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Preparazione delle cellule di tre elettrodi moneta e Analitica di elettrodeposizione per batterie agli ioni di litio

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

Cellule di tre elettrodi sono utili nello studio di elettrochimica di batterie agli ioni di litio. Una simile configurazione elettrochimica permette i fenomeni associati con il catodo e l'anodo essere disaccoppiato e esaminato in modo indipendente. Qui, presentiamo una guida per la costruzione e l'uso di una cella di tre elettrodi moneta con l'enfasi su litio analitica di placcatura.

Abstract

Come agli ioni di litio batterie trovano impiego in applicazioni di potenza e ad alta energia come in veicoli elettrici e ibridi elettrici, monitoraggio del degrado e problemi di sicurezza successive diventa sempre più importante. In una configurazione di cella agli ioni di litio, la misura della tensione tra i terminali positivi e negativi intrinsecamente include l'effetto del catodo e anodo che sono accoppiati e somma per la performance totale delle cellule. Di conseguenza, la possibilità di monitorare gli aspetti di degrado connessi con un elettrodo specifico è estremamente difficile perché gli elettrodi sono fondamentalmente accoppiati. Un programma di installazione di tre elettrodi può superare questo problema. Introducendo un terzo elettrodo (riferimento), l'influenza di ciascun elettrodo può essere separato, e la proprietà elettrochimiche può essere misurata in modo indipendente. L'elettrodo di riferimento (RE) deve avere un potenziale stabile che può quindi essere calibrato contro un riferimento noto, ad esempio, il litio metallico. La cella a tre elettrodi può essere utilizzata per eseguire prove elettrochimiche quali ciclismo, voltammetria ciclica e spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). Misure EIS cella tre elettrodi possono delucidare il contributo dell'impedenza degli elettrodi individuali alla cella completa. Inoltre, il potenziale dell'anodo di monitoraggio permette la rilevazione di elettrodeposizione a causa di placcatura di litio, che può causare problemi di sicurezza. Ciò è particolarmente importante per la carica rapida di batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici. Al fine di monitorare e caratterizzare gli aspetti di sicurezza e il degrado di una cella elettrochimica, un programma di installazione di tre elettrodi può rivelarsi prezioso. Questo libro intende fornire una guida alla costruzione di una configurazione di cella tre elettrodi moneta utilizzando l'architettura 2032-coin-cell, che è facile da produrre, affidabile e conveniente.

Introduction

Sebbene l'origine delle batterie al litio può essere fatta risalire arbitrariamente lontano nel passato, la produzione su larga scala e la commercializzazione di molti di odierni comunemente trovato al litio-ion cominciò nel 1980. Molti dei materiali sviluppati durante questa era, ad esempio ossido di litio e cobalto (LiCoO2), sono ancora comunemente in uso oggi1. Molti studi attuali sono stati concentrati verso lo sviluppo di varie altre strutture in ossido di metallo, con una certa enfasi posizionato verso riducendo o eliminando l'uso di cobalto al posto di altri costi inferiori e più ecocompatibili metalli, come manganese o nichel2. Il paesaggio varia continuamente dei materiali utilizzati nelle batterie agli ioni di litio necessita di un metodo efficace e accurato di caratterizzare le loro prestazioni e la sicurezza. Poiché il funzionamento di qualsiasi batteria comporta la risposta elettrochimica accoppiata di entrambi gli elettrodi positivi e negativi, tipici batterie di due elettrodi inferiori di essere in grado di caratterizzare gli elettrodi in modo indipendente. Povero caratterizzazione e la conseguente mancanza di comprensione può quindi portare a situazioni pericolose o scarse prestazioni batteria complessiva dovuta alla presenza di fenomeni di degrado. La ricerca precedente ha mirata a standardizzare le tecniche di lavorazione per le cellule tipiche di due elettrodi3. Un metodo che migliora le carenze delle configurazioni standard cella è la cella a tre elettrodi.

Un programma di installazione di tre elettrodi è un metodo per separare le risposte i due elettrodi e fornire una maggiore intuizione fisica fondamentale del funzionamento della batteria. In una configurazione a tre elettrodi, un elettrodo di riferimento è stato introdotto oltre il catodo e l'anodo. Questo elettrodo di riferimento viene quindi utilizzato per misurare il potenziale dell'anodo e catodo in modo dinamico durante il funzionamento. Nessuna corrente è passata attraverso l'elettrodo di riferimento e quindi, fornisce una singolare e idealmente stabile, tensione. Utilizzando un programma di installazione di tre elettrodi, la tensione di cella completa, il potenziale del catodo e il potenziale dell'anodo possono essere raccolti contemporaneamente durante il funzionamento. Oltre alle misure di potenziale, i contributi di impedenza degli elettrodi possono essere caratterizzati come una funzione dello stato cellulare di carica4.

Messe a punto tre elettrodi sono molto utili per studiare i fenomeni di degrado nelle batterie agli ioni di litio, ad esempio l'elettrodeposizione di litio metallico, noto anche come placcatura di litio. Altri gruppi hanno proposto tre elettrodi configurazioni5,6,7,8,9,10,11,12, 13 ma spesso usano il metallo di litio intrinsecamente instabile come riferimento e includono custom, difficile da assemblare configurazioni che conduce a riduzione dell'affidabilità. Litio placcatura avviene quando invece intercalanti nella struttura ospitante elettrodo, litio viene depositato sulla superficie della struttura. Questi depositi si supponga comunemente la morfologia di uno strato metallico (relativamente) uniforme (placcatura) o piccole strutture dendritiche. Placcatura può avere effetti che vanno dal causando problemi di sicurezza per ostacolare ciclismo prestazioni. Da una prospettiva fenomenologica, placcatura di litio si verifica a causa di un'incapacità di litio intercalano nella struttura ospitante dell'elettrodo in modo efficace. Placcatura tende a verificarsi a bassa temperatura, alta carica tasso, elettrodo alto stato di carica (SOC) o una combinazione di questi tre fattori12. A bassa temperatura, la diffusione allo stato solido all'interno dell'elettrodo è ridotto, a causa della dipendenza di diffusività Arrhenius dalla temperatura. La minore diffusione allo stato solido si traduce in un accumulo di litio all'interfaccia elettrodo-elettrolita e una successiva deposizione del litio. A un alto tasso di ricarica, si verifica un fenomeno simile. Il litio tenta intercalano nella struttura dell'elettrodo molto rapidamente ma è impossibile e così è placcato. A un più alto SOC, c'è in media meno spazio libero per il litio alla intercalare nella struttura, e così diventa più favorevole a depositare sulla superficie.

Dendriti di litio sono di particolare importanza a causa della preoccupazione di sicurezza che provocano. Se dendriti si formano all'interno di una cella, c'è un potenziale per loro di crescere, perforare il separatore e causare un corto circuito interno tra l'anodo e il catodo. Questo breve interno può portare a temperature molto alta-localizzato nell'elettrolita infiammabile, spesso con conseguente instabilità termica e anche in un'esplosione della cella. Un altro problema correlato alla formazione di dendrite è alla superficie maggiore di litio reattiva. Il nuovo deposito litio reagisce con l'elettrolita e causare la formazione di interfase (SEI) aumentato elettrolita solido, che porterà alla perdita di capienza aumentata e scarse prestazioni in bicicletta.

Una questione connessa con la progettazione di un sistema a tre elettrodi è la scelta dell'elettrodo di riferimento appropriato. Logistica relative alla posizione e alle dimensioni di riferimento, gli elettrodi positivi e negativi possono giocare un ruolo importante nell'acquisizione di risultati accurati dal sistema. Un esempio è che il disallineamento degli elettrodi positivi e negativi durante la costruzione della cella e i conseguenti effetti di bordo può introdurre un errore nel riferimento alla lettura14,15. In termini di scelta dei materiali, l'elettrodo di riferimento deve avere una tensione stabile ed affidabile e hanno un'alta polarizzabilità di non. Al litio-metallo, che è spesso usato come un elettrodo di riferimento di molti gruppi di ricerca, ha un potenziale che dipende la pellicola superficiale passiva. Questo può produrre problemi perché puliti ed elettrodi di litio invecchiato visualizzare diverse potenzialità16. Questo diventa un problema quando vengono studiati gli effetti di invecchiamento a lungo termine. Ricerca di Solchenbach et al ha tentato di eliminare alcuni di questi problemi di instabilità di lega oro con litio e usandolo come loro riferimento11. L'altra ricerca ha esaminato diversi materiali tra cui titanato di litio, che è stato studiato sperimentalmente e Mostra una vasta gamma potenziale elettrochimico di altopiano intorno 1.5-1.6 V17 (~ 50% SOC). Questo altopiano aiuta a mantenere un potenziale stabile, soprattutto in caso di perturbazione accidentale stato dell'elettrodo di carica. La potenziale stabilità del LTO, compresi gli additivi conduttivi a base di carbonio, è anche a diverse C-tariffe e temperature. 18 è importante sottolineare che la scelta dell'elettrodo di riferimento è un passo importante nella progettazione delle cellule tre elettrodi.

Molti gruppi di ricerca hanno proposto l'installazione sperimentale delle cellule di tre elettrodi. Dolle et al utilizzato cellule plastica sottile con un elettrodo di riferimento di litio titanato filo di rame per studiare i cambiamenti di impedenza a causa di ciclismo e stoccaggio a temperature elevate19. McTurk et al impiegato una tecnica per cui un filo di rame placcato al litio è stato inserito in una cella di busta commerciale, con l'obiettivo principale è di dimostrare l'importanza dell'inserimento non invadente tecniche9. Solchenbach et al. utilizzato un modificate Swagelok-tipo T-cell ed elettrodo d'oro micro-riferimento (menzionato in precedenza) per potenziali misure di impedenza e. 11 Waldmann et al raccolto elettrodi da celle commerciali ed ha ricostruito le proprie cellule di tre elettrodi sacchetto per uso nello studio di deposizione al litio12. Costard et al ha sviluppato un alloggiamento interno sperimentale a tre elettrodi cella per testare l'efficacia di riferimento diverso elettrodo materiali e configurazioni13.

La maggior parte di questi gruppi di ricerca utilizzare puro litio metallico come il riferimento, che può avere preoccupazioni con SEI crescita e stabilità, soprattutto con uso a lungo termine. Altri problemi comportano modifiche complicate e richiede molto tempo per configurazioni esistenti o commerciale. In questa carta, una tecnica affidabile ed economica per la costruzione di pile a bottone per prove elettrochimiche tre elettrodi dello Li-ione è presentata, come illustrato nella Figura 1. Questo programma di installazione di tre elettrodi possa essere costruito utilizzando componenti delle cellule moneta standard, filo di rame ed elettrodo di riferimento base di titanato di litio (Vedi Figura 2). Questo metodo non richiede attrezzature specializzate o modifiche elaborate e segue procedure elettrochimiche di scala di laboratorio standard e materiali da fornitori commerciali.

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Protocol

1. separatore preparazione ed elettrodo di riferimento

  1. Preparazione dell'elettrodo di riferimento
    1. Preparazione dei cavi
      1. Tagliare una lunghezza di 120 mm di filo di rame di dimensioni 32 AWG (0,202 mm di diametro) smaltato.
        Nota: Ogni filo diventerà 1 elettrodo di riferimento e verrà utilizzato all'interno di 1 cella a tre elettrodi.
      2. Inserire un'estremità del filo in una pressa di laboratorio. Premere delicatamente circa 10 mm di filo ad una estremità ad una pressione di circa 4 MPa. Tagliare il filo in eccesso fuori la punta del filo in modo che la sezione appiattita è ~ 2 mm di lunghezza.
        Nota: Lo spessore medio della punta è circa 0,1 mm. fare attenzione non piegare la punta appiattita come esso può fatica e rompere.
      3. Posizionare il filo su un tagliere di politetrafluoroetilene (PTFE). Utilizzare con attenzione un bisturi per rimuovere l'isolamento esterno sulla punta del filo appiattito. Assicurarsi di rimuovere l'isolamento da entrambi i lati; il prodotto finale dovrebbe essere una sezione piatta, splendente di rame esposto.
      4. Pesare il filo utilizzando una scala di laboratorio.
        Nota: Questa massa verrà utilizzata dopo il liquame è stato lanciato per determinare l'esatta quantità di materiale attivo presente in ogni elettrodo di riferimento.
      5. Ripetere i passaggi 1.1.1.1 - 1.1.1.5 per un tipico batch size 36 fili. Posizionare i cavi su un ricettacolo per l'archiviazione. Una buona opzione è su nastro i fili attorno al bordo di un piccolo vaso di vetro.
    2. Preparazione di liquami
      1. Preparare la soluzione 10%-WT polivinilidene fluoruro (PVDF) N-metil-2-pirrolidinone (NMP).
        1. Utilizzando una carta di pesare rettangolare piccola, una paletta di acciaio inox e scala di laboratorio, misurare la massa desiderata (il PVDF 0,1 g) di polvere.
        2. Trasferire la polvere PVDF dalla carta pesare in una bottiglia di plastica da 500 mL. Misurare e trasferire la massa adeguata di liquido NMP (0,9 g) nella bottiglia utilizzando una pipetta di laboratorio 1-mL-capacità.
        3. Inserire una barra magnetica mescolando la soluzione; Posizionare la bottiglia su una piastra di agitazione magnetica e lasciarlo mescolare a tempo indeterminato. Lasciare la soluzione a mescolare per almeno 24 ore prima del primo utilizzo. Si consiglia di preparare la soluzione PVDF in massa per evitare di dover fare piccoli lotti per ogni batch di liquami.
      2. Prima di pesare qualsiasi più polvere, pulire lo scoop di acciaio inossidabile, il pestello e mortaio con alcool isopropilico per evitare qualsiasi contaminazione.
      3. Utilizzando una carta di pesare, scala di laboratorio e la paletta in acciaio inox, dosare la giusta quantità (0,8 g) di polvere (Li4Ti5O12) titanato di litio. Trasferire con cautela la polvere al mortaio e pestello. Dopo l'uso, pulire lo scoop con alcool isopropilico.
      4. Allo stesso modo, pesare la quantità appropriata (0,03 g) di grafite sintetica KS-6 e additivo conduttivo (0,09 g). Trasferire con cautela la polvere nella stessa mortaio e pestello. Pulire lo scoop con alcool isopropilico come prima.
      5. Mescolare leggermente le tre polveri nel mortaio fino a quando essi diventano uniformemente dispersi. Macinare il mix di polvere con il pestello fino a quando il composto non diventa omogeneo. Trasferire con cautela il mix di polvere ad un tubo di miscelazione monouso 20 mL.
        Nota: Questo servirà come un recipiente di miscelazione high shear per garantire la distribuzione omogenea di tutti i materiali all'interno del liquame.
      6. Aggiungere la quantità appropriata di NMP (2,2 mL) al tubo di miscelazione mediante una pipetta di laboratorio. Aggiungere sedici palle di miscelazione in vetro silicato diametro 6 mm e avvitare il tappo. Posizionare il tubo di miscelazione sul dispositivo di miscelazione high shear, blocco il tubo nel posto e mescolare l'impasto per 15 min l'impostazione massima (circa 6000 giri/min).
      7. Aggiungere 0,8 g di soluzione PVDF (preparata precedentemente nel passaggio 1.1.2.1) il tubo di miscelazione. Continuare a mescolare l'impasto per un altro 5 min assicurare una distribuzione uniforme del legante. Avviare immediatamente i residui i fili. Se il liquame si siede per più di 5 minuti, mescolare l'impasto per un ulteriore 15 min prima dell'uso, per garantire una miscela omogenea.
    3. Casting e asciugatura dell'elettrodo di riferimento
      1. Attingere a mano il rame esposto, sulla punta di ogni elettrodo di riferimento, i liquami misti. In alternativa, goccia-cast del liquame da una pipetta sul filo suggerimento. Assicurarsi di ricoprire solo la sezione appiattita, esposta di filo di rame.
      2. Fissare i cavi RE cast a una base con la fine di cast sospesa per l'essiccazione. Il cast RE a un titolare per evitare il contatto del liquame bagnato con qualsiasi superficie del nastro (vedere la Figura 3un). Asciugare gli elettrodi per almeno 8 h in un forno di laboratorio a 70 ° C.
      3. Misurare la massa di elettrodi di riferimento dopo l'essiccazione e stimare la massa secca del liquame (sopra media 0,1 mg più di un 100 campioni).
      4. Trasferire gli elettrodi di riferimento in inerte argon vano portaoggetti per l'uso nel processo di produzione di celle.
  2. Preparazione dell'elettrodo catodo e anodo
    1. Selezionare l'elettrodo desiderata per essere studiato.
      Nota: Per questi test, fogli prefabbricati elettrodo verranno utilizzati per scopi dimostrativi. Utilizzabile anche elettrodi realizzati in-House o elettrodi raccolti dalle celle commerciali.
    2. Pugni un disco circolare di materiale del catodo utilizzando una fustella 1,27 cm (1/2-a). La forma del disco di elettrodo può essere modificata meccanicamente secondo il test desiderato (vedere la Figura 4). Pesare gli elettrodi e calcolare la percentuale di materiale attivo.
    3. Ripetere i passaggi da 1.2.1-1.2.2 per il materiale dell'anodo, e le altre celle desiderato. Inserire ogni disco elettrodo in un flaconcino di vetro piccolo e trasferire con cautela le fiale nel vano portaoggetti inerte argon dove verranno utilizzati durante il processo di costruzione delle cellule.
  3. Preparazione di separatore
    1. Piegate un pezzo di carta (22,6 cm x 28 cm / 8.5 in x 11 in) a metà nel senso della lunghezza. Tagliare circa un pezzo di 25 cm x 8,5 cm di separatore di polipropilene (PP) e inserirlo delicatamente dentro la carta piegata stampante.
      Nota: Il documento fornisce alcune rigidità e protezione quando il separatore è stato perforato a mano.
    2. Posizionare la carta e separatore sandwich sopra un tappetino di taglio autorigenerante. Ciò fornisce una superficie solida e contribuirà a evitare ottundimento della fustella. Utilizzando un 1,905-cm (3/4-a) fustella, pugno fuori un disco separatore circolare per ogni cella a tre elettrodi. Preparare i separatori in massa e memorizzarli in un flaconcino di vetro per un uso successivo.
    3. Inoltre, tagliare diverse piazzette di separatori di circa 5 mm x 8 mm; uno di questi separatori serviranno per ogni cella. Archiviare queste informazioni in una piccola fiala di vetro. Trasferire le fiale dei separatori nel vano portaoggetti inerte argon per uso nel processo di costruzione della cella.

2. costruzione della cella preparazione

  1. Preparare l'elettrodo di riferimento utilizzando un paio di pinze per piegare il filo in una forma a spirale (Vedi Figura 3b). Assicurarsi che la forma a spirale finale si inserisce all'interno della guarnizione della batteria (circa 1,58 cm di diametro). Posizionare ogni spirale di elettrodo in una barca di pesare piccole e metterle da parte.
    Nota: La spirale di filo supplementare fornisce stabilità e sarà anche essere spiegato e più tardi usato nella cella di lavoro.
  2. Pulire entrambi i lati di un nastro di metallo del litio usando un bisturi o una lama di rasoio. Raschiare eventuali ossidazioni superficiali fino a quando il litio splendente mostra attraverso. Assicurarsi di pulire entrambi i lati del litio. Prendere estrema cautela quando si utilizzano oggetti appuntiti all'interno del vano portaoggetti.
  3. Punch out due 1,58 cm (5/8-a) dischi per ogni cella nella barra multifunzione di litio puliti utilizzando la fustella.
  4. Posizionare un disco di litio al centro di un distanziatore in acciaio inox 0,5 mm. Premere il litio metallico con il distanziale saldamente insieme; in genere, sarebbe sufficiente una pressione del pollice. Assicurarsi che il disco di litio bastoni al distanziale.
  5. Posto il caso di cella di moneta all'interno di un piccolo peso barca. Montare il secondo disco di litio all'interno della cassa del cellulare di moneta. Assicurarsi che il litio è centrato e premere saldamente in modo che il litio si attacca alla parte inferiore del caso. Mettere alcune gocce dell'elettrolito [1,0 M LiPF6 in CE/DEC (1:1 in volume)] sul disco al litio e alcune gocce intorno al bordo del litio per colmare il vuoto esterno.
    Nota: Se insufficiente elettrolita viene aggiunto, sarà bolle sotto il separatore e all'interno della cellula, che è indesiderabile.
  6. Posto uno 1,905-cm (3/4-a) PP separatore in cima il disco al litio bagnate. Assicurarsi che il separatore è completamente bagnato e non ci sono nessun bolle intrappolato sotto. Posizionare la guarnizione nella cella con il labbro di guarnizione rivolto verso l'alto; Questo labbro è dove sarà posto il tappo in. Premere con forza per inserire la guarnizione nel caso.
  7. Usando un paio di pinzette di plastica, posizionare delicatamente la spirale di elettrodo di riferimento al centro della cella. Aggiungere poche gocce di elettrolito intorno all'elettrodo di riferimento. Inserire un separatore piccolo, rettangolo in cima dove il filo attraversa sopra la guarnizione e il caso delle cellule.
    Nota: Il separatore consente di evitare il corto circuito tra il filo e il tappo di metallo delle cellule.
  8. Posizionare un 1,58 cm (5/8-a) separatore in cima la spirale di elettrodo di riferimento. Assicurarsi che il separatore sia completamente bagnato e che non ci siano bolle intrappolate sotto. Inserire il disco di litio-distanziale in cima l'elettrodo di riferimento, con il lato rivestito di litio rivolta verso il basso.
  9. Posizionare la molla di onda sopra il distanziatore. Assicurarsi che tutti i componenti sono centrati all'interno della cellula. Riempire la cella fino all'orlo con l'elettrolito. Quando la cella è aggraffata, l'elettrolita supplementare sarà spremuto fuori.
  10. Con attenzione utilizzando pinzette di plastica, posizionare il tappo di cella in cima l'assembly. Premere saldamente al sedile il tappo nel labbro della guarnizione. Piegare il filo elettrodo di riferimento tale che essa adagiata sopra la parte superiore del tappo. Questo viene fatto per assicurarsi che il filo non è tagliato corto quando la cella di piegatura (Vedi Figura 2).
  11. Trasferire con cautela la cella al dispositivo moneta-cella-aggraffatura utilizzando pinzette in plastica. Durante il trasporto, tenere la cella piana per evitare la perdita di eventuali ulteriore elettrolita. Crimpare la pila a circa 5 MPa (750 psi).
  12. Rimuovere la pila dal piegatore e piegate il filo esposto backup allontanandola dalla parte superiore della cella. Si tratta di evitare qualsiasi possibile corto circuito tra la PAC e l'elettrodo di riferimento.
  13. Rimuovere la pila completato dalla guantiera di Argon. Utilizzando alcool isopropilico e un tergicristallo attività privo di lanugine, pulire accuratamente l'esterno delle cellule. Fare attenzione a non disturbare il filo o la posizione dove il filo esce dalla cella.
  14. Sigillatura delle cellule
    1. Asciugare accuratamente la pila utilizzando un tergicristallo attività privo di lanugine. Prestare particolare attenzione ad asciugare la posizione dove il filo esce la pila.
    2. Mescolare parti uguali di resina e l'indurente per formare un resina epossidica non conduttivo. Con attenzione utilizzando uno stuzzicadenti o un piccolo dispositivo di sondaggio, applicare una piccola quantità di resina epossidica nella posizione in cui il filo esce la pila. Questa è la posizione dove la cella è più probabile una perdita.
    3. Consentire 1 h per la resina epossidica ad asciugare prima di collegare la pila per qualsiasi apparecchiatura di collaudo. Si noti che può richiedere fino a 24 h per la resina epossidica curare e per indurire completamente.
      Nota: Lo scopo della resina epossidica è di sigillare la cella (Vedi Figura 5) e non per fornire qualsiasi resistenza meccanica.

3. Lithiation procedura

  1. Configurazione della connessione
    1. Usando un accendino palmare, bruciare circa 2 cm di isolante all'estremità del cavo dell'elettrodo di riferimento sporgenti dalla cella; Questo è dove il filo si collegherà al dispositivo di test. Piegate il filo esposto su se stesso per migliorare la connessione quando ci si connette la cella a tre elettrodi per il test.
    2. Inserire un piccolo quadrato di nastro isolante (2 x 2 cm) nella parte superiore della custodia di moneta di cella; Ciò dovrebbe impedire qualsiasi contatto elettrico tra la parte superiore della cella moneta e titolare del cellulare di moneta. Posizionare la cella di preparazione nel supporto delle cellule.
      Nota: La parte superiore della cella deve essere isolato da qualsiasi connessione e parte inferiore della cella deve essere collegato alla lettura negativa sul supporto della cella.
    3. Utilizzando un morsetto a coccodrillo, collegare l'elettrodo di riferimento per la clip superiore sul supporto della cella (collegamento positivo).
      Nota: La cella deve essere impostare per testare con l'elettrodo di riferimento funge da elettrodo positivo e il disco di litio più basso (caso delle cellule) che agisce come l'elettrodo negativo.
  2. Tensione di taratura di riferimento
    1. Calcolare la quantità di materiale attivo presente per l'elettrodo di riferimento.
      Nota: Per una massa di tipiche Elettrodo di 0,1 mg e una composizione di materiale attivo di 80%, e questo viene fuori a 0,08 mg.
    2. Usando la massa di materiale attiva e la capacità specifica teorica di titanato di litio20, determinare la corrente appropriata per caricare il cellulare a C/16.
    3. Ciclo l'elettrodo di riferimento più volte all'interno della gamma di tensione appropriata (1.25-2.25 V vs Li/Li+) a C/16; Questa gamma cambiano a seconda dell'elettrodo di riferimento in uso. Prendere nota della tensione di riferimento di tensione altopiano, che dovrebbe verificarsi durante sia la carica e Scarica i processi.
      Nota: Per un elettrodo di Li4Ti5O12 questo valore è in genere circa 1,56 V vs Li/Li+.
    4. Registrare la tensione di riferimento e la cella corrispondente a cui è associato. Utilizzare successivamente questa tensione per calibrare il potenziale degli elettrodi quando utilizzato in una cella di lavoro.
    5. Riposare la cella per 24 h e monitorare che il potenziale di elettrodo di riferimento è costante.
    6. Trasferire la cella litiata nell'ambiente inerte argon per uso nella costruzione di cella di lavoro. Evitare ogni possibile contatto tra l'elettrodo di riferimento e il tappo o il caso di cella; Questo potrebbe a breve l'elettrodo di riferimento e alterare il suo potenziale.

4. costruzione della cella di lavoro

  1. Posto il caso di cella di moneta all'interno di un piccolo peso barca. Inserire il disco di catodo al centro del caso delle cellule. Inserire alcune gocce dell'elettrolito DEC sul catodo e alcune gocce intorno al bordo per colmare il vuoto esterno.
  2. Posto uno 1,905-cm (3/4-a) separatore in cima l'elettrodo. Assicurarsi che il separatore sia completamente bagnato e che non ci siano bolle intrappolate sotto. Posizionare la guarnizione con il piccolo labbro per il tappo della cella verso l'alto. Premere con forza per inserire correttamente la guarnizione nel caso. Mettere da parte l'Assemblea di cellula di moneta e individuare la cella di preparazione litiati.
  3. Estrazione dell'elettrodo di riferimento litiati
    1. Applicare un piccolo quadrato di nastro isolante nella parte superiore della cella litiati preparazione. Questo aiuta a prevenire un cortocircuito tra la custodia e un coperchio durante lo smontaggio.
    2. Tenere saldamente, la cella di preparazione con il lato di tappo rivolto verso l'alto, utilizzando la pinza dal naso sottile. Fare attenzione a non breve la cella con le pinze del metallo. Utilizzare le pinze di fine-taglio per aprire con attenzione, ma con fermezza, la pila lungo il bordo. Fare attenzione a non breve parte superiore e inferiore della cella con le pinze del metallo.
    3. Una volta che circa il 70% della cella è stato curiosato aperto, tenere il caso con le pinze di fine-taglio e attentamente separare il caso delle cellule e tappo utilizzando le pinze dal naso sottile. Estrarre delicatamente l'elettrodo di riferimento litiati. Scartare le altre componenti delle cellule.
  4. Utilizzando un paio di pinze, raddrizzare il filo elettrodo di riferimento a forma di spirale e raddrizzare. Re-piegare il filo in modo tale che la punta si trova al centro dell'elettrodo e il filo si estende oltre il bordo della cella. Tagliare il filo esposto, non isolato.
  5. Aggiungere poche gocce di elettrolito su e intorno all'elettrodo di riferimento. Posto un separatore piccolo, rettangolare sulla parte superiore dove il filo attraversa sopra il caso delle cellule e guarnizione. Questo aiuta a prevenire un cortocircuito tra il filo e la cassa del metallo e cappuccio.
  6. Posizionare un 1,58 cm (5/8-a) separatore in cima l'elettrodo di riferimento; Questo aiuta a prevenire un cortocircuito tra l'elettrodo di riferimento e l'anodo. Posizionare il disco di preparato anodo in cima l'elettrodo di riferimento nella cella. Prendersi cura di allineare correttamente la forma del catodo con quello dell'anodo.
    Nota: La punta dell'elettrodo di riferimento dovrebbe essere al centro e il filo deve uscire nello spazio rettangolare.
  7. Posizionare il distanziale in acciaio inox 1,0 mm in cima l'anodo. Posizionare la molla di onda sopra il distanziatore. Assicurarsi che tutti i componenti sono centrati nella cella. Riempire la cella fino all'orlo con l'elettrolito.
  8. Con attenzione utilizzando pinzette di plastica, posizionare il tappo di cella in cima l'assembly. Premere saldamente al sedile il tappo nel labbro della guarnizione. Piegare con attenzione il filo rimanente indietro sopra il tappo di cella prima della piegatura. Ciò impedisce che il filo venga tagliato durante la pressatura.
  9. Trasferire con cautela la cella per il dispositivo di piegatura del cellulare moneta utilizzando un paio di pinzette in plastica. Quando si trasferisce la cella, tenerlo piatto per evitare la perdita di elettrolita ulteriore. Crimpare il cellulare a circa 5 MPa (750 psi).
  10. Rimuovere la pila dal vano portaoggetti Argon. Pulire accuratamente la cella utilizzando alcool isopropilico e un tergicristallo attività privo di lanugine.
  11. Sigillatura delle cellule
    1. Asciugare accuratamente la pila utilizzando un tergicristallo attività privo di lanugine. Prestare particolare attenzione ad asciugare la posizione dove il filo esce la pila.
    2. Mescolare parti uguali di resina e l'indurente per formare un resina epossidica non conduttivo. Con attenzione utilizzando uno stuzzicadenti, applicare una piccola quantità di resina epossidica nella posizione in cui il filo esce la pila. Questa è la posizione dove la cella è più probabile una perdita.
    3. Consentire 1 h per la resina epossidica ad asciugare prima di collegare la pila per qualsiasi apparecchiatura di collaudo.
      Nota: Può richiedere fino a 24 h per la resina epossidica curare e per indurire completamente. Tuttavia, lo scopo della resina epossidica qui è per sigillare la cella e non per fornire qualsiasi resistenza meccanica.

5. elettrochimica test

  1. Prestazioni e ciclismo
    1. Calcolare la capacità teorica per elettrodi il catodo e l'anodo.
      1. Utilizzando il peso totale a secco del disco dell'elettrodo, la massa del substrato alluminio/rame e la percentuale in peso del materiale attivo, determinare la massa del materiale attivo presente per ogni elettrodo.
      2. Determinare la capacità di ciascun elettrodo moltiplicando la massa del materiale attivo dalla sua rispettiva capacità teorica. Utilizzando la capacità di elettrodo più limita (in genere il catodo), determinare la capacità complessiva della cella.
    2. Collegare la cella per il dispositivo di misurazione elettrochimico, facendo attenzione a collegare il potere positivo e positivo sensore al catodo e il potere negativo e il sensore verso l'anodo. Collegare il riferimento per l'elettrodo di riferimento tramite il filo di rame (Vedi Figura 6b).
    3. Ricontrolla che il cellulare sia collegato e funziona correttamente controllando la tensione a circuito aperto e le potenzialità. Utilizzare la tensione di riferimento registrata durante la procedura di lithiation per calibrare le letture di potenziale catodo e anodo.
    4. Ciclo completa cella alla C-velocità desiderata, ad esempio C/10 e misurare le potenzialità delle cellule, catodo e anodo complete contemporaneamente. Ripetere i passaggi 5.1.1 - 5.1.4 per altre cellule e C-tariffe come desiderato, a seconda delle specifiche e requisiti per ogni cella.
  2. Spettroscopia di impedenza elettrochimica
    1. Impedenza della cella completa
      1. Collegare la cella per il dispositivo di misurazione di EIS. Utilizzare la seguente configurazione: il potere positivo e positivo sensore per il catodo, il potere negativo e negativo sensore all'anodo.
        Nota: Il sensore di riferimento dovrebbe essere collegato all'anodo. L'elettrodo di riferimento dovrebbe rimanere disconnesso.
      2. Selezionare il controllo potenziostatica per EIS con un'ampiezza di 10 mV. Selezionare un intervallo di frequenza di 1 MHz a 1 mHz. Raccogliere l'impedenza della cella completa. Tracciare un diagramma di Nyquist e Bode plot per analizzare la risposta della cellula.
        Nota: La gamma di frequenza potrebbe non essere sempre necessaria e può essere modificata dopo aver raccolto i risultati preliminari.
    2. Impedenza del catodo
      1. Collegare la cella per il dispositivo di misurazione di EIS con il seguente: il potere positivo e positivo per il catodo, il potere negativo e negativo sensore all'anodo e il sensore di riferimento per l'elettrodo di riferimento tramite il filo di rame.
      2. Ripetere la stessa procedura per quanto riguarda l'impedenza della cella completa (passaggi 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    3. Impedenza dell'anodo
      1. Collegare la cella per il dispositivo di misurazione di EIS con il seguente: il potere positivo e positivo per l'anodo, il potere negativo e negativo sensore al catodo e il sensore di riferimento per l'elettrodo di riferimento tramite il filo di rame.
      2. Ripetere la stessa procedura per quanto riguarda l'impedenza della cella completa (passaggi 5.2.1.2 - 5.2.1.3).
    4. Impedenza in funzione dello stato di carica
      1. Collegare la cella per il dispositivo di misurazione di EIS secondo la misura di impedenza desiderata: cellulare completo, catodo o anodo. Attenersi alla procedura 5.2.1.1, 5.2.2.1 o 5.2.3.1, rispettivamente, per la connessione appropriata.
      2. Caricare la cella utilizzando una corrente costante a C/2 fino a quando la cella raggiunge il limite di tensione superiore. Tenere la tensione al limite superiore utilizzando un metodo di controllo di tensione costante fino a quando le gocce di corrente applicate sotto C/100. La cella ora deve essere completamente carica.
      3. Scarico la cella C/2 per 3 min; la cella dovrebbe essere al 90% Soc. Consenti la cella a riposare per 1 ora per raggiungere condizioni di equilibrio termico ed elettrochimica.
      4. Raccogliere l'impedenza utilizzando la stessa procedura presentata nei passaggi 5.2.1.2 - 5.2.1.3. Ripetere i passaggi 5.2.4.3 e 5.2.4.4 per raccogliere l'impedenza in funzione del SOC.

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Representative Results

I risultati tipici per la tensione e profili di potenziale per la cella a tre elettrodi possono essere visto nella Figura 7. In un'installazione ideale, la tensione di cella completa dovrebbe essere identica a quello prodotto da una cella di due elettrodi utilizzando la stessa coppia di elettrodi. Si tratta di un metodo per determinare se l'inserimento dell'elettrodo di riferimento consente di modificare le prestazioni della cella. Se c'è una differenza significativa tra le prestazioni di due e tre elettrodi completo delle cellule (per lavoro identico e gli elettrodi contatore), quindi si può presumere che l'inserimento dell'elettrodo di riferimento modifica il comportamento della cellula e i risultati sono non è più significativo.

Durante il processo di carica al litio si muove dal catodo all'elettrodo anodo. Come litio viene rimossa dalla microstruttura del catodo, suo potenziale rispetto Li/Li+ aumenta. Il contrario si verifica con l'anodo, come la struttura è continuamente riempita con litio. Durante la Scarica, si verifica la situazione inversa. Questi cambiamenti nel potenziale si riflettono nei profili potenziali tre elettrodi, che possono essere visto nella Figura 7.

Un potente risultato dell'installazione tre elettrodi cella è la rilevazione dell'inizio di placcatura di litio. Figura 8 Mostra un esempio di un profilo di potenziale anodo durante la ricarica rapida di una cella di moneta. Dalla porzione ingrandita della trama, si vede che l'anodo potenziale raggiunge valori negativi verso la fine del CC il processo di carica. Questo è indicativo della presenza di litio placcatura nella cella. Questa misura non è possibile quando si utilizza una configurazione di due elettrodi standard.

I risultati di impedenza per l'installazione di tre elettrodi sono riportati nella Figura 9. Una risposta di impedenza tipica è costituito da tre regioni caratteristiche: un semicerchio ad alta frequenza, un semicerchio di media frequenza e una coda di diffusione di bassa frequenza. L'intercetta di Re(Z) della trama, i raggi dei semicerchi e la pendenza della coda diffusione può essere utilizzato per caratterizzare i fenomeni elettrochimici importanti che si verificano all'interno della cellula.

Un altro uso potente dello strumento tre elettrodi è caratterizzazione dell'impedenza in funzione dello stato di carica. Questa impedenza può essere correlata a vari fenomeni di degradazione, tra cui l'elettrodeposizione di litio. Figura 10 Mostra un esempio di spettri di impedenza raccolti per il cellulare completo, catodo e anodo per una cella singola moneta. L'impedenza di evoluzione può essere utilizzato per caratterizzare i singoli contributi di impedenza degli elettrodi della cella che SOC sta cambiando. Per l'anodo, l'impedenza può essere correlata a vari fenomeni di degradazione, compresa la crescita dello strato SEI e formazione di placcatura e dendrite di litio. Misure di impedenza distorta inclusi loop induttivo (vedere Figura 11) possono essere correlate a due diversi fattori. Una cattiva tenuta della cella insieme a fuoriuscita di elettrolita (Vedi Figura 5) può indurre una risposta di impedenza induttiva. La forma dell'elettrodo e la posizione della punta dell'elettrodo di riferimento (Vedi Figura 4) può anche indurre loop induttivi sull'impedenza risposta21.

Il comportamento dei potenziali individuali elettrodo utilizzabile per fornire analisi, che non è disponibile in configurazioni di due elettrodi tradizionali. Ad esempio, regioni di altopiano nel profilo del potenziale possono rappresentare cambiamenti di fase nella struttura dell'elettrodo. Questi cambiamenti di fase possono essere confermati con analisi elettrochimica aggiuntive, quali voltammetria ciclica. Inoltre, il valore dell'anodo potenziale può essere utilizzato in combinazione con altri metodi per determinare litio placcatura, che si verifica quando il potenziale dell'anodo ha raggiunto un valore inferiore a 0,0 V vs Li/Li+.

Figure 1
Figura 1 . Installazione in-House tre elettrodi cellula. (un) questo pannello mostra una fotografia di una completato tre elettrodi a bottone. (b) questo pannello mostra una vista esplosa delle componenti delle cellule interne. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 . Tre elettrodi a bottone che mostra il punto di ingresso dell'elettrodo di riferimento, come pure il layout interno. Si noti che in questa figura, il tappo è trasparente e la molla di onda (non mostrata) si trova appena sopra il distanziatore superiore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 . Configurazione degli elettrodi di riferimento. (un) questo pannello mostra un batch di elettrodo di riferimento registrato a un elemento di supporto (ad es., contenitore di vetro pulito) con le estremità rivestite sospese per l'essiccazione. I pannelli seguenti mostrano riferimento elettrodo configurazioni corrispondenti a (b) la situazione subito dopo l'elettrodo casting su un filo, (c) l'uso in una preparazione delle cellule e (d) l'uso in una cella di lavoro. I pannelli non sono attratti a scala. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 . Vari elettrodi che sono possibili da utilizzare nella costruzione di pile a bottone a tre elettrodi. Questi pannelli mostrano (un) una spirale forma, (b), una centrale di riferimento, (c) un buco della serratura forma, forma (d), una fetta di pizza, (e) sul lato e (f) sul lato con un piccolo ritaglio circolare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 . Impropriamente sigillato pile a tre elettrodi, dimostrando la colatura e la reazione risultante dell'elettrolito con ambiente. In questa condizione, si consiglia di rimuovere la cella dal titolare, dal momento che l'elettrolito può arrugginire i terminali elettrici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Nella figura 6. Collegamento per la macchina di prova per misurare impedenza elettrochimica. Configurazioni di connessione vengono visualizzate per (un) un completo cell (ZF), (b) un catodo (ZC) e (c) un anodo (Z-A). Una performance e ciclismo della cella tre elettrodi può essere fatto utilizzando il collegamento del catodo mostrato nel pannello (b). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7 . Misure di tensione. Questi pannelli mostrano le misure di tensione per una completa (cellula di due e tre elettrodi) un anodo e un catodo durante (un) tensione costante di corrente, costante (CCCV) carica a C/10 e (b) costante corrente (CC) scarico a C/10. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8 . Negativo il potenziale dell'anodo durante la ricarica veloce. Questo pannello mostra un anodo negativo potenziali che si verificano durante la ricarica (1C-frequenza veloce) di una cella di tre elettrodi moneta, che indica l'eventuale presenza di placcatura di litio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9 . Risposta di impedenza. Questi pannelli mostrano la risposta di impedenza da utilizzando un analizzatore di risposta di frequenza per una cella completa, un catodo e anodo risultati (un) una gamma di frequenza completa e la fascia (b) una bassa frequenza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 10
Figura 10 . EIS. Questi pannelli mostrano il catodo di impedenza elettrochimica spettroscopia corrispondente a (un) la cellula completa, (b) e (c) misurazione anodo per una cella di tre elettrodi moneta come una funzione di SoC per favore clicca qui per vedere una più grande versione di questa figura.

Figure 11
Figura 11 . Distorsione di impedenza dell'anodo. Questa distorsione figura spettacoli anodo impedenza misurata per una cella di tre elettrodi moneta, probabilmente causata da entrambi un disallineamento tra l'elettrodo di riferimento all'interno della cellula o un improprio sealing della cella moneta vicino alla posizione di uscita del filo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Cella di pressione di piegatura svolge un ruolo importante nel tasso di successo della preparazione e celle di lavoro. Se la cella è aggraffata a una pressione troppo alta (> 800 psi), l'elettrodo di riferimento può diventare in cortocircuito con il tappo delle cellule dovuto il riferimento filo posizione-tra il tappo e la guarnizione. Si noti che il filo che attraversa questa interfaccia è un requisito per poter collegare l'elettrodo di riferimento lettura ad un dispositivo di misura esterno. Se la pressione è troppo bassa (< 700 psi), la cella può avere problemi con aggraffatura incompleto, che possono causare perdite elettrolitiche e penetrazione dell'aria dopo la cella viene rimosso dall'ambiente inerte argon. Si è constatato che circa 750 psi è la pressione ottimale per il crimpaggio della cella per evitare problemi di perdite o corto circuiti. Al fine di fornire ulteriori mezzi per prevenire questi problemi con un cortocircuito del cavo di riferimento, un passo fondamentale nel processo di costruzione è il separatore di quadrati aggiuntivo che viene posizionato lungo la guarnizione dove il filo attraversa il bordo della cella. Questo separatore fornisce un ulteriore strato isolante che aiuta a prevenire un cortocircuito interno. Inoltre, leggermente diverse pressioni aggraffatura possono essere richieste per la preparazione e la cella di lavoro. La cella di preparazione utilizza due batterie al litio vengono utilizzati dischi che sono significativamente più spesse di un elettrodo il cast su un metallo lamina-che la cella di lavoro.

Dopo il lithiation dell'elettrodo di riferimento nella cella preparazione, l'elettrodo di riferimento dovrà essere estratte e riutilizzato nella cella di lavoro. Durante questo processo, la cura estrema deve essere presa. In generale, se l'elettrodo di riferimento è stata preparata correttamente, dovrebbe non essere qualsiasi problema connesso con l'adesione del materiale alla sezione appiattita del filo. In ogni caso, la quantità di tempo tra quando l'elettrodo di riferimento è rimosso dalla cella preparazione e utilizzata nella cella di lavoro dovrebbe essere minimizzata. L'elettrodo di riferimento non deve essere appoggiato su qualsiasi superficie o lasciato riposare fuori per una notevole quantità di tempo. Riducendo al minimo la manipolazione del filo è ideale perché evita possibili affaticante e la rottura del filo.

Un'altra considerazione importante quando si costruisce la pila tre elettrodi sigilla la cella correttamente. Perché il filo è intramezzato fra il tappo e la guarnizione, c'è potenziale per una piccola falla nella cella che può consentire la penetrazione di aria o perdita dell'elettrolito nella cella. Se questo non è rettificato, distorsione può essere visto nelle misure di impedenza e l'intera cella potrebbe non riuscire a causa di reazioni con l'ambiente, soprattutto dopo un lungo periodo di fuori del vano portaoggetti inerte in cui è fabbricato. Nella procedura di costruzione delle cellule, l'uso della resina epossidica non conduttivo è vitale perché sigilla completamente la cellula dall'ambiente esterno. Un'osservazione interessante è che se la cella non vengano piegata ad una pressione abbastanza alta, non la resina epossidica si indurisce correttamente e saranno a volte bubble up. Questo può essere causato dall'elettrolito essere malvagio fino e miscelato con la resina epossidica, o la pressione interna superiore della cella lentamente fuoriuscita e causando bolle a forma. Si noti che la resina epossidica sia durante che dopo l'indurimento, intrisa di elettrolito e nessun segno evidente di qualsiasi reazione è stato osservato. Se usato correttamente, la cella a resina epossidica-sigillato dovrebbe poter asciugare per un minimo di 1 h all'interno del vano portaoggetti prima della rimozione. In seguito, la resina epossidica può indurire in un ambiente atmosferico. A seconda la resina epossidica utilizzata, potrebbe richiedere 24 ore o più per curare completamente la resina epossidica, e durante questo processo, la cella deve essere lasciata riposare. Nel caso in cui la cella non è sigillata, o la procedura di tenuta non è sufficiente, la cella verrà una perdita nell'ambiente. Dopo un po', la cella potrebbe iniziare a cambiare i colori. Alcuni esempi delle cellule mal sigillate possono essere visto nella Figura 5.

Quando si costruisce le pile di tre elettrodi, la forma degli elettrodi host può avere un'influenza sulle prestazioni della cella. Varie forme possibili possono essere visto nella Figura 4. In un caso ideale, l'elettrodo di riferimento dovrebbe essere posto al centro degli elettrodi. Alcuni problemi che possono verificarsi comportano una distribuzione irregolare della pressione all'interno della cellula a causa della posizione dell'elettrodo di riferimento. Un altro problema è che l'esistenza dell'elettrodo di riferimento tra gli elettrodi di host crea un aumento artificiale l'impedenza delle cellule, dovuto al fatto che il riferimento sta bloccando una porzione dell'area dell'elettrodo. Alcune configurazioni (Figura 4C - 4F) tentano di ridurre questo problema di ritagliarsi una piccola area in cui il riferimento può sedersi. Il problema è che questo riduce la capacità delle cellule come pure introduce complessità nel processo di fabbricazione.

Quando si collega la cella a tre elettrodi per la misurazione di test elettrochimica, la connessione per l'elettrodo di riferimento possa essere molto sensibile a causa del piccolo diametro del filo rame usato. Si noti che il diametro del filo deve essere piccolo al fine di ridurre eventuali effetti sulle prestazioni del cellulare, uno dei quali potrebbe essere un blocco della zona tra i due dischi di elettrodo planare. A causa di questa sensibilità di connessione, è vantaggioso per piegare l'estremità esposta del filo di rame su se stesso più volte per aumentare l'area per la connessione. Se ciò non avviene, l'elettrodo di riferimento sembra essere cortocircuitati o hanno fallito, quando in realtà la cella sta funzionando come previsto.

Una limitazione dell'utilizzo di una cella di tre elettrodi moneta è che l'intero processo è fatto a mano. Una certa quantità di pratica è necessaria nella costruzione di pile a bottone per produrre risultati coerenti e affidabili. In caso di spostamento accidentale della posizione dell'elettrodo di riferimento, elettrodo di lavoro, e/o elettrodo contatore all'interno della cellula, impedenza e potenziali letture possono diventare distorta o imprecise. Questo non è importante per la cella di preparazione perché l'obiettivo di questa cella è semplicemente per preparare il riferimento di lithiation parziale e per determinare il valore della tensione (in genere ~1.565 V per gli elettrodi di titanato di litio utilizzato in questo altopiano procedura).

Un buon metodo per determinare la riuscita della cella è attraverso l'osservazione di distorsione di impedenza per l'anodo. Nel caso di una cella non correttamente sigillata, o un allineamento di povero elettrodo, loop induttivo di impedenza sono spesso visti quando prendendo l'impedenza dell'anodo. Questi anelli sono più facilmente notato quando la cella è completamente scarica (cioè, quando la cella viene costruita), quindi può essere testati per prima qualsiasi ciclismo della cella. Nella Figura 9è riportato un esempio di spettri di impedenza dell'anodo con la distorsione presente.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Si ringraziano il sostegno finanziario del programma di partenariato di ricerca Università di Texas Instruments (TI). Gli autori riconoscono anche con gratitudine l'assistenza di Chen Chien-Fan, l'energia e trasporto Sciences Laboratory, ingegneria meccanica, Texas A & M University, durante la fase iniziale di questo lavoro.

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

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References

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