağlayan en az inhomogeneities böylece, birim alan başına geçerli dağıtımları içinde olun. 3-4.4 V Bisiklete binme takip iki oluşumu döngüsü sırasında bir C/20 oranı 100 devir bir C/3 oranında ve C/20 adlı iki tanılama döngüleri yaşlanma dahil standart bir protokol. Tüm pil testleri 30 ° C'de yapılmıştır Elektrokimyasal Bisiklete binme veri bir pil cycler kullanılarak ölçüldü ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) bir potansiyostat sistemi kullanılarak gerçekleştirilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bakır/teneke Kablo sıyırma
- Isı sıyırma çözüm ticari olarak elde.
- Ticari endüstriyel kalite paslanmaz çelik kabı (7,6 cm çapında ve 8,5 cm yüksekliğinde) içine çözüm sıyırma 5 mm derinliğe kadar alttan dökün. Kabı sıcak bir tabak üzerine yerleştirin. Yavaş hızı yaklaşık 5 ° C/dk Isıtma başlar.
- Taşınabilir bir ısıl yakından sıcaklık rampa çözüm izlemek ve gerekli Isıtma hızı korumak için sıcak tabak Isıtma oranını ayarlamak için çözüm içine bırakın.
- Başvuru teller hazırlama jig Cu/Sn ipinde kurulması.
- Bir jig (4 cm genişliğinde ve 7 cm uzunluğunda) şeklinde kalın bakır tel rüzgar. Mount ticari Cu/Sn (veya saf Cu) Tel (çapı 25,4 µm), Sn ince bir tabaka ile kaplı ve elektronik olarak poliüretan kaplama ile yalıtılmış) Şekil 1a' gösterildiği gibi jig üzerine.
Not: Bu teller son derece hassas ve kaba ele eğer bozabilir.
- Bir jig (4 cm genişliğinde ve 7 cm uzunluğunda) şeklinde kalın bakır tel rüzgar. Mount ticari Cu/Sn (veya saf Cu) Tel (çapı 25,4 µm), Sn ince bir tabaka ile kaplı ve elektronik olarak poliüretan kaplama ile yalıtılmış) Şekil 1a' gösterildiği gibi jig üzerine.
- Polimer sıyırma
- Sıyırma çözüm sıcaklığı yaklaşık 85 ° C üzerinde ısıl okur sonra çözüm Isıtma durdurun ve çözüm içine monte tel jig bırakın.
- Su için başka bir şeydir 15 15 s ve sonra durulama DI jig için belgili tanımlık eriyik içinde jig bırakın aşırı sıyırma çözüm kablo adsorbe yıkamayı s.
- Tel (simli beyaz renk görüntülenir) maruz Sn denetlemek ve polimer tamamen soymak kadar adımları yineleyin 1.3.2.
Uyarı: Tel uzun vadeli maruz sıyırma çözüm dış saha Sn kaplama etch ve kirmizi-kahverengi Cu tel maruz altında. Teller empedans Spektroskopi analiz için hazırlanmaktadır Sn kaplama varlığı önemlidir. - Jig DI suda durulayın ve kuru hava, oda sıcaklığında (25 ° C).
- Naqilli sistem üzrə iki ucu açıkta Sn (veya Cu aşırı soyulmuş teller üzerinden) elde etmek için sökülen bölgeleri ortasında teller kesti. Her tel yaklaşık 10 cm uzunluğundadır.
2. başvuru tel hazırlık
- Başvuru tel ilişkiler kurmak için bir elektrik teli telleri bağlamak ve kavşak lehim.
- Elektrik devresi tel bir rulo, kesme adet 10 cm ve 2 cm metal ortaya çıkarmak için her iki uçtan izolasyon kapağı şerit.
- Maruz kalan elektrik tel sonu için elimden polimer tel bir ucunu bağlayın ve lehim telleri arasında bir elektrik temas kurmaya Kavşağı.
- Maruz Sn (veya Cu) Tel ve maruz elektrikli tel arasında direnç ölçmek.
Not: 6-8 Ω arasında tipik direnç değerlerdir. - Her biri Sn maruz ve bir Argon maruz Cu torpidoda bir hücreye derleme için dolu bir havale.
- Bir preslenmiş ve düzleştirilmiş Li metal folyo maruz Cu için bağlama başvuru tel
- Küçük bir parça Li metal kesme (değil daha--dan 5 x 5 mm) torpido içinde büyük bir Li folyo dan.
Not: çapraz bulaşma ve sonraki elektrik mikro-kısa engellemek için Li metal ve mağaza içinde torpido ile temas için özel ekipman kullanın. - (Metalik silindir yüzeyine Li metal yapışmasını önlemek için) bir polimer bant ile kaplı bir rulo kullanarak Ar. altında bir Teflon platformda Li metal parçası rulo
- Folyo kalınlığı yaklaşık 25 µm. onay bir vida ölçer kullanarak kalınlığı elde etmek için haddeleme devam edin.
- Li istenilen kalınlık elde etme üzerine metal folyo, folyo U şekli oluşturmak için merkezi eğil. Yer Cu Cu Li metal ile temas ve Cu kapsüllemek için kat basın iki Li katmanlar arasında Tel bükme arasında Tel maruz.
Not: tüm maruz ucunu kapsayan sağlayacak şekilde Cu tel Kapsüllenen sırasında çok dikkatli koruyun. Cu sadece elektronik gürültülerinden ve Cu kişi elektrolit için karışık bir yüzey potansiyel verileri hatalı voltaj değerleri oluşturan okuma neden olur.
- Küçük bir parça Li metal kesme (değil daha--dan 5 x 5 mm) torpido içinde büyük bir Li folyo dan.
3. hücre derleme ve veri toplama
- Li metal başvuru ve Sn başvuru teller Li-Ion hücre derleme arasında yerleştirin.
- Negatif elektrot elektrot ortasına biraz fikstür Merkezi'nden değiştirdi gibi fikstür yerleştirin. Elektrolit 400 µL ekleyin (1.2M LiPF6 Fluoroethylene karbonat (FEC) içinde: Etil metil karbonat EMC (5:95 w/w)) tüm elektrot ıslak.
- Elektrot üzerine bir ayırıcı yerleştirin ve bir organophobic tarama kullanarak, yavaşça ayırıcı ve elektrot arasında sıkışmış hava kabarcıkları. Daire tamamen pozitif elektrot dan fikstür tabanı izole etmek ve hücre içindeki elektrik kısa önlemek için fikstür ile emin olmak için ayırıcı yerleşimini ayarlayın.
Not: Büyük elektrotlar onlar elektrolit ilavesi curl gibi hava cepleri ayırıcı ve elektrotlar arasında tuzak eğilimindedir. Bu hava cepleri ayırıcının elektrotlar ile düzgün iletişim sağlamak için kaldırılması gerekir. Hava kabarcıkları empedans hücre artırmak ve iyon transferi inhibe. - Elektrolit, bir hücre sandviç uzak 2 mm ve elektrot biri Merkezi'nde iki damla (yaklaşık 10 µL) ekleyin. Maruz Sn ipucu başvuru tel elektrot ve (Cu tel kapsüllü) Li metal folyo üstünde belgili tanımlık damla uzak elektrot ortasına yerleştirin. Metaller ve elektrolit damla arasındaki yüzey gerilimini teller pozisyonda tutun.
- Bir daha fazla damla (yaklaşık 10 µL) Tel duruma getirdikten sonra elektrolit Li metal üzerine ekleyin.
- Ek hava kabarcıkları Teflon süpürme ile ayırıcı arasındaki Li folyo kaldırın. Başka bir 400 µL elektrolit ekleyin.
- Her iki başvuru teller arasındaki iki ayırıcıları gözükeceksin öyle ki ilk ayırıcı hizalı ikinci ayırıcı yerleştirin. Herhangi bir ek hava kabarcıkları kaldırın.
Uyarı: İkinci ayırıcıyı yerleştirerek süre, aşırı gerilim referans telleri zarar verebilir. Dikkat edin, gerilimi azaltmak için hücre içindeki ilave tel bırakın. - Pozitif elektrot 400 µL elektrolit ile ıslak. Yer elektrot üstünde tepe-in ikinci ayırıcıyı negatif elektrot ile uyumlu.
- Dikkatli bir şekilde hücre yığını hizalama değil rahatsız etmek için pozitif elektrot üzerine paslanmaz çelik spacer yer.
Not: Yanlış hizalanmış elektrotlar inhomogeneous geçerli dağılımları ve etkin hücrenin alanının sınırlı erişim nedeniyle düşük hücre kapasitesi neden. - Hücre cilt değişiklikleri için yapabilmek için diski üzerinde yer iki paslanmaz çelik dalga yaylar ve basınç inşa elektrotlar ve fikstür terminaller arasında uygun elektrik temas sağlamak. Fikstür kapatın. Belgili tanımlık tertibat sıkıca kapalı değil beri testleri torpido gözünde bir inert atmosfer içinde yapılır.
- Li metal başvuru tel bireysel elektrot gerilimi profilleri için verileri kaydetmek
- Pozitif ve negatif elektrot Terminaller, cycler ilgili elektrot bağlıyken cycler yardımcı başvuru terminal Li metal bağlayın.
Not: hücre Bisiklete binme sırasında cycler potansiyel farkı pozitif terminal ve RE Aux1 çıktı ve negatif elektrot ve referans olarak Aux2 olarak okur. Li metal tel bağlıyken Aux1 ve Aux2 Li metal ile ilgili bireysel elektrot potansiyelleri vardır.
- Pozitif ve negatif elektrot Terminaller, cycler ilgili elektrot bağlıyken cycler yardımcı başvuru terminal Li metal bağlayın.
- Lithiate Sn tel in situ kayıt elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS).
- Pozitif elektrot ve Sn tel arasında 6 h 5 µA sabit bir akım bir üst gerilimi kesme 4 V ile belgili tanımlık Sn mamüllerinin lithiate için geçerlidir. Böylece oluşan Li/Sn alaşım potansiyelini Li metal yakın ki. Terminalleri kesin ve tel için 2 h equilibrate izin vermek.
Not: Sn tel tam lithiation onaylamak için devre (kapatmak için 0 A) son derece düşük akım olun. - Cycler bağlantıları Li metal cycler yardımcı Terminal ve Sn tel cycler eksi terminali için alter ve Aux2 okuma 0 V yakın olun. Sn lithiated aşaması, LixSn ile belirtilen elde edilir.
- Cycler hücrenin ilgili elektrotlar için pozitif ve negatif terminalleri ve LixSn tel yardımcı terminaline yeniden bağlanın.
- Pozitif elektrot ve Sn tel arasında 6 h 5 µA sabit bir akım bir üst gerilimi kesme 4 V ile belgili tanımlık Sn mamüllerinin lithiate için geçerlidir. Böylece oluşan Li/Sn alaşım potansiyelini Li metal yakın ki. Terminalleri kesin ve tel için 2 h equilibrate izin vermek.
- (İ) katot vsanot, katot (II) vs lithiated Sn tel ve (iii) anot vs lithiated Sn tel için kayıt EIS. (İ) empedans elde impedances (II) ve (III) toplamıdır. Voltaj kaydetmek için iki terminalleri ve iki elektroda için geçerli çıkış potansiyostat oluşur.
- Tam hücre spectra elde etmek için ilgili pozitif ve negatif elektrot hücre için gerilim ve geçerli terminallere bağlayın.
- Gerilim ve geçerli pozitif terminalleri pozitif elektrot empedans için bağlanmak (olarak da bilinen çalışma elektrodu, WE) için pozitif elektrot ve negatif terminalleri (olarak da bilinen sayaç elektrot, CE) LixSn bağlanmak referans elektrot.
- Negatif elektrot empedans için negatif elektrot WE terminallere bağlayın ve CE terminalleri LixSn referans elektrot için bağlayın.
- EIS kaydetmek için AC akımları tedarik veya elektrokimyasal çift küçük gerilim genlik arasında geçiş yapmak için frekansları değişen (5 mV) ve sanal bileşeni vs gerçek bileşen empedansı yanıt arsa.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 2 olduğu voltaj 1.2 M LiPF6 (FEC) bireysel elektrot bir temsilcisi profil: EMC (5:95 w/w) birinci ve ikinci döngüleri oluşumu sırasında elektrolit olarak. Şekil 3 hücre EIS spectra sonra üç oluşumu devir ve döngüsü hayat yaşlanma Protokolü sonundaki gösterir. Re-lithiate yeteneği bireysel elektrot empedans hassas izleme EIS veri AIDS elde etmek için RE değiştirir.
Şekil 1. Başvuru tel hazırlık ve hücre derleme görsel ve şematik gösterimi
(a) bakır jig polimer kaplama, (b) bir şematik sıyırma işleminin kısmi Sn katman ortaya çıkarmak için telleri sıyırma kolaylaştırmak için kabı içinde jig konumunu gösteren dışarı sıyırma için başvuru telleri bağlamak için kullanılır. Sıyırma çözüm 85 ° C'de muhafaza Böylece kabloyu yalnızca bir bölümünü polimer tabakası çıkartılır jig tamamen çözüm içine dalmış değil. Tel teller ile maruz metal ipuçları ayırmak için oluşturmak için ayrılmış bölüm ortasında kesilir. (c) her iki referans elektrotlar konumunu gösteren hücre fikstür tasarımı şematik gösterimi. Hücre Li metal başvuru hücre yığını yakın yerleştirilir ve Li/Sn başvuru Teller'hücre yığınının ortasına yerleştirilir içerir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2. Gerilim profilleri tam hücre, pozitif ve negatif elektrotlar
(a) gerilim profil 3 ve 4.4 V ve pozitif ve negatif elektrotlar vs Li/Li+ karşılık gelen profilleri arasında birinci ve ikinci geçiş yapar tam hücre olarak (b) ve (c) sırasıyla gösterilir. 3 ve 4.3 V arasında tam hücre piyango ise olumlu 3.7 ve 4.5 V arasındaki gerilim deneyimleri. Negatif voltaj değişiklikleri 0.7 ve 0,05 V arasında geçer. Li başvuru tel yakın bireysel elektrotlar izleme sağlar ve elektrokimyasal redoks reaksiyonları bireysel elektrot yüzeyinde üzerinde sondalama kolaylaştırır. Her profilde Yaylası tam gerilim gösterir (vs Li / Li+), hangi lithiation / de-lithiation içinde bir elektrot oluşur. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3. Elektrokimyasal empedans Spectra tam hücre, pozitif ve negatif elektrotlar
AC - EIS spectra tam hücre ve (a) oluşumu döngüleri ve (b) 100 devir sonra yeniden bireysel elektrotlar vs. EIS veri in situ lithiating Sn tel elektrot arasında yer aldı. Böylece, istikrarlı referans elektrot empedans Li metal aksine beri bireysel elektrot toplamak için kullanılan, empedans katkısı bu ince tel üzerinden doğru elektrot davranışı sağlayan düzeydedir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Şekil 2a Şekil 2b ise tam hücre voltaj profil ve 2 c 3 ile 4.4 V arasında tam hücre sağlanıncaya iken pozitif ve negatif elektrot vs Li/Li+ çift için karşılık gelen gerilim profilleri göster. 3 ve 4.4 V arasında tam hücre tarar gibi pozitif elektrot 3,65 V ile 4,45 V ve 0.65 V ve 0,05 V vsarasında negatif elektrot arasındaki gerilim deneyimleri görülebilir. Li/Li+ anılan sıraya göre. Şarj sırasında de-lithiation ve negatif elektrot (vs Li/Li+) olduğunu belirten pozitif artar (vs Li/Li+) potansiyelini gösteren lithiation azalır. İlk şarj negatif elektrot potansiyeli ulaşır ~ 1.1 V, eğim ve küçük bir potansiyel Plato bir değişimdir. Bu Li-iyon geri dönüşümsüz tüketen bir interfacial katman oluşturan elektrolit18,19,20, FEC azalma atfedilir. Sonraki deşarj sırasında azalmış kapasite bir gerilim histeresis profil olarak gösterilir. Histeresis pozitif elektrot profil ve bu tam hücre da yansıtılır. Bireysel elektrot potansiyel profilleri olarak Li metal referans elektrot (adım 3.2) Aux1 ve Aux2 verilerinden elde edilir.
Şekil 3a ve 3b EIS tam hücre oluşumu döngüleri sonra ve adım 3.3 (adım 3.4 göre alınan ölçümlere) belirtildiği gibi RE olarak lithiated Sn tel kullanarak toplanan Protokolü sonundaki temsil eder. 5 mV gerilim genlik EIS ölçüm sırasında does değil harekete geçirmek elektrokimyasal redoks reaksiyonları ve sadece empedans yanıt elde edilebilir. Orta frekanslı empedans değerlerinin toplu yanıt belirten ve frekans 10 mHz ve 1 MHz. yüksek frekans empedans ohm ve interfacial davranış bilgiler arasında çeşitli. Difüzyon katsayıları hakkında bilgi iyonlar düz bir çizgi görünen düşük frekans bölgesinden elde edilebilir. Spectra bilgi deconvolution ile ilgili hesaplamalar çeşitli edebiyat makaleleri21,22,23,24elde edilebilir. Empedans tam hücre (siyah eğri) önemli bir artış olduğunu görebilirsiniz. Bireysel pozitif ve negatif elektrot empedans verilerden de mavi ve kırmızı eğrileri sırasıyla çizilen. Negatif elektrot küçük ya da Hayır empedans artış gösterirken, pozitif empedans artış tam hücre empedans artış ağırlıklı olarak değişikliği olumlu empedans'nden geldiğini ima önemlidir.
Li metal içeren çift elektrokimyasal empedans ölçülebilir olmayan bir katkı verilere sahip bozulmamış bir Li yüzeyinden farklıdır. İn situ lithiation ikincil başvuru formları metastable LixSn alaşımları, Li metal yakın olan kimyasal potansiyeli olan tel Cu/Sn. Avantajları sabit elektrot potansiyelleri ve varlık tel elektrot sandviç arasında konumlandırmak güçlü bir elektrot-başvuru çiftin empedans spectra elde etmek için güvenilir bu tasarım kolaylaştırmak. Bu referans elektrot teknik etkinliği ne zaman bireysel elektrot empedans verilerin çizildiği anlaşılmaktadır.
Hiçbir film LixSn tel yüzeyinde beklenen beri empedans büyük katkı bu çiftin elektrot gelir. Elektrot empedans değişimler hassas izleme in situ referans elektrot oluşumu kolaylaştırılabilir. LixSn alaşımları metastable olduğundan, onlar zaman içinde saf Sn elektrot elde etmek için sürekli delithiation tabi. Ancak, öz - deşarj kinetik çoğu son derece yavaş (> 200 saat tam delithiation için), hemen hemen sürekli kompozisyon ve potansiyel empedans spectra koleksiyonu boyunca kolaylaştırmak (zaman dilimi ~ elektroda 0.5 saat). Bu teknik, böylece, verileri içinden kayıp ve akım yoğunluğu etkilenmez hale diğer teknikleri sayesinde başvuru tel yerleşimini, gerilim LixSn faz, vb göre güvenilir EIS veri sağlar inhomogeneities. Teknik, istikrarsızlık ve düşük raf ömrü LixSn büyük etkinlik rağmen kendini akıntı nedeniyle Tel 200 saat ötesinde ölçümler için re-lithiation Sn tel gerektirdiğinden tek sınırlama oldu. Her ne kadar kapasite lithiating içinde tel hücre kapasitesi karşılaştırıldığında düşüktür Sn kaybetti, periyodik re-lithiation uzun vadeli ölçümler üzerinde pozitif elektrot şarj durumunu değiştirebilir.
Yaklaşım in situ davranış hakkında bilgi elektrot yaşlanma sırasında bir pil almak için kullanılabilir. Bir hücre, aşırı gerilim koşulları Bisiklete binme Li kaplama üzerine emniyet yoğun sorunlar neden negatif elektrot şansını artırmak. Ek deneyler başlangıçlı Li yükünün soruşturma için protokolleri geliştirerek Li kaplama oluşumunu anlamak için devam etmektedir. Ayrıca, Sn tel Na veya Mg gibi diğer metaller ile elementlerinin bu tekniği uygulamaya diğer yeni nesil Pili kimyaları Na iyon ve Mg iyon piller gibi genişletebilirsiniz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Yazarlar ABD Enerji Bakanlığı, Office enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji mali desteği kabul etmiş oluyorsunuz.
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).
