Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

3-אלקטרודה מטבע תא הכנה וניתוח Electrodeposition עבור סוללות ליתיום

Published: May 22, 2018 doi: 10.3791/57735
Automatic Translation
*1, *2, 2, 3, 2
1Department of Mechanical Engineering, Texas A&M University, 2School of Mechanical Engineering, Purdue University, 3Battery Management Systems, Texas Instruments Inc.
* These authors contributed equally

Summary

3-אלקטרודה תאים שימושיים בלימוד של אלקטרוכימיה של סוללות ליתיום. כזה התקנה אלקטרוכימי מאפשר את התופעות הקשורות עם קטודית, אנודת להיות decoupled ולא בדק באופן עצמאי. כאן, אנו מציגים מדריך בנייה ושימוש תא 3-אלקטרודה מטבע עם דגש על ליתיום יופיצ analytics.

Abstract

כמו ליתיום סוללות למצוא שימוש באנרגיה גבוהה וביישומים כוח, כגון רכב חשמלי היברידית חשמלי, ניטור פעולת השפלה ובעיות בטיחות העוקבים הופך חשוב יותר ויותר. במלכודת תא li-ion, מדידת מתח על פני המסופים חיוביים ושליליים כולל מיסודו את האפקט של הקתודה, אנודת אשר הם ביחד, סכום את הביצועים בתא סכום. בהתאם לכך, היכולת לפקח על ההיבטים השפלה המשויכים אלקטרודה ספציפי. קשה מאוד כי הם האלקטרודות ביסודה ביחד מלכודת 3-אלקטרודה ניתן להתגבר על בעיה זו. על ידי החדרת אלקטרודה (הפניה) השלישי, יכול להיות decoupled את השפעת כל אלקטרודה, המאפיינים אלקטרוכימי ניתן למדוד באופן עצמאי. האלקטרודה הפניה (RE) בטח יש פוטנציאל יציב אז התפקיד נגד הפניה ידוע, למשל, ליתיום מתכת. תא 3-אלקטרודה ניתן לבצע בדיקות אלקטרוכימי כגון רכיבה על אופניים, וולטמטריה עכבה אלקטרוכימי ספקטרוסקופיה (EIS). תא 3-אלקטרודה EIS מדידות יכול להבהיר את התרומה של עכבה אלקטרודה בודדים אל התא מלא. בנוסף, ניטור האנודה פוטנציאליים מאפשר הזיהוי של electrodeposition בשל ציפוי ליתיום, אשר יכול לגרום חששות בטיחות. זה חשוב במיוחד עבור טעינה מהירה של סוללות ליתיום של כלי רכב חשמליים. על מנת לפקח, לאפיין את ההיבטים בטיחות והשפלה של תא אלקטרוכימי, מלכודת 3-אלקטרודה יכול להוכיח שלא יסולא בפז. נייר זה נועד לספק מדריך בניית מלכודת תא 3-אלקטרודה מטבע באמצעות הארכיטקטורה תא 2032-מטבע, אשר קל לייצר, אמינה וחסכונית.

Introduction

למרות המקור של סוללות ליתיום יכול להיות נעוצים באורח שרירותי רחוק אל העבר, ייצור בקנה מידה גדול ואת המסחור של רבים של היום נפוץ סוללות ליתיום שנמצאו החל בשנות ה-80. רבים מן החומרים שפותחו במהלך תקופה זו, למשל להיות קובלט תחמוצת ליתיום (LiCoO2), מצויים עדיין נפוץ השימוש היום1. מחקרים רבים הנוכחי כבר התמקדו לקראת פיתוח שונות מבנים תחמוצת מתכת אחרים, עם כמה דגש לקראת צמצום או ביטול השימוש של קובלט במקום אחרים עלות נמוכה יותר, מתכות שפיר יותר לסביבה, כגון מנגן או ניקל2. בנוף המשתנה ללא הרף של חומרים בשימוש בסוללות ליתיום מחייבת שיטה יעילה ומדויקת של אפיון שלהם ביצועים ובטיחות. כי הפעולה של הסוללה כל כרוך אלקטרוכימי התגובה בשילוב של שתי האלקטרודות חיוביים ושליליים, סוללות אלקטרודה שני טיפוסי נופל קצר של היכולת לאפיין את האלקטרודות באופן עצמאי. העדר הבנה עוקבות ואפיון עניים ואז עלול לגרום מצבים מסוכנים או העניים ביצועי הסוללה הכללית בשל נוכחותם של השפלה תופעות. מחקרים קודמים שמטרתן האחדת טכניקות עיבוד טיפוסי תאים שני-אלקטרודה3. שיטה אחת המשפרת על החסרונות של תצורות תא רגיל היא התא 3-אלקטרודה.

מלכודת 3-אלקטרודה היא שיטה אחת הזיווג שבין תגובות שתי אלקטרודות ולספק תובנות רבות יותר על הפיסיקה הבסיסיים של פעולת הסוללה. במלכודת 3-אלקטרודה, אלקטרודה הפניה הוא הציג בנוסף קטודית אנודת. אלקטרודה הפניה זה משמש לאחר מכן כדי למדוד את הפוטנציאל של אנודת ושל קטודית באופן דינמי במהלך המבצע. אין זרמי עבר דרך האלקטרודה הפניה ולפיכך, זה מספק יחיד ויציב אידיאלי, מתח. באמצעות מלכודת 3-אלקטרודה, מתח התא מלא, את הפוטנציאל קטודית, ואת הפוטנציאל אנודת ניתן לאסוף בו זמנית במהלך המבצע. בנוסף מדידות פוטנציאליים, ניתן לאפיין תרומות אימפדנס של האלקטרודות כפונקציה של מצב תא מטען4.

3-אלקטרודה setups שימושיים מאוד ללמוד השפלה תופעות בסוללות ליתיום יון, כגון electrodeposition ממתכת ליתיום, הידוע גם בשם ליתיום ציפוי. קבוצות אחרות יש הציע שלוש-אלקטרודה setups5,6,7,8,9,10,11,12, 13 אבל הם לעיתים קרובות להשתמש המתכת ליתיום יציב מטבעו כהפניה וכוללים מותאם אישית, קשה להרכיב setups שמוביל אמינות מופחת. ליתיום ציפוי מתקיים כאשר במקום intercalating לתוך מבנה אלקטרודה המארח, ליתיום נצבר על פני השטח של המבנה. הפקדות אלו בדרך כלל מניחים המורפולוגיה של שכבה מתכתי אחיד (יחסית) (ציפוי) או מבנים קטנים דנדריטים. ציפוי יכול להיות תופעות הנעות בין גרימת בעיות בטיחות הפגיעה רכיבה על אופניים ביצועים. מנקודת מבט הפנומנולוגי, ציפוי ליתיום מתרחש עקב יכולת של ליתיום intercalate לתוך מבנה אלקטרודה מארח ביעילות. ציפוי נוטה להתרחש בטמפרטורה נמוכה, גבוהה טעינה האלקטרודה גבוהה מדינה תשלום (SOC), קצב, או שילוב של שלושת הגורמים האלה12. בטמפרטורה נמוכה, פעפוע של מצב מוצק בתוך האלקטרודה מופחת, עקב התלות diffusivity ארניוס טמפרטורה. פעפוע של מצב מוצק התחתונה התוצאה הצטברות של ליתיום-הממשק אלקטרודה-אלקטרוליט תצהיר עוקבות של ליתיום. בקצב ההטענה גבוה, מתרחשת תופעה דומה. ליתיום ניסיונות intercalate לתוך מבנה אלקטרודה מהר מאוד אבל לא הצליח, ובכך הוא מצופה. -ואת גבוהה יותר, יש בממוצע שטח קטן יותר עבור הליתיום intercalate לתוך המבנה, ובכך הוא הופך להיות נוח יותר להפקיד על פני השטח.

דנדריטים ליתיום יש חשיבות מיוחדת בשל חשש בטיחות שהם גורמים. אם דנדריטים טופס בתוך תא, קיים פוטנציאל להם לגדול, לנקב את המפריד, ולגרום של קצר פנימי בין אנודת הקתודה. זה קצר פנימי יכול להוביל טמפרטורות מאוד גבוהה מותאם לשפות אחרות האלקטרוליט דליק, שנרשמים runaway תרמי, אפילו פיצוץ של התא. בעיה נוספת הקשורה דנדריט היווצרות היא הגדלת שטח הפנים של ליתיום תגובתי. סוללת ליתיום לאחרונה הופקדו להגיב עם האלקטרוליט וגורמים היווצרות לאטמוספרה (סל) מוגבר אלקטרוליט מוצק, אשר יוביל אובדן יכולת מוגברת וביצועים אופניים המסכן.

סוגיה אחת הקשורים עם העיצוב של מערכת 3-אלקטרודה היא הבחירה של האלקטרודה ההתייחסות המתאימה. לוגיסטיקה הקשורים המיקום והגודל של ההפניה, אלקטרודות חיוביים ושליליים יכול לשחק תפקיד חשוב להשגת תוצאות מדויקות מן המערכת. דוגמה אחת היא כי אי-התאמות של האלקטרודות חיוביים ושליליים במהלך הבנייה התא ואת הקצוות המושפעים וכתוצאה מכך יכול להציג שגיאה בהפניה קריאה14,15. מבחינת בחירת חומרים, האלקטרודה הפניה צריך יש מתח אמינה ויציבה ויש של גבוהה ללא-פולריזביליות. ליתיום מתכת, אשר משמש לעתים קרובות אלקטרודה הפניה על ידי קבוצות מחקר רבות, יש פוטנציאל זה תלוי בסרט משטח פסיבי. הדבר עלול ליצור בעיות כי ניקיתי ולהציג ליתיום בגילאי אלקטרודות פוטנציאל שונים16. זה הופך לבעיה כאשר השפעות ההזדקנות לטווח הארוך נלמדים. מחקר על-ידי. Solchenbach et al. ניסה לחסל חלק מהבעיות יציבות על ידי זהב alloying עם ליתיום ולהשתמש בו בתור שלהם הפניה11. מחקר אחר הביט חומרים שונים כולל חומצה טיטנית ליתיום, אשר נחקרה השפעול ומראה אלקטרוכימי פוטנציאליים מישור טווח גדול סביב V 1.5-1.617 (~ 50% SOC). מישור זה עוזר לשמור על פוטנציאל יציב, במיוחד במקרה של ההפרעות בשוגג למצב של האלקטרודה תשלום. יציבות פוטנציאליים LTO, כולל תוספים מוליך מבוססת על פחמן, נשמר אפילו ב C-תעריפים שונים וטמפרטורות. 18 . זה זה חשוב להדגיש הבחירה של האלקטרודה הפניה היא צעד חשוב בעיצוב התא 3-אלקטרודה

קבוצות מחקר רבות הציעו תא 3-אלקטרודה ניסיוני ההתקנה. . Dolle et al. להשתמש תאים פלסטיק דק עם אלקטרודה הפניה חוט הנחושת ליתיום חומצה טיטנית ללמוד לשינויים עכבה בשל רכיבה על אופניים, אחסון בטמפרטורות גבוהות19. . McTurk et al. המועסקים טכניקה לפיה חוט נחושת מצופה ליתיום הוכנס לתוך תא נרתיק מסחרי, עם המטרה העיקרית היא להדגים את חשיבותה של ההכנסה לא פולשנית טכניקות9. . Solchenbach et al. משמש T-cell ששונה Swagelok-סוג של אלקטרודות מיקרו-הפניה זהב (שהוזכרה לעיל) על עכבה ומדידות פוטנציאליים. 11 . Waldmann ואח שנקטפו אלקטרודות מתאי מסחרי, שיחזר משלהם תאים 3-אלקטרודה נרתיק לשימוש בלימוד התצהיר ליתיום12. . Costard et al. פיתחו של דיור תא 3-אלקטרודה ניסיוני שבאתר כדי לבדוק את האפקטיביות של התייחסות אחרת אלקטרודה חומרים ותצורות13.

רוב קבוצות מחקר אלה להשתמש מטאל טהור ליתיום כהפניה, אשר יכולה חששות עם יציבות וצמיחה סל, במיוחד עם שימוש ארוך טווח. בעיות אחרות כוללות שינויים מורכב ולגזול כיוונונים קיימים או מסחרי. בנייר זה, מוצגת שיטה אמינה וחסכונית עבור בניית שלוש-אלקטרודה li-ion תאים מטבע לבדיקות אלקטרוכימי, כפי שמוצג באיור1. ניתן לבנות תוכנית התקנה זו שלוש-אלקטרודה באמצעות רכיבים תא מטבע רגיל, חוטי נחושת, ליתיום מבוסס חומצה טיטנית הפניה אלקטרודה (ראה איור 2). בשיטה זו אינו דורש שום ציוד מיוחד או שינויים משוכלל, מלווה מעבדה סטנדרטיים סולם הליכים אלקטרוכימי וחומרים של ספקים מסחריים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הפניה אלקטרודה והכנות מפריד

  1. הפניה אלקטרודה הכנה
    1. הכנה תיל
      1. חתך אורך 120 מ אחד של גודל 32 AWG (0.202 מ"מ קוטר) אמייל חוט הנחושת.
        הערה: כל חוט יהפוך 1 אלקטרודה הפניה, ייעשה שימוש בתא אלקטרודה 3 1.
      2. מקם קצה אחד של החוט מכבש מעבדה. לחץ בעדינות כ 10 מ מ של חוט בקצה אחד כדי בלחץ של-4 מגפ ס. . חתוך את החוט עודף מקצה חוט כך המקטע שעברו שיטוח ~ 2 מ מ אורך.
        הערה: העובי הממוצע של הקצה הוא כ 0.1 מ מ. להיות זהירים לא לכופף את הטיפ שעברו שיטוח כפי שהוא עשוי עייפות מתנתקים.
      3. מניחים את החוט על קרש חיתוך טפלון (PTFE). בזהירות להשתמש באזמל כדי להסיר הבידוד החיצוני על קצה חוט שעברו שיטוח. הקפד להסיר את הבידוד משני הצדדים; המוצר הסופי צריך להיות חתך שטוח, מבריק של נחושת חשוף.
      4. שוקלים את החוט באמצעות סרגל מעבדה.
        הערה: מיסה זו ייעשה שימוש לאחר הטילה את slurry כדי לקבוע את הכמות המדויקת של חומר פעיל נוכח כל אלקטרודה הפניה.
      5. חזור על שלבים 1.1.1.1 - 1.1.1.5 עבור גודל אצווה טיפוסי של חוטים 36. מניחים את החוטים על קיבול עבור אחסון. אפשרות טובה היא. להקליט את החוטים סביב קצה צנצנת זכוכית קטנה.
    2. Slurry הכנה
      1. להכין את הפתרון פלואוריד (PVDF) 10%-wt. polyvinylidene ב N-מתיל-2-pyrrolidinone (NMP).
        1. באמצעות שוקלים מלבני קטן של נייר, סקופ מפלדת בקנה מידה מעבדה, למדוד את המסה הרצוי של האבקה PVDF (0.1 גרם).
        2. להעביר את האבקה PVDF מהעיתון שוקלים לתוך בקבוק פלסטיק 500-mL. למדוד, העברת המסה המתאים של NMP נוזלי (0.9 g) לתוך הבקבוק באמצעות פיפטה מעבדה 1-mL-קיבולת.
        3. הכנס בר מלהיב מגנטי הפתרון; הניחו את הבקבוק על צלחת מלהיב מגנטי ולהשאיר את זה לערבב ללא הגבלת זמן. לאפשר את הפתרון לערבב במשך לפחות 24 שעות לפני השימוש הראשון. מומלץ להכין את הפתרון PVDF בצובר כדי להימנע מהצורך לעשות אצוות קטנות יותר עבור כל אצווה slurry.
      2. לפני שקילה כל עוד אבקה, לנקות את הסקופ מפלדת איחדו את, המליטה עם איזופרופנול כדי למנוע כל זיהום.
      3. באמצעות נייר שוקלים, קנה המידה של מעבדה, הסקופ נירוסטה, למדוד החוצה את הכמות המתאימה (0.8 גר') אבקת (Li4Ti5או12) חומצה טיטנית ליתיום. להעביר בזהירות את האבקה מכתש ועלי. לנקות את הסקופ עם אלכוהול איזופרופיל לאחר השימוש.
      4. באופן דומה, שוקלים החוצה את הכמות המתאימה (0.03 נקודות g) של גרפיט סינתטי KS-6 ותוסף מוליך (0.09 g). להעביר בזהירות את האבקה ומכתש באותו. לנקות את הסקופ עם אלכוהול איזופרופיל כמו בעבר.
      5. מערבבים בקלילות את אבקות שלושה שבחומר המליטה עד שהם הופכים מפוזרים בצורה אחידה. לטחון את תערובת אבקת באמצעות איחדו את עד שהתערובת הופכת הומוגנית. להעביר בזהירות לערבב אבקת צינור ערבוב חד פעמיות 20-mL.
        הערה: זה ישמש כלי ערבוב הטיה גבוהה כדי להבטיח התפלגות אחידה של כל החומרים בפנים slurry.
      6. להוסיף את הכמות המתאימה של NMP (2.2 מ"ל) הצינור ערבוב בעזרת פיפטה של המעבדה. להוסיף שש בקוטר 6 מ מ סיליקט ללישת זכוכית כדורים, לדפוק על המכסה. במקום הצינור ערבוב על המכשיר ערבוב גבוהה-הטיה, נעל הצינור לתוך המקום, ומערבבים את slurry למשך 15 דקות על ההגדרה המרבי (בערך 6000 סל ד).
      7. להוסיף 0.8 גר' הפתרון PVDF (להכין קודם לכן בשלב 1.1.2.1) הצינור ערבוב. המשך ערבוב של slurry למשך עוד 5 דקות להבטיח ריפודי כתופיים של הקלסר. יצוק מיד את slurry עם החוטים. אם slurry יושב יותר מ 5 דקות, מערבבים את slurry לפני 15 דקות נוספות לשימוש, כדי להבטיח תערובת הומוגנית.
    3. השלכת וייבוש של הפניה אלקטרודה
      1. טבלו בעבודת יד של נחושת חשוף, בקצה כל אלקטרודה הפניה, slurry מעורב. לחלופין, טיפה-שחקנים slurry מ פיפטה על החוט עצה. הקפד מעיל רק את המקטע שעברו שיטוח, חשוף של חוט הנחושת.
      2. לצרף את החוטים RE יצוקה בסיס עם תום יצוקה מושעה לייבוש. קלטת את הגבס מחדש כדי בעל להימנע ממגע של slurry רטוב עם כל משטח (ראה איור 3). יבש את האלקטרודות לפחות 8 שעות בתנור מעבדה ב- 70 מעלות צלזיוס.
      3. מודדת את המסה אלקטרודות ייחוס לאחר ייבוש, להעריך את המסה יבשים של slurry (0.1 מ"ג ממוצע מעל יותר מאשר 100 דגימות).
      4. להעביר הפניה האלקטרודות בתא הכפפות ארגון אינרטי לשימוש בתא תהליך הייצור.
  2. הכנה אלקטרודה קטודית, אנודת
    1. בחר האלקטרודה הרצוי שילמדו.
      הערה: עבור בדיקות אלה, אלקטרודה טרומיים גליונות ישמש למטרות הדגמה. אלקטרודות תוצרת שבאתר או אלקטרודות שנקטפו מתאי מסחרי יכול גם לשמש.
    2. אגרוף החוצה דיסק עגול של חומר הקתודה באמצעות חלול 1.27 ס מ (1/2-ב) אגרוף. צורת הדיסק אלקטרודה שניתן לשנותם באופן מכני לפי המבחן הרצוי (ראה איור 4). שוקל האלקטרודות, לחשב את אחוז החומר הפעיל.
    3. חזור על צעדים 1.2.1-1.2.2 את החומר אנודת, ותאים נוספים הרצוי. למקם כל דיסק אלקטרודה לתוך בקבוקון זכוכית קטן ולהעביר בזהירות את הבקבוקונים לתוך בתא הכפפות אינרטי ארגון שבו הם ישמשו במהלך תהליך הבניה תא.
  3. מפריד הכנה
    1. מקפלים פיסת נייר (22.6 ס"מ x 28 ס"מ / 8.5 ב- x 11 ב) לחצי לאורכו. חותכים כ פיסת 25 ס"מ x 8.5 ס"מ למפריד פוליפרופילן (PP), מקם אותו בעדינות הנייר במדפסת מקופל.
      הערה: העיתון מספק קצת הגנה, קשיחות כאשר המפריד להיות אגרוף בעבודת יד.
    2. מקם את הכריך נייר, מפריד על גבי שטיחון חיתוך הריפוי העצמי. זה מספק משטח מוצק, יסייע לך להימנע קהות האגרוף חלול. באמצעות חלול 1.905-ס"מ (3/4-ב) אגרוף, אגרוף one דיסק עגול מפריד עבור כל תא 3-אלקטרודה. להכין את המפרידים בצובר ואחסן אותם בבקבוקון זכוכית לשימוש מאוחר יותר.
    3. בנוסף, לחתוך מספר ריבועים קטנים של מפרידי כ 5 מ מ x 8 מ מ; אחד של תווים מפרידים אלה ישמש עבור כל תא. לאחסן את זה בקבוקון זכוכית קטן. להעביר את הבקבוקונים של המפרידים בתא הכפפות ארגון אינרטי לשימוש בתהליך בניית התא.

2. בניית התא הכנה

  1. להכין האלקטרודה הפניה באמצעות פינצטה כדי לכופף את החוט לצורת ספירלה (ראה איור 3ב'). ודא כי צורת הספירלה הסופית יתאים פנימה האטם של התא מטבע (בערך 1.58 ס מ קוטר). להציב כל ספירלה אלקטרודה לתוך סירה קטנה שוקלים ולהגדיר אותם הצידה.
    הערה: הספירלה חיווט נוסף מספק יציבות ווויל גם להיות פרש, מאוחר יותר נעשה שימוש בתא עבודה.
  2. נקה בשני הצדדים של סרט מתכת ליתיום באמצעות איזמל או סכין גילוח. לגרד את כל השטח חמצון עד ליתיום מבריק דרכן. הקפד לנקות צידי הליתיום. קח בזהירות בעת שימוש חפצים חדים בתוך בתא הכפפות.
  3. אגרוף החוצה 1.58-ס"מ שני (5/8-ב) דיסקים עבור כל תא מרצועת הכלים ליתיום נקי תוך שימוש באיומים חלול.
  4. הצב one דיסק של ליתיום במרכז כרווח מפלדת 0.5 מ מ. הקש את המתכת ליתיום עם מרווח בחוזקה יחד; בדרך כלל, מכבש האגודל היה מספיק ודא כי הדיסק ליתיום ומודבקת מרווח.
  5. המקום המקרה תא מטבע בפנים קטן לשקול את הסירה. התאם את הדיסק השני של ליתיום בתוך התיק תא מטבע. ודא שסוללת ליתיום ממורכזת ולחץ בחוזקה כך סוללת ליתיום נדבק לתחתית של המקרה. במקום מספר טיפות של אלקטרוליט [1.0 M LiPF6 ב- EC/דצמבר (1:1 לפי נפח)] על התקליטור ליתיום ובכל מספר טיפות סביב קצה ליתיום כדי למלא את הפער מבחוץ.
    הערה: אם אין די אלקטרוליט נוסף, יהיו בועות מתחת המפריד, בתוך התא, אשר אינה רצויה.
  6. במקום אחד 1.905-ס"מ (3/4-ב) עמ' מפריד על גבי התקליטור ליתיום שנרטבו. ודא כי מפריד הוא wetted לגמרי ויש אין בועות לכוד מתחת. הצב את האטם בתא עם השפה אטם כלפי מעלה; השפה הזאת היא איפה הכיפה ישבו לתוך. לחץ בחוזקה כדי להתאים את האטם לתוך התיק.
  7. בעזרת זוג מספריים פלסטיק, הנח בעדינות את הספירלה אלקטרודה הפניה למרכז של התא. הוסף מספר טיפות של אלקטרוליט סביב האלקטרודה הפניה. במקום מפריד מלבן קטן, על גבי איפה הכבל חוצה את האטם, המקרה תא.
    הערה: המפריד מסייעת למנוע לקצר בין החוט את הכיפה תא מתכת.
  8. במקום 1.58-ס"מ אחד (5/8-ב) מפריד מעל הספירלה אלקטרודה הפניה. ודא המפריד wetted לגמרי, כי ישנם אין בועות לכוד מתחת. מקום בדיסק ליתיום-מרווח על גבי האלקטרודה הפניה, עם מצופים ליתיום בצד הפונה כלפי מטה.
  9. מקום המעיין גל על גבי מרווח. ודא שכל הרכיבים מרוכזים בתוך התא. למלא את התא עד הקצה, לזכותו אלקטרוליט. כאשר התא הוא מסולסל, האלקטרוליט נוספת להיות לחוץ.
  10. באמצעות פינצטה פלסטיק, בזהירות המקום הכיפה תא על ההרכבה. לחץ בחוזקה כדי להושיב את הכובע אל שפתו של האטם. לכופף את החוט אלקטרודה התייחסות כזאת זה מניח שטוח מעל החלק העליון של הכיפה. פעולה זו מתבצעת כדי לוודא החוט לא מתאים קצר בעת לחיצה על התא (ראה איור 2).
  11. להעביר בזהירות התא למכשיר מטבע-תא-הידוק באמצעות פינצטה פלסטיק. בעת העברת, להחזיק את התא שטוח כדי למנוע את אובדן כל אלקטרוליט נוספים. Crimp מטבע לתא כ 5 MPa (750 psi).
  12. הסר את התא מטבע צובטן ולאחר לכופף את החוט החשוף לגבות מן החלק העליון של התא. המטרה היא למנוע כל ניתן לקצר בין הכיפה האלקטרודה הפניה.
  13. הסר את התא מטבע שהושלמו בתא הכפפות ארגון. באמצעות אלכוהול איזופרופיל קידמית של פעילות נטולת מוך, לנקות בזהירות החיצוני התא. לטפל כדי להימנע מהפרעה החוט או למיקום שבו החוט יוצא התא.
  14. איטום תא
    1. יבש בזהירות את התא מטבע באמצעות מגב נטולת פעילות. תשמרי תוספת לייבש את המיקום שבו החוט יוצא התא מטבע.
    2. לערבב בחלקים שווים שרף במינראליים לטופס של אפוקסי הלא מוליך. בזהירות באמצעות קיסם או התקן החקרנית קטן, להחיל כמות קטנה של אפוקסי אל המיקום שבו החוט יוצא התא מטבע. . זה המיקום שבו התא קרוב לוודאי לדלוף.
    3. לאפשר 1h לציון אפוקסי להתייבש לפני חיבור התא מטבע לכל ציוד בדיקה. שים לב כי זה יכול לקחת עד 24 שעות עבור האפוקסי לרפא באופן מלא להקשיח.
      הערה: מטרת האפוקסי היא לאטום את התא (ראה איור 5) לא כדי לספק את חוזק מכני כלשהו.

3. Lithiation השגרה

  1. התקנת החיבור
    1. בעזרת מצית כף-יד, לשרוף כ- 2 ס מ של בידוד בקצה של החוט אלקטרודה הפניה המגיחה מתוך התא; . זה איפה הכבל תוכלו להתחבר המכשיר בדיקה. לכופף את החוט החשוף חוזר על עצמו, כדי לשפר את הקשר בעת התחברות התא 3-אלקטרודה לבדיקה.
    2. מניחים ריבוע קטן של סרט בידוד (2 ס"מ על 2 ס"מ) לרוחב החלק העליון של המקרה תא מטבע; זה צריך למנוע כל קשר חשמלי בין החלק העליון של התא מטבע בעל תא ' מטבע '. מקם את התא הכנה בעל תא.
      הערה: החלק העליון של התא צריך להיות מבודד מכל חיבור, אמור להיות מחובר הקריאה השלילית על המחזיק התא התחתון של התא.
    3. באמצעות סרטון תנין, להתחבר האלקטרודה הפניה הסרטון העליון את המחזיק תא (חיבור חיובי).
      הערה: התא צריך להיות להגדיר כדי לבדוק עם האלקטרודה הפניה כסוכנות את האלקטרודה החיובית ואת הדיסק ליתיום התחתון (תא במקרה) מתנהג כמו האלקטרודה השלילית.
  2. הפניה כיול מתח
    1. לחשב את כמות חומר פעיל נוכח האלקטרודה הפניה.
      הערה: עבור מסה אלקטרודה טיפוסי של 0.1 מ"ג ו קומפוזיציה של חומרים פעילים של 80%, זה יוצא 0.08 מ ג.
    2. באמצעות המאסה ופנים החומר הפעיל לבין יכולת ספציפית תיאורטי של חומצה טיטנית ליתיום20, לקבוע את הזרם המתאים כדי לחייב את התא ב- C/16.
    3. מחזור האלקטרודה אסמכתא מספר פעמים בטווח המתאים מתח (1.25-2.25 V לעומת Li/Li+) ב C/16; טווח זה תשתנה בהתאם האלקטרודה הפניה בשימוש. שימו מתח מתח/הפניה הרמה, אשר צריך להתרחש במהלך ההטענה והן מתרוקנת תהליכים.
      הערה: עבור5O Ti אלקטרודה12 Li4ערך זה הוא בדרך כלל בסביבות 1.56 V לעומת Li/Li+.
    4. שיא המתח הפניה לבין התא המתאים שאליו הוא משויך. להשתמש המתח מאוחר יותר כדי לכייל את הפוטנציאל של האלקטרודות בעת שימוש בתא עבודה.
    5. לנוח התא עבור 24 שעות ונטר האלקטרודה הפניה פוטנציאליים יציב.
    6. להעביר את התא lithiated לתוך הסביבה ארגון אינרטי לשימוש בבנייה תא עבודה. הימנע מכל מגע אפשרי בין האלקטרודה הפניה לבין הכיפה או מקרה תא; זה יכול לקצר האלקטרודה הפניה, לשנות את הפוטנציאל.

4. בנייה של עובד תא

  1. המקום המקרה תא מטבע בפנים קטן לשקול את הסירה. מקם את הדיסק קטודית במרכז של המקרה תא. במקום מספר טיפות של האלקטרוליט דצמ על הקתודה, מספר טיפות סביב הקצוות כדי למלא את הפער מבחוץ.
  2. במקום אחד 1.905-ס"מ (3/4-ב) מפריד על גבי האלקטרודה. ודא המפריד wetted לגמרי, כי ישנם אין בועות לכוד מתחת. מקם את האטם עם השפה קטן על הכיפה תא כלפי מעלה. לחץ בחוזקה כדי להתאים כראוי את האטם לתוך התיק. להפריש את מכלול התא מטבע ואתר את התא lithiated הכנה.
  3. מיצוי של האלקטרודה הפניה lithiated
    1. כיכר קטנה של איזולירבנד חלות על החלק העליון של התא lithiated הכנה. פעולה זו מסייעת למנוע לקצר בין התיק לבין שווי במהלך פירוק.
    2. החזק את התא הכנה בחוזקה עם הצד הכובע פונה כלפי מעלה, באמצעות הצבת חרטום דק. יש להיזהר לא קצר את התא עם המלקחיים מתכת. השתמש הקצה-מגזריים כדי בקפידה, אבל ביציבות, לפתוח את התא מטבע לאורך הקצה. הקפידו לא קצר העליון והתחתון של התא עם המלקחיים מתכת.
    3. לאחר כ- 70% של התא יש כבר לחטט פתוח, להחזיק את התיק עם המלקחיים חיתוך קצה בקפידה להפריד בין המקרה תא, קאפ בעזרת המלקחיים חרטום דק. בזהירות לחלץ האלקטרודה הפניה lithiated. למחוק את הרכיבים האחרים של התא.
  4. באמצעות פינצטה, לישר את החוט אלקטרודה הפניה בצורת ספירלה וליישר. לכופף את החוט מחדש כך הטיפ יושב במרכז של האלקטרודה, החוט מרחיב מעבר לקצה של התא. . חתוך את החוט החשוף, uninsulated.
  5. הוסף מספר טיפות של אלקטרוליט סביב האלקטרודה הפניה. הצב מפריד קטן, מרובע למעלה איפה הכבל חוצה את התיק אטם ותא. זה עוזר למנוע לקצר בין החוט ואת פקקי מתכת.
  6. מקום אחד 1.58-ס"מ (5/8-ב) מפריד על גבי האלקטרודה הפניה; פעולה זו מסייעת למנוע לקצר בין האלקטרודה הפניה האנודה. הצב את הדיסק אנודת מוכן על גבי האלקטרודה הפניה בתא. לטפל כדי ליישר כהלכה את הצורה של הקתודה בזה של האנודה.
    הערה: קצה האלקטרודה ההתייחסות צריכה להיות במרכז, הכבל צריך יציאה ב הפער מלבני.
  7. מניחים בזהירות את מרווח מפלדת 1.0 מ מ על גבי האנודה. מקום המעיין גל על גבי מרווח. ודא כי כל הרכיבים מרוכזים בתא. למלא את התא עד הקצה, לזכותו אלקטרוליט.
  8. באמצעות פינצטה פלסטיק, בזהירות המקום הכיפה תא על ההרכבה. לחץ בחוזקה למטה להושיב את הכובע אל שפתו של האטם. מקפלים בזהירות את החוט הנותר מעל הכיפה תא לפני לחיצה. פעולה זו מונעת את החוט ניתוק בעת לחיצה.
  9. להעביר בזהירות התא למכשיר מטבע תא crimping באמצעות זוג מספריים פלסטיק. בעת העברת התא, לשמור את זה שטוח כדי להימנע מאובדן אלקטרוליט נוספים. Crimp לתא כ 5 MPa (750 psi).
  10. הסר את התא מטבע בתא הכפפות ארגון. בזהירות לנקות את התא באמצעות אלכוהול איזופרופיל קידמית של פעילות נטולת מוך.
  11. איטום תא
    1. יבש בזהירות את התא מטבע באמצעות מגב נטולת פעילות. תשמרי תוספת לייבש את המיקום שבו החוט יוצא התא מטבע.
    2. לערבב בחלקים שווים שרף במינראליים לטופס של אפוקסי הלא מוליך. בזהירות בעזרת קיסם, להחיל כמות קטנה של אפוקסי אל המיקום שבו החוט יוצא התא מטבע. . זה המיקום שבו התא קרוב לוודאי לדלוף.
    3. לאפשר 1h לציון אפוקסי להתייבש לפני חיבור התא מטבע לכל ציוד בדיקה.
      הערה: זה יכול לקחת עד 24 שעות עבור האפוקסי לרפא באופן מלא להקשיח. המטרה אפוקסי כאן זאת, לאטום את התא, ולא לספק את חוזק מכני כלשהו.

5. בדיקות אלקטרוכימי

  1. ביצועים ורכיבה
    1. לחשב את היכולת התיאורטית קטודית והן אנודת אלקטרודות.
      1. באמצעות המשקל היבש הכולל של הדיסק אלקטרודה, המסה של המצע אלומיניום/נחושת, ואת משקל אחוז החומר הפעיל, לקבוע את המסה של החומר הפעיל הנוכחי עבור כל אלקטרודה.
      2. לקבוע את הקיבולת של כל אלקטרודה על-ידי הכפלת המסה של החומר הפעיל יכולתו תיאורטי בהתאמה. באמצעות קיבולת אלקטרודה המגביל ביותר (בדרך כלל הקתודה), לקבוע את הקיבולת הכוללת של תא.
    2. ןקתהל בתא אלקטרוכימי מדידה, מטפל בחיבור של כוח חיובי, חיישן חיובי הקתודה ואת כוח שלילי חיישן אל האנודה. לחבר את ההפניה אל האלקטרודה הפניה באמצעות חוט הנחושת (ראה איור 6b).
    3. בדוק היטב כי התא מחובר ופועל כראוי על-ידי בדיקת מתח במעגל פתוח של פוטנציאל. להשתמש את המתח הפניה שנרשם במהלך ההליך lithiation כדי לכייל קטודית, אנודת המקראות פוטנציאליים.
    4. מחזור התא מלא בקצב הרצוי C-, לדוגמה C/10, ולמדוד את פוטנציאל התא קטודית, אנודת מלא בו זמנית. חזור על שלבים 5.1.1 - 5.1.4 עבור תאים אחרים, C-המחירים לפי הצורך, בהתאם למפרטים ודרישות עבור כל תא.
  2. עכבה אלקטרוכימי ספקטרוסקופיה
    1. התא מלא עכבה
      1. ןקתהל התא EIS מדידה. להשתמש בתצורה הבאה: העוצמה חיובית ואת חיישן חיובי הקתודה, כוח שלילי, שלילי חיישן אל האנודה.
        הערה: החיישן הפניה אמור להיות מחובר האנודה. האלקטרודה ההפניה צריכה להישאר מנותקים.
      2. בחר את הפקד potentiostatic עבור EIS עם משרעת של 10 mV. בחר טווח תדר של 1 מגה-הרץ ל 1 מגה-הרץ. לאסוף את אימפדנס של התא מלא. מגרש נייקוויסט עלילה בודה לנתח את התגובה של התא.
        הערה: טווח תדר לא תמיד ייתכן שתידרש, שניתן לשנותם לאחר איסוף תוצאות ראשוניות.
    2. קטודה עכבה
      1. ןקתהל התא EIS מדידה עם הבאים: כוח חיובי חיישן חיובי הקתודה, כוח שלילי, שלילי חיישן אל האנודה ואת החיישן הפניה אל האלקטרודה הפניה באמצעות חוט הנחושת.
      2. חזור על השלבים באותו באשר עכבה התא מלא (שלבים 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    3. אנודת עכבה
      1. ןקתהל התא EIS מדידה עם הבאות: הכוח חיובית, חיישן חיובית אל האנודה, כוח שלילי שלילי חיישן הקתודה, החיישן הפניה אל האלקטרודה הפניה באמצעות חוט הנחושת.
      2. חזור על השלבים באותו באשר עכבה התא מלא (שלבים 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    4. עכבה כפונקציה של המדינה תשלום
      1. ןקתהל התא EIS מדידה לפי המידה הרצויה עכבה: התא מלא, קטודית או אנודת. השתמש בשלבים 5.2.1.1, 5.2.2.1 או 5.2.3.1, בהתאמה, עבור החיבור המתאים.
      2. גובה התא באמצעות קבוע הנוכחי-C/2 עד התא מגיע לקצה גבול מתח עליון. להחזיק את המתח על הגבול העליון באמצעות שיטה בקרת מתח קבוע עד הטיפות הנוכחי יישומית מתחת C/100. התא צריך עכשיו להיות טעונה במלואה.
      3. הפרשות התא ב- C/2 עבור 3 דקות; התא צריך להיות עכשיו ב- 90% מספר הביטוח הלאומי אפשר התא לנוח לשעה כדי להגיע אלקטרוכימי ותרמי שיווי משקל התנאים.
      4. לאסוף את עכבה באמצעות ההליך אותו הציג בשלבים 5.2.1.2 - 5.2.1.3. חזור על שלבים 5.2.4.3 ו- 5.2.4.4 כדי לאסוף את עכבה כפונקציה של מספר הביטוח הלאומי

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 7ניתן לראות תוצאות טיפוסי המתח ופרופילים פוטנציאליים עבור התא 3-אלקטרודה. התקנה אידיאלי, מתח התא מלא צריך להיות זהה לזה המופק תא 2-אלקטרודה באמצעות אלקטרודה אותו בני הזוג. זה שיטה אחת לקביעת אם החדרת האלקטרודה התייחסות משנה את הביצועים של התא. אם יש הבדל משמעותי בין הביצועים התא מלא 2 - ו 3-אלקטרודה (עבור עבודה זהה ואלקטרודות מונה), ואז ניתן להניח, כי החדרת האלקטרודה התייחסות משנה את אופן הפעולה של התא, קיבלנו את התוצאות כבר לא משמעותי.

בעת תהליך הטעינה, ליתיום עוברת בין הקתודה האלקטרודה אנודת. כמו ליתיום להיות יוסר על מיקרו קטודית, מגביר את הפוטנציאל שלה ביחס Li/Li+ . ההפך מתרחשת עם האנודה, כמו המבנה ללא הרף מלא עם סוללת ליתיום. במהלך פריקה, המצב הפוך מתרחש. שינויים אלה של פוטנציאל משתקפים בפרופילי שלוש-אלקטרודה פוטנציאליים, אשר ניתן לראות באיור7.

תוצאה חזקה של ההתקנה תא 3-אלקטרודה היא הגילוי של תחילת ציפוי ליתיום. איור 8 מראה דוגמה של פרופיל פוטנציאליים אנודת בזמן ההטענה מהירה של תא מטבע. מ שהתצוגה בהחלק של העלילה, אותו ניתן לראות כי האנודה פוטנציאלי מגיע ערכים שליליים לקראת סוף עותק טעינה תהליך. . זה מעיד על הנוכחות של ליתיום יופיצ בתא. מדידה זו אינה אפשרית בעת שימוש מלכודת 2-אלקטרודה סטנדרטי.

התוצאות עכבה עבור הגדרת שלוש-אלקטרודה מוצגות באיור9. תגובה עכבה אופיינית מורכבת משלושה אזורים אופיינית: חצי עיגול בתדירות גבוהה, חצי עיגול בתדירות בינונית וזנב דיפוזיה בתדר נמוך. החיתוך Re(Z) של העלילה, את רדיוס מלון, השיפוע של הזנב דיפוזיה ניתן לאפיין תופעות אלקטרוכימי חשובים המתרחשים בתוך התא.

שימוש רב עוצמה אחר של הכלי שלוש-אלקטרודה היא עכבה אפיון כפונקציה של המדינה תשלום. עכבה זה ישויך אל השפלה תופעות שונות, כולל את electrodeposition של ליתיום. איור 10 מראה דוגמה של ספקטרה עכבה שנאספו עבור התא מלא, קטודית, אנודת לתא בודד מטבע. עכבה המשתנים ניתן לאפיין תרומות בודדים של אלקטרודה אימפדנס של התא ש-SOC משתנה. עבור האנודה, עכבה ניתן מתואמים התופעות השפלה שונים, כולל הגידול של סל שכבה של ציפוי ליתיום היווצרות דנדריט. מדידות עכבה מעוותת כולל לולאות אינדוקטיביים (ראה איור 11) ישויך לשני גורמים שונים. איטום רע של התא יחד עם אלקטרוליט דולף (ראה איור 5) יכול לגרום לתגובה עכבה אינדוקטיבית. הצורה אלקטרודה ואת המיקום של קצה האלקטרודה ' הפניה ' (ראה איור 4) יכול גם לגרום לולאות השראי על התגובה עכבה21.

ההתנהגות של פוטנציאל אלקטרודה בודדים יכול לשמש כדי לספק ניתוח, אשר אינה זמינה setups שני-אלקטרודה מסורתי. לדוגמה, הרמה אזורים בפרופיל פוטנציאלי יכול לייצג שלב שינויים במבנה אלקטרודה. חייבים לאשר שינויים אלה שלב עם נוספים אלקטרוכימי בדיקות, כגון וולטמטריה ציקלית. כמו כן, הערך של האנודה פוטנציאלי יכול לשמש בשילוב עם שיטות אחרות כדי לקבוע ליתיום יופיצ, אשר מתרחשת ברגע האנודה פוטנציאלית הגיעה ערך מתחת 0.0 V לעומת Li/Li+.

Figure 1
איור 1 . הגדרת תא 3-אלקטרודה פנימית. () לוח זה מראה תמונה של תא השלים שלוש-אלקטרודה מטבע. (b) לוח זה מציג תצוגה מורחבת של רכיבי תא פנימי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 . 3-אלקטרודה מטבע תא מציג את נקודת הכניסה של האלקטרודה הפניה, כמו גם את הפריסה הפנימית. שים לב באיור זה הכובע הוא שקוף, המעיין גל (לא מוצג) ממוקמת ממש מעל מרווח העליון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 . הפניה אלקטרודה תצורות. () לוח זה מציג אצווה אלקטרודה הפניה מודבק על רכיב בעל (למשל, מיכל הזכוכית נקי) עם הקצוות מצופה מושעה לייבוש. הלוחות הבאים מציגים התייחסות תצורות אלקטרודה המתאימה (b) המצב מיד לאחר האלקטרודה יציקה על גבי חוט, (ג) השימוש בהכנה תא, (ד) השימוש בתא עבודה. הלוחות לא נמשכים לקנה המידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 . אלקטרודות שונות שניתן להשתמש בבנייה של שלוש-אלקטרודה מטבע תאים. אלה מראות את הצורה () ספירלה, הפניה (b) מרכזי, צורה (c) חור מנעול, צורה (d) משולש פיצה-פיצה, (e) על הצד, ו (f) בצד עם פתח עגול קטן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5 . אטום באופן לא תקין תאים מטבע שלוש-אלקטרודה, הדגמת דולף ועל תגובת הנובעת אלקטרוליט עם הסביבה- תחת מצב זה, מומלץ להסיר את התא ממחזיק, מאז אלקטרוליט ניתן חלודה המסופים חשמל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6. חיבור אל המכונה בדיקה אלקטרוכימי למדוד התנגדות. לתצורות חיבור מוצגים עבור () התא מלא (ZF), (b) הקתודה (תג), (ג) אנודת (תא). מופע ורכיבה של התא 3-אלקטרודה יכול להיעשות באמצעות חיבור קטודית שמוצג בחלונית (b). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7 . מדידות מתח. אלה מראות את המידות מתח עבור אנודת של הקתודה, תא מלא (2 - ו 3-אלקטרודה תא) במהלך () קבוע הנוכחי, קבוע מתח (CCCV) מסתערת C/10 ומשחררת (b) קבוע הנוכחי (CC) ב- C/10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8 . שלילי אנודת פוטנציאל במהלך טעינה מהירה. לוח זה מראה אנודת שליליות פוטנציאליות המתרחשים במהלך מהיר טעינה (1C-שיעור) תא 3-אלקטרודה מטבע, המעידים על המצאות אפשרי של ליתיום ציפוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9 . התגובה עכבה. בלוחות אלה מראים את התגובה עכבה מלהשתמש מנתח תגובת התדר עבור תא מלא, של הקתודה אנודת מציג () על התדרים מלא ומגוון (b) תדירות נמוכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 10
איור 10 . EIS. מראות אלה ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימי המתאים כדי () התא מלא, הקתודה (b), (ג) אנודת מדידה עבור תא 3-אלקטרודה מטבע כפונקציה של מספר הביטוח הלאומי אנא לחץ כאן כדי להציג גדול יותר הגירסה של הדמות הזו.

Figure 11
איור 11 . אנודת עכבה עיוות. דמות מראה אנודת עכבה את העיוות הזה נמדד עבור תא 3-אלקטרודה מטבע, כנראה נגרמה גם אי-התאמות של האלקטרודה הפניה בתוך התא או על איטום לקוי של התא מטבע ליד המיקום היציאה של הכבל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

תא לחץ לחיצה ממלא תפקיד חשוב שיעור ההצלחה של הכנה והן תאים עבודה. אם התא הוא מסולסל, בלחץ גבוה מדי (> 800 psi), האלקטרודה הפניה יכול להפוך קיצרה עם הכיפה תא בשל ההתייחסות חוט מיקום שביניהם את הכובע, את האטם. שים לב הכבל מעבר ממשק זה הוא דרישה כדי ליצור חיבור בין האלקטרודה הפניה לקרוא למכשיר מדידה חיצוניים. אם הלחץ תא נמוכה מדי (< 700 psi), התא יכול יש לי בעיות עם הידוק לא שלם אשר עלולה לגרום לדליפת אלקטרוליט, אוויר חדירה לאחר התא יוסר מן הסביבה ארגון אינרטי. נמצא בסביבות 750 psi זה הלחץ האופטימלי להידוק התא כדי למנוע בעיות דולף או shorting. כדי לספק אמצעי נוסף כדי למנוע בעיות אלה עם קצר של החוט הפניה, הוא צעד חיוני בתהליך בניית המפריד מרובע נוספים הממוקמים לאורך האטם איפה החוט חוצה את גבול תא. התו הזה מספק שכבת בידוד נוסף המסייע למנוע קצר פנימי. בנוסף, לחצים crimping שונה במקצת עשוי להידרש על ההכנה ועל עבודה תא. הכנה התא משתמש ליתיום דיסקים שנמצאים באופן משמעותי עבה יותר אלקטרודה שיוטל מתכת רדיד-אשר משמשים בתא עבודה.

לאחר lithiation של האלקטרודה הפניה בתא הכנה, האלקטרודה הפניה חייב חילוצם ואופן שימוש חוזר לתא לעבוד. במהלך תהליך זה, יש לקחת טיפול קיצוני. באופן כללי, אם האלקטרודה הפניה הוכן כראוי, לא אמור כל בעיה המשויך את הידבקות של החומר למקטע שעברו שיטוח של הכבל. בכל מקרה, משך הזמן בין כאשר האלקטרודה הפניה היא להסיר מהתא הכנה, להשתמש בתא עבודה צריך להיות ממוזער. האלקטרודה הפניה לא מניחים על כל משטח או מותר לנוח מחוץ כמות משמעותית של זמן. מזעור מניפולציה של הכבל הוא אידיאלי, כי זה מונע בית בלק האצילי והעתיק ושבירת אפשרי של החוט.

שיקול חשוב נוסף כאשר בונים את התא מטבע שלוש-אלקטרודה היא איטום התא כראוי. מכיוון החוט דחוקה בין הכיפה את האטם, יש פוטנציאל פריצה קטנה בתא עשוי לאפשר חדירה אוויר או דליפה אלקטרוליט בתא. אם זה לא הוא לתקן, ניתן לראות עיוות מדידות עכבה, התא כולו עלול להיכשל בשל תגובות עם הסביבה, במיוחד לאחר תקופה ארוכה מחוץ בתא הכפפות אינרטי שבו זה מפוברק. בהליך בניית תאים, השימוש אפוקסי הלא מוליך היא חיונית, כי זה לגמרי חותמות התא מהסביבה שבחוץ. אחת תצפית מעניינת היא אם התא הוא מסולסל לא ללחץ גבוה מספיק, אפוקסי לא להקשיח כראוי יהיה לפעמים בועה למעלה. זה ייתכן שנגרמו על ידי האלקטרוליט רשעים למעלה ויש מעורבב עם האפוקסי, או את הלחץ הפנימי גבוה יותר של התא לאט דולף החוצה וגורם בועות לטופס. שים לב האפוקסי, הן במהלך והן לאחר חיסום, היה נספג בתוך האלקטרוליט, סימן ברור של כל תגובה נצפתה. אם משתמשים בו כראוי, התא אטום אפוקסי מותר לייבוש למשך תקופה מינימלית של 1 h בתוך הכפפות לפני ההסרה. לאחר מכן, אפוקסי יכולים להקשיח בסביבה אטמוספרית. בהתאם האפוקסי בשימוש, ייתכן שיחלפו 24 שעות או יותר אפוקסי לרפא לחלוטין, במהלך תהליך זה, התא צריך להיות מותר לנוח. בכל מקרה שבו התא לא אטום, או ההליך איטום אינה מספיקה, התא ידלוף לסביבה. אחרי כמה זמן, התא עשויים להתחיל לשנות את הצבעים. כמה דוגמאות של תאים גרוע אטום ניתן לראות באיור5.

כאשר בונים את התאים שלוש-אלקטרודה מטבע, צורת האלקטרודות המארח יכול להשפיע על הביצועים של התא. צורות אפשריות שונות ניתן לראות באיור4. במקרה האידיאלי, האלקטרודה ההפניה ימוקם במרכז האלקטרודות. כמה בעיות שעלולות להתרחש לערב של התפלגות לחץ לא אחיד בתוך התא בשל המיקום של האלקטרודה הפניה. בעיה נוספת היא כי קיומו של האלקטרודה הפניה בין האלקטרודות המארח יוצר גידול מלאכותיים עכבה התא, בשל העובדה כי ההפניה חוסם חלק של האזור אלקטרודה. כמה תצורות (איור 4C - 4F) ניסיון להפחית את הבעיה על-ידי גילוף את אזור קטן שבו ההפניה יכול לשבת. הבעיה היא כי זה מפחית את קיבולת תא וכן מציג את המורכבות בתהליך הייצור.

בעת התחברות התא 3-אלקטרודה למדידה בדיקות אלקטרוכימי, החיבור אל האלקטרודה הפניה יכול להיות מאוד רגיש בשל הקוטר הקטן של חוט הנחושת בשימוש. שים לב קוטר חוט חייב להיות קטן על מנת להפחית תופעות על הביצועים תא, אחד מהם יכול להיות סתימה של האזור בין אלקטרודה מישורי בשני הדיסקים. בשל רגישות חיבור זו, היא יתרון כדי לכופף סוף חוט הנחושת חשוף חזרה על עצמה מספר פעמים כדי להגדיל את שטח הפנים עבור התקשרות. אם זה לא נעשה, האלקטרודה הפניה עשוי להיראות להיות קיצרה או נכשלה, כאשר למעשה התא פועל כצפוי.

מגבלה אחת של שימוש תא מטבע שלוש-אלקטרודה היא כי התהליך כולו נעשה בעבודת יד. כמות מסוימת של תרגול נדרש בעת בניית תאים מטבע על מנת לייצר תוצאות עקבית ומהימנה. במקרה של תאונה הסטה של המיקום של הפניה אלקטרודה, אלקטרודה עבודה, ו/או של מונה אלקטרודה בתוך התא, עכבה קריאות פוטנציאליות עלולות להפוך מעוותת או לא מדויקים. זה לא פחות חשוב עבור התא הכנה כי המטרה של תא זה הוא פשוט להכין את ההפניה lithiation חלקית וכדי לקבוע את ערכו של המתח מישור (בדרך כלל ~1.565 V עבור האלקטרודות חומצה טיטנית ליתיום להשתמש בזה נוהל).

שיטה טובה אחת לקביעת הצלחתו של התא היא דרך התבוננות עכבה עיוות עבור האנודה. במקרה של תא אטום באופן לא תקין, או של יישור אלקטרודה המסכן, לולאות עכבה אינדוקטיבית נראים לעתים קרובות כאשר לוקחים את עכבה אנודת. לולאות אלו הם יותר קל להבחין מתי התא הוא לגמרי משוחררים (כלומר, כאשר התא בנוי קודם), אז הם יכולים להבדק לפני כל רכיבה על אופניים של התא. דוגמה אנודת ספקטרה עכבה עם העיוות הנוכחי מוצג באיור9.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

תמיכה כספית מהתוכנית שותפות מחקר באוניברסיטת טקסס מכשירים (TI) הוא הודה בהכרת תודה. המחברים גם בהכרת תודה להכיר את הסיוע של צ'ין-Fan חן מן האנרגיה, התחבורה מדעי מעבדה, הנדסת מכונות, טקסס A & M האוניברסיטה, במשך השלב ההתחלתי של עבודה זו.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Agate Mortar and Pestle VWR 89037-492 5 in diameter
Die Set Mayhew 66000
Laboratory Press MTI YLJ-12
Analytical Scale Ohaus Adventurer AX
High-Shear Mixing Device IKA 3645000
Argon-filled Glovebox MBraun LABstar
Hydraulic Crimper MTI MSK-110
Battery Cycler Arbin Instruments BT2000
Potentiostat/Galvanostat/EIS Bio-Logic VMP3
Vacuum Oven and Pump MTI -
Copper Wire Remington PN155 32 AWG
Glass Balls McMasterr-Carr 8996K25 6 mm borosilicate glass balls
Stirring Tube IKA 3703000 20 ml
Celgard 2500 Separator MTI EQ-bsf-0025-60C 25 μm thick; Polypropylene
Stainless Steel CR2032 Coin Cell Kit Pred Materials Coin cell kit includes: case, cap, PP gasket
Stainless Steel Spacer Pred Materials 15.5 mm diameter × 0.5 mm thickness
Stainless Steel Wave Spring Pred Materials 15.0 mm diameter × 1.4 mm height
Li-ion Battery Anode - Graphite MTI bc-cf-241-ss-005 Cu Foil Single Side Coated by CMS Graphite (241mm L x 200mm W x 50μm Thickness)
Li-ion Battery Cathode - LiCoO2 MTI bc-af-241co-ss-55 Al Foil Single Side Coated by LiCoO2 (241mm L x 200mm W x 55μm Thickness)
Polyvinylidene Difluoride (PVDF) Kynar Flex 2801
N-Methyl-2-Pyrrolidinone Anhydrous (NMP), 99.5% Sigma Aldrich 328634
CNERGY Super C-65 Timcal
Electrolyte (1.0 M LiPF6 in EC/DEC, 1:1 by vol.) BASF 50316366
Lithium Titanate (Li4Ti5O12) Sigma Aldrich 702277
KS6 Synthetic Graphite Timcal
Lithium Metal Ribbon Sigma Aldrich 320080 0.75 mm thickness
Epoxy Multipurpose Loctite
Electrical Tape Scotch 3M Super 88 
Isopropyl Alcohol (IPA), ACS reagent, ≥99.5% Sigma Aldrich 190764

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104 (10), 4271-4301 (2004).
  2. Schipper, F., Aurbach, D. A Brief Review: Past, Present and Future of Lithium Ion Batteries. Russian Journal of Electrochemistry. 52 (12), 1095-1121 (2016).
  3. Stein, M., Chen, C. F., Robles, D. J., Rhodes, C., Mukherjee, P. P. Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells. Journal of Visualized Experiments. (108), e53490 (2016).
  4. Juarez-Robles, D., Chen, C. F., Barsoukov, Y., Mukherjee, P. P. Impedance Evolution Characteristics in Lithium-Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 164 (4), 837-847 (2017).
  5. Wu, Q. W., Lu, W. Q., Prakash, J. Characterization of a commercial size cylindrical Li-ion cell with a reference electrode. Journal of Power Sources. 88 (2), 237-242 (2000).
  6. Wu, M. S., Chiang, P. C. J., Lin, J. C. Electrochemical investigations on advanced lithium-ion batteries by three-electrode measurements. Journal of the Electrochemical Society. 152 (1), 47-52 (2005).
  7. Jansen, A. N., Dees, D. W., Abraham, D. P., Amine, K., Henriksen, G. L. Low-temperature study of lithium-ion cells using a LiySn micro-reference electrode. Journal of Power Sources. 174 (2), 373-379 (2007).
  8. Belt, J. R., Bernardi, D. M., Utgikar, V. Development and Use of a Lithium-Metal Reference Electrode in Aging Studies of Lithium-Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 161 (6), 1116-1126 (2014).
  9. McTurk, E., Birkl, C. R., Roberts, M. R., Howey, D. A., Bruce, P. G. Minimally Invasive Insertion of Reference Electrodes into Commercial Lithium-Ion Pouch Cells. Ecs Electrochemistry Letters. 4 (12), 145-147 (2015).
  10. Garcia, G., Schuhmann, W., Ventosa, E. A Three-Electrode, Battery-Type Swagelok Cell for the Evaluation of Secondary Alkaline Batteries: The Case of the Ni-Zn Battery. Chemelectrochem. 3 (4), 592-597 (2016).
  11. Solchenbach, S., Pritzl, D., Kong, E. J. Y., Landesfeind, J., Gasteiger, H. A. A Gold Micro-Reference Electrode for Impedance and Potential Measurements in Lithium Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 163 (10), 2265-2272 (2016).
  12. Waldmann, T., et al. Interplay of Operational Parameters on Lithium Deposition in Lithium-Ion Cells: Systematic Measurements with Reconstructed 3-Electrode Pouch Full Cells. Journal of the Electrochemical Society. 163 (7), 1232-1238 (2016).
  13. Costard, J., Ender, M., Weiss, M., Ivers-Tiffee, E. Three-Electrode Setups for Lithium-Ion Batteries II. Experimental Study of Different Reference Electrode Designs and Their Implications for Half-Cell Impedance Spectra. Journal of the Electrochemical Society. 164 (2), 80-87 (2017).
  14. Dees, D. W., Jansen, A. N., Abraham, D. P. Theoretical examination of reference electrodes for lithium-ion cells. Journal of Power Sources. 174 (2), 1001-1006 (2007).
  15. Ender, M., Weber, A., Ivers-Tiffee, E. Analysis of Three-Electrode Setups for AC-Impedance Measurements on Lithium-Ion Cells by FEM simulations. Journal of the Electrochemical Society. 159 (2), 128-136 (2012).
  16. La Mantia, F., Wessells, C. D., Deshazer, H. D., Cui, Y. Reliable reference electrodes for lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications. 31, 141-144 (2013).
  17. Nakahara, K., Nakajima, R., Matsushima, T., Majima, H. Preparation of particulate Li4Ti5O12 having excellent characteristics as an electrode active material for power storage cells. Journal of Power Sources. 117 (1-2), 131-136 (2003).
  18. Shi, Y., Wen, L., Li, F., Cheng, H. M. Nanosized Li4Ti5O12/graphene hybrid materials with low polarization for high rate lithium ion batteries. Journal of Power Sources. 196 (20), 8610-8617 (2011).
  19. Dolle, M., Orsini, F., Gozdz, A. S., Tarascon, J. M. Development of reliable three-electrode impedance measurements in plastic Li-ion batteries. Journal of the Electrochemical Society. 148 (8), 851-857 (2001).
  20. Zaghib, K., Simoneau, M., Armand, M., Gauthier, M. Electrochemical study of Li4Ti5O12 as negative electrode for Li-ion polymer rechargeable batteries. Journal of Power Sources. 81, 300-305 (1999).
  21. 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), 1253-1260 (2014).

Tags

הנדסה גיליון 135 סוללת ליתיום-יון אלקטרודה 3 תאים הפניה אלקטרודה ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימי מטבע תא אלקטרוכימי analytics
3-אלקטרודה מטבע תא הכנה וניתוח Electrodeposition עבור סוללות ליתיום
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Minter, R. D., Juarez-Robles, D.,… More

Minter, R. D., Juarez-Robles, D., Fear, C., Barsukov, Y., Mukherjee, P. P. Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries. J. Vis. Exp. (135), e57735, doi:10.3791/57735 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter