Waiting
Login processing...

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

Engineering

Üç elektrot madeni para hücre hazırlık ve Electrodeposition analiz için lityum-iyon pil

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

Üç elektrot hücre Lityum-iyon piller elektrokimya okumak yararlı olur. Elektrokimyasal bir Kur decoupled ve bağımsız olarak muayene için anot ve katot ile ilişkili olayları sağlar. Burada, analytics kaplama Lityum vurgu ile inşaat ve üç elektrot madeni para hücre kullanımı için bir rehber mevcut.

Abstract

Elektrik ve hibrid elektrikli araçlarda bozulması ve sonraki güvenlik sorunları izleme giderek önem kazanmaktadır gibi yüksek enerji ve güç uygulamaları, Lityum-iyon pil kullanımı bulabilirsiniz. Li-iyon hücre Kur gerilim ölçüm pozitif ve negatif terminallerin arasında doğal olarak birleştiğinde etkisi anot ve katot ve sum Toplam hücresini performans için içerir. Buna göre elektrotlar temelde birleştiğinde çünkü belirli bir elektrot ile ilişkili bozulması yönleri izlemek için yeteneği son derece zordur. Üç elektrot Kur bu sorunun üstesinden gelebilir. Üçüncü (başvuru) elektrot tanıtımı, elektroda etkisi decoupled ve elektrokimyasal özellikleri bağımsız olarak ölçülebilir. Referans elektrot (RE) sonra karşı bilinen başvuru, örneğin kalibre kararlı potansiyeli, Lityum metal olması gerekir. Üç elektrot cep bisiklet, çevrimsel voltammetry ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) gibi elektrokimyasal testleri çalıştırmak için kullanılabilir. Üç elektrot hücre EIS ölçümleri bireysel elektrot empedans tam hücreye katkısını aydınlatmak. Ayrıca, potansiyel anot izleme electrodeposition güvenlik endişeleri neden olabilir lityum kaplama nedeniyle algılanmasını sağlar. Bu hızlı elektrikli araçlar Li-iyon pil şarj etmek için özellikle önemlidir. İzlemek ve bir elektrokimyasal hücre Emanet ve yıkımı yönlerini karakterize için üç elektrot kurulum çok değerli kanıtlayabilirim. Bu kağıt üretmek kolay, güvenilir ve düşük maliyetli 2032-madeni para hücre mimarisi kullanarak üç elektrot madeni para hücre Kur oluşturma için bir rehber sunmayı amaçlamaktadır.

Introduction

Lityum piller kökeni keyfi çok geri geçmişe, büyük ölçekli üretim ve ticarileştirilmesi çoğunun bugünün yaygın olarak izlenebilmektedir rağmen bulunan lityum-iyon piller 1980'li yıllarda başladı. Birçok bir örnek olmak Lityum kobalt oksit (LiCoO2), bu döneminde geliştirilen malzemelerin kullanım bugün1' hala yaygın olarak bulunur. Birçok mevcut çalışmalar azaltılması veya diğer daha düşük maliyet ve daha çevre iyi huylu metaller, yerine kobalt kullanımı gibi ortadan kaldırarak doğru yerleştirilen bazı vurgu ile diğer çeşitli metal oksit yapıları geliştirilmesi odaklanmıştır Mangan veya nikel2. Lityum-iyon pilleri kullanılan malzemelerin sürekli olarak değişen manzara hem performans hem de Emanet karakterize bir etkili ve doğru yöntem gerektirir. Çünkü herhangi bir pil işleyişi ile birleştiğinde elektrokimyasal yanıt pozitif ve negatif elektrot içerir, tipik iki elektrot piller elektrotlar bağımsız olarak karakterize edememek kısa düşmek. Yoksul karakterizasyonu ve anlayış sonraki eksikliği sonra tehlikeli durumlar veya genel Pil performansının düşmesine olayları varlığı nedeniyle neden olabilir. Önceki araştırma amaçlı işleme teknikleri için tipik iki elektrot hücre3standartlaştırılması. Standart hücre yapılandırmaları eksiklikleri geliştirir bir yöntem üç elektrot hücredir.

Üç elektrot Kur iki elektrot yanıt decouple ve akü işlemi temel fizik içine daha fazla fikir sağlamak için bir yöntemdir. Üç elektrot kurulumunda bir referans elektrot anot ve katot ek olarak tanıtıldı. Bu referans elektrot daha sonra işlemi sırasında dinamik olarak anot ve katot potansiyelini ölçmek için kullanılır. Hiçbir geçerli referans elektrot geçirilir ve bu nedenle, bir tekil ve ideal olarak istikrarlı, gerilim sağlar. Üç elektrot kurulumu kullanarak, tam hücre voltajı, katot potansiyeli ve anot potansiyeli aynı anda işlem sırasında toplanabilir. Potansiyel ölçümleri yanı sıra elektrot empedans katkıları ücret4hücre durumunu bir fonksiyonu olarak karakterize edilebilir.

Üç elektrot kurulumları çok bozulma olayları Lityum-iyon pil, Lityum metal lityum kaplama olarak da bilinen, electrodeposition gibi çalışmak için yararlıdır. Diğer gruplar üç elektrot kurulumları5,6,7,8,9,10,11,12, teklif etmiş 13 ama genellikle doğal olarak kararsız lityum metal başvurmak ve özel, kurulumları için düşük güvenilirlik önde gelen bir araya zor içerir. Lityum kaplama gerçekleşir ana bilgisayar elektrot yapısına enterkalasyon ne zaman yerine, Lityum yapısı yüzeyde yatırılır. Bu mevduat yaygın morfolojisi (nispeten) Tekdüzen metalik katman (kaplama) veya küçük dendritik yapıları varsayıyorum. Kaplama performans Bisiklete binme engelleyen için güvenlik sorunları neden değişen etkileri olabilir. Fenomenolojik bir bakış açısından, lityum kaplama ana bilgisayar elektrot yapısına etkili bir şekilde intercalate için lityum bir yetersizliği nedeniyle oluşur. Kaplama oranı, şarj (SOC) durumunu yüksek elektrot veya bu üç faktör12bir arada şarj yüksek düşük sıcaklıkta meydana gelme eğilimi. Düşük sıcaklıkta, elektrot içinde katı hal difüzyon yüzünden sıcaklık Arrhenius Yayınım bağımlılığını da azalır. Alt katı hal difüzyon Lityum Elektrot-Elektrolit arayüzüne birikmesi ve lityum sonraki birikimi ile sonuçlanır. Bir yüksek şarj neyse, benzer bir fenomen ortaya çıkar. Lityum elektrot yapısına çok hızlı bir şekilde intercalate dener ama yapamaz ve böylece kaplama. Daha yüksek bir SOC ortalama Lityum yapıya intercalate için daha az kullanılabilir alan olduğunu ve böylece yüzeyde yatırmak için daha uygun olur.

Onlar neden emniyet endişe nedeniyle özellikle önem Lityum dendrites vardır. Eğer dendrites bir hücre içinde onları büyümek ve ayırıcı pierce anot ve katot arasında dahili bir kısa yol bir potansiyel vardır. Bu iç kısa kez termal kaçak ve hatta hücrenin bir patlama sonucu yanıcı elektrolit olarak sıcaklıklar çok yüksek lokalize yol açabilir. Dendrite oluşumu ile ilgili başka bir sorun reaktif Lityum artan yüzey alanıdır. Yeni yatırılan Lityum elektrolit ile tepki ve hangi-ecek götürmek artan kapasite kaybına ve zavallı Bisiklet performans için artan katı elektrolit Interphase (SEI), oluşmasına neden olur.

Üç elektrot sistem tasarımı ile ilgili bir sorun uygun referans elektrot seçimidir. Lojistik, konumu ve boyutu başvurusuna ilişkin pozitif ve negatif elektrotlar sisteminden doğru sonuçlar elde önemli bir rol oynayabilir. Pozitif ve negatif elektrot hücre İnşaat ve elde edilen kenar efektleri sırasında kayma hatası14,15okuma başvurusu tanıtabilirsiniz bir örnektir. Malzeme seçimi açısından referans elektrot istikrarlı ve güvenilir bir gerilim ve yüksek sigara polarizability. Genellikle bir referans elektrot birçok araştırma grupları tarafından kullanılır, Lityum metal pasif yüzey film üzerinde bağlıdır bir potansiyele sahiptir. Bu temizlenmiş çünkü sorunlar oluşturabilir ve farklı potansiyeller16yaşında Lityum elektrotlar görüntüler. Uzun vadeli yaşlanma etkileri incelendiği zaman bunu bir sorun haline gelir. Araştırma Solchenbach vd tarafından Bu istikrarsızlık konulardan bazıları Lityum ve11onların başvuru kullanma ile Alaşımlandırma altın tarafından ortadan kaldırmak çalıştı. Diğer araştırma deneysel eğitim gördü ve elektrokimyasal potansiyel Yaylası geniş çevresinde gösterir Lityum titanate dahil olmak üzere farklı malzeme baktı var 1,5-1,6 V17 (% ~ 50 SOC). Bu plato özellikle için şarj durumunu elektrot'ın yanlışlıkla pertürbasyon durumunda istikrarlı bir potansiyel korumaya yardımcı olur. LTO, karbon bazlı iletken katkı maddeleri de dahil olmak üzere potansiyel kararlılığını bile farklı C-fiyatlar ve sıcaklıklar korunur. 18 bu referans elektrot seçimi üç elektrot hücre tasarımında önemli bir adımdır vurgulamak önemli olan.

Birçok araştırma grupları deneysel üç elektrot hücre Kur önerdi. Dolle vd. ince plastik hücreleri ile lityum titanate bakır tel referans elektrot empedans Bisiklete binme ve depolama yüksek sıcaklıklar19nedeniyle değişimler çalışırdım. McTurk ve ark. nereye lityum kaplama bakır tel noninvaziv ekleme teknikleri9önemini göstermek için ana amaç ile ticari kese hücre eklenmiş bir tekniği istihdam. Solchenbach vd. değiştirilmiş bir Swagelok tipi T-hücre ve (daha önce de belirttiğimiz) altın bir mikro-referans elektrot empedans ve potansiyel ölçümleri için kullanılır. 11 Waldmann vd. ticari hücrelerden elektrotlar hasat ve kendi üç elektrot kese hücrelerine Lityum ifade12eğitim kullanmak için yeniden. Costard ve ark. farklı referans elektrot malzeme ve yapılandırmaları13etkinliğini test etmek için bir kurum içi deneysel üç elektrot hücre konut geliştirdi.

Bu araştırma grupların çoğu saf lityum metal özellikle uzun süreli kullanımı ile İstikrar ve SEI büyüme ile endişeleri olabilir, başvuru olarak kullanın. Diğer sorunlar karmaşık ve zaman alıcı değişiklikler varolan veya ticari kurulumları için içerir. Bu yazıda, Şekil 1' de gösterildiği gibi üç elektrot Li-Ion madeni para hücre elektrokimyasal testler için oluşturmak için bir güvenilir ve düşük maliyetli teknik sunulur. Bu üç elektrot Kur standart madeni para hücre bileşenleri, bakır tel ve lityum titanate tabanlı referans elektrot (bkz. Şekil 2) kullanarak oluşturulabilir. Bu yöntem does değil istemek herhangi bir özel ekipman veya ayrıntılı değişiklikler ve Standart laboratuvar ölçekli elektrokimyasal yordamlar ve malzemeleri ticari satıcıları tarafından takip eder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. referans elektrot ve ayırıcı hazırlık

  1. Referans elektrot hazırlık
    1. Tel hazırlık
      1. Bir 120 mm Uzunluk boyutu 32 AWG (0,202 mm çap) emaye bakır tel kesme.
        Not: Her tel 1 referans elektrot olacak ve 1 üç elektrot hücre içinde kullanılacak.
      2. Kablonun bir ucunu bir laboratuvar basında yer. Yavaşça yaklaşık 10 mm tel yaklaşık 4 MPa basınç için bir ucunda tuşuna basın. Böylece düzleştirilmiş Bölüm ~ 2 mm uzunluğunda tel ucu kapalı fazla kabloyu kesin.
        Not: Ucu ortalama kalınlığı olduğunu yaklaşık 0,1 mm. dikkatli ol değil düzleştirilmiş ipucu bu olarak eğmek için yorgunluk ve kopar.
      3. Tel politetrafloroetilin (PTFE) kesme tahtası üzerinde yerleştirin. Dikkatli bir neşter düzleştirilmiş tel ucunda dış yalıtım kaldırmak için kullanın. Her iki taraftan yalıtım kaldırdığınızdan emin olun; nihai ürün maruz kalan bakır düz, parlak bir bölümünü olmalıdır.
      4. Bir laboratuvar ölçeği kullanarak Tel tartın.
        Not: Bulamaç etkin malzeme her referans elektrot mevcut tam miktarını belirlemek için döküm sonra kullanılan bu kitle.
      5. Adımları 1.1.1.1 - 1.1.1.5 36 tel bir tipik toplu iş boyutu için yineleyin. Depolama için bir priz kabloları yerleştirin. Küçük bir cam kenarındaki tel bant iyi bir seçenektir.
    2. Bulamaç hazırlık
      1. N-metil-2-pyrrolidinone (NMP) % 10-wt polivinilidin florid (PVDF) çözümde hazırlayın.
        1. Küçük dikdörtgen tartmak kağıt kullanarak, bir paslanmaz çelik kepçe ve laboratuvar ölçekli PVDF toz (0,1 g) istenen kitle ölçmek.
        2. PVDF toz tartmak kağıttan bir 500 mL plastik şişe içine aktarın. Ölçmek ve NMP sıvı (0.9 g) uygun kütlesinin bir 1 mL kapasite laboratuvar pipet kullanarak şişe içine aktarmak.
        3. Manyetik karıştırma çubuğu çözüm içine ekleyin; şişe bir manyetik karıştırma tabağa yerleştirin ve süresiz olarak karıştırmayı bırak. İlk kullanımdan önce en az 24 saat için karıştırmak çözüm sağlar. PVDF çözüm her Bulamaç toplu işlemi için daha küçük toplu işlemleri yapmak zorunda kalmamak için toplu olarak hazırlamak için tavsiye edilir.
      2. Herhangi bir daha fazla toz tartma önce paslanmaz çelik kepçe, havaneli ve harç herhangi kirlenmesini önlemek için izopropil alkolle temizleyin.
      3. Tartmak kağıt kullanarak, laboratuvar ölçekli ve paslanmaz çelik kepçe Lityum titanate (Li4Ti5O12) toz uygun miktar (0.8 g) dışarı ölçmek. Dikkatle toz harç ve havaneli aktarın. Kepçe izopropil alkol ile kullanımdan sonra temiz.
      4. Benzer şekilde, uygun miktarda (0.03 g) (0.09 g) iletken katkı ve KS-6 sentetik grafit tartın. Dikkatle toz aynı harç ve havaneli aktarın. Kepçe önce izopropil alkolle temizleyin.
      5. Hafifçe harç üç tozlar mix düzgün dağınık haline kadar. Karışım homojen hale gelinceye kadar havaneli toz karışımının eziyet. Dikkatle toz karışımı bir 20 mL tek kullanımlık karıştırma tüp aktarın.
        Not: Bu Bulamaç içinde tüm malzemeleri homojen dağılımını sağlamak için bir yüksek-makaslama karıştırma gemi olarak görev yapacak.
      6. NMP (2,2 mL) uygun miktarda bir laboratuvar pipet kullanarak karıştırma tüp ekleyin. On altı 6 mm çaplı silikat cam karıştırma bayrak ekleyin ve kapağı üzerinde vidala. Karıştırma tüp yüksek-makaslama karıştırma aygıtı, tüpün içine yerleştirin ve bulamaç maksimum ayar (yaklaşık 6000 devir/dakika) üzerinde 15 dakika karıştırın kilit yerleştirin.
      7. (1.1.2.1. adımda hazırlanan) PVDF çözüm 0.8 g karıştırma tüp ekleyin. Bulamaç cildi eşit dağılımı sağlamak başka bir 5 min için karıştırma devam. Hemen Bulamaç teller döküm. Bulamaç 5 dk daha uzun süre kalırsa, bulamaç, homojen bir karışım sağlamak için kullanmadan bir ek 15 dk önce için karıştırın.
    3. Döküm ve referans elektrot kurutma
      1. El ile her referans elektrot ucundaki maruz kalan bakır karışık Bulamaç daldırma. Alternatif olarak, damla-döküm bir pipet tel üzerine gelen Bulamaç ipucu. Yalnızca düzleştirilmiş, maruz kalan bölümünü bakır tel kat emin olun.
      2. Oyuncular RE teller kurutma için askıya oyuncular ucuyla bir aşamaya iliştirin. YENİDEN atama için ıslak Bulamaç herhangi bir yüzey ile temasını engellemek için bir tutucu bant (bkz Şekil 3bir). Elektrotlar için en az 8 h 70 ° C'de bir laboratuvar fırında Kuru
      3. Referans elektrotlar kitle kuruduktan sonra ölçmek ve bulamaç (0.1 mg ortalama üzerinde daha fazla 100 örnek) kurutulmuş kitle tahmin ediyoruz.
      4. Üretim süreci hücredeki kullanım için etkisiz argon torpidoda içine referans elektrotlar transfer.
  2. Anot ve katot elektrot hazırlık
    1. Belirlenmesi için istenen elektrot seçin.
      Not: Bu testler için prefabrik elektrot sayfaları Gösterim amacıyla kullanılacaktır. Şirket içinde yapılan elektrotlar veya ticari hücrelerden hasat elektrotlar de kullanılabilir.
    2. Katot malzeme yumruk içi boş 1,27 cm (1/2-inç) kullanarak dairesel bir disk yumruk. Elektrot disk şekli mekanik olarak istenen testine göre değiştirilebilir (bkz. Şekil 4). Elektrotlar tartmak ve etkin malzeme yüzdesi hesaplamak.
    3. 1.2.1-1.2.2 anot malzeme için adımları yineleyin ve istediğiniz ek hücreleri. Küçük cam şişe her elektrot diski yerleştirin ve dikkatle şişeleri nerede hücre İnşaat sürecinde kullanılacak etkisiz argon torpidoda aktarın.
  3. Ayırıcı hazırlık
    1. Bir parça kağıda kat (22,6 cm x 28 cm / 8.5 x 11 içinde içinde) yarım boyuna. Yaklaşık 25 cm x 8,5 cm polipropilen (PP) ayırıcı bir parça kesti ve yavaşça katlanmış yazıcı kağıdı yerleştirin.
      Not: kağıt ayırıcı el ile yumruk attığında bazı koruma ve sertlik sağlar.
    2. Kağıt ve ayırıcı sandviç bir kendi kendini iyileştirme kesme mat üstüne yerleştirin. Bu sağlam bir yüzey sağlar ve içi boş yumruk uyuşturan kaçının yardımcı olacaktır. (3/4-inç) içi boş bir 1,905-cm punç kullanarak, her üç elektrot hücre için bir dairesel ayırıcı yuvarlak yüzey dışarı yumruk at. Ayırıcı toplu olarak hazırlamak ve onlara bir cam şişe daha sonra kullanmak üzere saklayın.
    3. Buna ek olarak, ayırıcılar yaklaşık 5 x 8 mm birkaç küçük kareler kesin; Bu ayırıcılar biri her hücre için kullanılacaktır. Bunlar küçük cam şişe içinde saklayın. Ayırıcılar şişeleri etkisiz argon torpidoda kullanılmak üzere hücre inşaat süreci içine aktarın.

2. hazırlık hücrenin inşası

  1. Referans elektrot tel spiral şekil eğmek için pense kullanarak hazırlayın (bkz: Şekil 3b). Son spiral şekil madeni para hücre (yaklaşık 1.58 cm çapında) conta içinde uyacak emin olun. Her elektrot sarmal bir küçük tartmak tekne içine yerleştirin ve onları bir kenara koyun.
    Not: İlave tel spiral istikrar ve de sağlar gelişeceğini ve daha sonra çalışma hücrede kullanılan.
  2. Her iki tarafında bir lityum metal şerit bir bistüri veya jilet kullanarak temizleyin. Parlak Lityum görünür kadar herhangi bir yüzey oksidasyon kazı. Her iki lityum temizlemek emin olun. Torpidoda içinde keskin nesneleri kullanırken çok dikkatli götür.
  3. İki adet 1.58 cm (5/8-inç) diskler her hücre içi boş yumruk kullanarak temizlenmiş Lityum Şerit'ten için yumruk at.
  4. 0,5 mm Paslanmaz Çelik Rondela merkezinde Lityum tek bir disk yerleştirin. Lityum metal rondela ile birlikte sıkıca basın; Genellikle, bir başparmak basın yeterli olacaktır. Lityum yuvarlak yüzey yer açıcı için sopa olun.
  5. Yer madeni para hücre çantasının içinde küçük bir tekne tartın. Lityum madeni para hücre çantasının içinde ikinci diske sığacak. Lityum merkezli olduğundan emin olun ve böylece Lityum kasanın altına sopalarla sıkıca bastırın. Elektrolit [1,0 M LiPF6 EC/Aralık (11: hacimce)] birkaç damla Lityum yuvarlak yüzey ve kenar dış boşluğu doldurmak için lityum çevresinde birkaç damla üzerine koyun.
    Not: yeterli elektrolit eklediyseniz, orada-ecek var olmak kabarcıklar ayırıcı altında ve istenmeyen hücre içindeki.
  6. Bir 1,905-cm (3/4-inç) PP ayırıcı ıslak Lityum yuvarlak yüzey üzerine yerleştirin. Ayırıcı tamamen ıslak ve orada altında kaldı hava kabarcığı yok emin olun. Conta yukarı bakacak şekilde conta dudak ile hücreye yerleştirin; Bu dudak nerede kap içine koltuk var. Conta durumda içine sığacak şekilde sıkıca bastırın.
  7. Bir çift plastik Cımbız kullanarak, hücrenin merkezine referans elektrot sarmal yavaşça yerleştirin. Elektrolit referans elektrot çevresinde birkaç damla ekleyin. Üstünde tepe-in Tel conta ve hücre dava üzerinde keseceği küçük, dikdörtgen ayırıcı yerleştirin.
    Not: Ayırıcı tel ve metal cep kapak arasında kısa devre önlemeye yardımcı olur.
  8. Bir 1.58 cm (5/8-inç) ayırıcı referans elektrot sarmal üstüne yerleştirin. Ayırıcı tamamen ıslak olduğundan emin olun ve altında hava kabarcığı yok orada kaldı. Lityum-spacer diski üzerine referans elektrodu, Lityum kaplı yüzü aşağıya bakacak şekilde yerleştirin.
  9. Dalga bahar boşluk Ekleyici üstüne yerleştirin. Tüm bileşenleri hücre içinde ortalanır emin olun. Ağzına kadar hücre elektrolit ile doldurun. Ne zaman hücre sıkışmasını, ilave elektrolit dışarı sıkılmış.
  10. Plastik Cımbız kullanarak, dikkatlice hücre kap derleme üstüne koyun. Kapağı conta dudak oturtmak için sıkıca bastırın. Öyle ki düz kapağı üst üzerinde bırakır referans elektrot tel viraj. Bu kabloyu değil ne zaman hücre sıkma kısa kesip emin olmak için yapılır (bkz. Şekil 2).
  11. Dikkatlice hücreyi plastik Cımbız kullanarak madeni para hücre sıkma cihaza aktarın. Taşıma, hücre tutun düz ek herhangi bir elektrolit kaybı olmaması için. Madeni para hücre için yaklaşık 5 MPa (750 PSI) sarılmış.
  12. Madeni para hücre crimper kaldır ve hücrenin üstüne uzak sırt yukarıya maruz tel viraj. Bu herhangi bir olası kap ve referans elektrot arasında kısa devre kaçınmaktır.
  13. Tamamlanan yassõ Argon torpidoda kaldırın. İzopropil alkol ve hav bırakmayan görev silecek kullanarak, hücre dış dikkatle temizleyin. Tel veya nereye çıkar tel hücre konumu rahatsız edici önlemek için dikkat ediniz.
  14. Hücre sızdırmazlık
    1. Dikkatli bir hav bırakmayan görev silecek kullanarak yassõ kuru. Nereye çıkar tel madeni para hücre konumu kuruması için ekstra dikkat.
    2. Mix eşit parçaya reçine ve sertleştirici iletken olmayan bir epoksi oluşturmak için. Bir kürdan veya küçük problama aygıt kullanarak, nerede tel madeni para hücre çıkar konuma epoksi az miktarda dikkatle uygulayın. Nerede hücre sızıntı en yüksek olduğu yer burası.
    3. Madeni para hücre herhangi bir test etme donanımları için bağlanmadan önce kuru epoksi için 1 h izin. Tam olarak tedavi ve sertleşmesine epoksi ilâ 24 saat alabileceğini unutmayın.
      Not: Epoksi amacı hücre mühür etmektir (bkz Şekil 5) ve herhangi bir mekanik mukavemeti sağlamak için.

3. Lithiation yordamı

  1. Bağlantı kur
    1. El çakmak kullanarak, yaklaşık 2 cm yalıtım hücreden çıkıntılı referans elektrot tel sonundaki yakmak; Bu nerede tel test aygıtına bağlanır. Kendisi testleri için üç elektrot hücre bağlanırken bağlantı geliştirmek için üzerinde geri maruz tel viraj.
    2. Elektrik bandı (2 cm x 2 cm) küçük bir kare madeni para hücre dava üstünde yer; Bu sikke hücrenin üstüne ve madeni para hücre sahibi arasında herhangi bir elektriksel temas önlemek. Hazırlık hücre tutucuya yerleştirin.
      Not: Hücrenin üstüne herhangi bir bağlantıdan yalıtılmış ve hücrenin altına hücre kutusunda negatif okumaya bağlanması gerekir.
    3. Bir timsah klip kullanarak, referans elektrot hücre tutucu (pozitif bağlantı) en iyi klip bağlayın.
      Not: Hücre pozitif elektrot ve negatif elektrot hareket alt Lityum yuvarlak yüzey (hücre harf) görevi gören referans elektrot ile test etmek için ayarlanmalıdır.
  2. Başvuru kalibrasyon gerilim
    1. Etkin malzeme için referans elektrot mevcut miktarını hesaplamak.
      Not: 0.1 mg ve bir % 80'i etkin Malzeme kompozisyonu tipik elektrot kitle için bu 0,08 mg çıkar.
    2. Etkin malzeme kitle ve lityum titanate20teorik belirli kapasitesini kullanarak, hücre C/16, şarj için uygun geçerli belirlemek.
    3. Referans elektrot C/16 (1.25-2,25 V vs Li/Li+) uygun voltaj mesafeden içinde birkaç kez döngüsü; Bu aralığı referans elektrot kullanımda bağlı olarak değişir. Hem şarj etme ve boşaltma işlemleri sırasında gerçekleşmesi gereken Yaylası gerilim/referans gerilimi dikkat edin.
      Not: bir Li4Ti5O12 elektrot için bu değer genellikle yaklaşık 1,56 V vs Li/Li+olur.
    4. Referans gerilim ve ilişkili olduğu karşılık gelen hücre kaydedin. Bu gerilim daha sonra çalışma hücrede kullanılan elektrotlar potansiyelini ayarlamak için kullanın.
    5. Hücrenin 24 h için tutun ve referans elektrot potansiyel sürekli izlemek.
    6. Lithiated hücre kullanılmak üzere çalışma hücre inşaat etkisiz argon ortamına aktarın. Referans elektrot ve kap ya da hücre durumda arasında olası herhangi bir temas kaçının; Bu referans elektrot kısa ve potansiyel alter.

4. İnşaat hücre çalışma

  1. Yer madeni para hücre çantasının içinde küçük bir tekne tartın. Katot disk hücre durumda ortasına yerleştirin. Birkaç damla DEC elektrolit katot ve kenar dış boşluğu doldurmak için etrafında birkaç damla üzerine koyun.
  2. Bir 1,905-cm (3/4-inç) ayırıcı elektrot üzerine yerleştirin. Ayırıcı tamamen ıslak olduğundan emin olun ve altında hava kabarcığı yok orada kaldı. Conta ile küçük dudak cep kapağı yukarı bakacak şekilde yerleştirin. Düzgün conta durumda içine sığacak şekilde sıkıca bastırın. Madeni para hücre derleme bir kenara koyun ve lithiated hazırlık hücre bulun.
  3. Lithiated referans elektrodu çıkarılması
    1. Elektrik bandı küçük bir kare lithiated hazırlık hücrenin üstüne uygulayın. Bu durumda ve kapak arasında kısa devre önlemeye yardımcı olur Demontaj sırasında.
    2. Hazırlık hücre sıkıca, kap yüzü, ince burunlu pense kullanarak bakacak şekilde tutun. Hücre metal pense ile kısa değil dikkatli olun. Son kesme pense dikkatle, ama sıkıca, açık gözetlemek için madeni para hücre kenarı boyunca kullanın. Hücrenin alt ve üst metal pense ile kısa değil için dikkat ediniz.
    3. Hücre yaklaşık % 70'i açık oradayken sonra dava sonunda kesme pense ile tutun ve dikkatle hücre durumda ayırmak ve ince burunlu pense kullanarak kap. Dikkatle lithiated referans elektrot ayıklayın. Diğer hücre bileşenleri atmak.
  4. Pense kullanarak, spiral şeklinde referans elektrot tel unbend ve düzleştirin. Tel öyle ki uç elektrot ortasına oturur ve tel hücre kenarına uzanır yeniden viraj. Maruz kalan, yalıtılmamış kabloyu kesin.
  5. Elektrolit birkaç damla ve referans elektrot çevresinde ekleyin. Bir küçük, dikdörtgen ayırıcı tel conta ve hücre davayı keseceği üstüne yerleştirin. Bu tel ve metal kasa ve kapak arasında kısa devre önlemeye yardımcı olur.
  6. Bir 1.58 cm (5/8-inç) ayırıcı referans elektrot üstüne yerleştirin; Bu referans elektrot ve anot arasında kısa devre önlemeye yardımcı olur. Referans elektrot üzerine hazırlanan anot disk hücreye yerleştirin. Düzgün katot şekli o anot ile hizalamak için dikkat ediniz.
    Not: Referans elektrot uç ortasında olmalıdır ve tel dikdörtgen boşluğu Communicator'dan çıkmalısınız.
  7. Dikkatlice 1.0 mm Paslanmaz Çelik Rondela anot üzerine koyun. Dalga bahar boşluk Ekleyici üstüne yerleştirin. Tüm bileşenleri hücrede ortalanır emin olun. Ağzına kadar hücre elektrolit ile doldurun.
  8. Plastik Cımbız kullanarak, dikkatlice hücre kap derleme üstüne koyun. Kapağı conta dudak oturtmak için sıkıca basın. Dikkatle kalan Tel sıkma önce geri cep kapağı üzerine katlayın. Bu kesilmesini sıkma sırasında tel engeller.
  9. Dikkatlice hücreyi plastik cımbız bir çift kullanarak madeni para hücre kıvırcıklaştırma cihaza aktarın. Hücre aktarırken tutmak düz ek elektrolit kaybı olmaması için. Yaklaşık 5 MPa (750 PSI) hücreye sarılmış.
  10. Madeni para hücre Argon torpidoda kaldırın. Dikkatle izopropil alkol ve hav bırakmayan görev silecek kullanarak hücre temizleyin.
  11. Hücre sızdırmazlık
    1. Dikkatli bir hav bırakmayan görev silecek kullanarak yassõ kuru. Nereye çıkar tel madeni para hücre konumu kuruması için ekstra dikkat.
    2. Mix eşit parçaya reçine ve sertleştirici iletken olmayan bir epoksi oluşturmak için. Bir kürdan kullanarak, nerede para cep tel çıkar konuma epoksi az miktarda dikkatle uygulayın. Nerede hücre sızıntı en yüksek olduğu yer burası.
    3. Madeni para hücre herhangi bir test etme donanımları için bağlanmadan önce kuru epoksi için 1 h izin.
      Not: En fazla 24 saat tam olarak tedavi ve sertleşmesine epoksi için sürebilir. Ancak, hücreyi imzalamaya ve herhangi bir mekanik mukavemeti sağlamak için epoksi burada amacı budur.

5. elektrokimyasal testleri

  1. Performans ve Bisiklete binme
    1. Anot ve katot elektrotlar için teorik kapasiteyi hesaplamak.
      1. Elektrot diskin Toplam Kuru ağırlığının kullanarak, Alüminyum/bakır substrat kütlesi ve etkin malzeme ağırlık yüzdesi belirler etkin malzeme elektroda için mevcut kitle.
      2. Elektroda kapasitesini etkin malzeme kitle tarafından ilgili teorik kapasitesini çarparak belirleyin. En sınırlayıcı elektrot kapasite (genellikle katot) kullanarak, genel hücre kapasitesini belirlemek.
    2. Hücre katot ve negatif güç ve sensör için anot pozitif ve olumlu sensör bağlantı ile dikkat çekici elektrokimyasal ölçüm cihazı bağlayın. Referans elektrot bakır kablo üzerinden referansı bağlayın (bkz. Şekil 6b).
    3. Hücre bağlı olduğunu bir kez daha denetleyin ve açık devre voltajı ve potansiyelleri kontrol ederek çalışır. Lithiation işlemi sırasında kaydedilen referans gerilim anot ve katot potansiyel kaynaklar ayarlamak için kullanın.
    4. İstenen C-oran, C/10, örneğin tam hücre döngüsü ve aynı anda tam hücre, katot ve anot potansiyeli ölçün. 5.1.1 - 5.1.4 istediğiniz gibi özelliklerine bağlı olarak diğer hücreleri ve C-oranları ve gereksinimleri her hücre için adımları yineleyin.
  2. Elektrokimyasal empedans Spektroskopi
    1. Tam hücre empedans
      1. Hücre EIS ölçüm cihaza bağlayın. Aşağıdaki yapılandırmasını kullanır: pozitif güç ve katot, negatif güç ve negatif sensör için anot pozitif sensörü.
        Not: Başvuru sensör için anot bağlanması gerekir. Referans elektrot bağlantısı kesilmiş kalmalıdır.
      2. Potentiostatic denetimi için 10 bir genliği ile EIS seçin mV. 1 MHz 1 MHz frekans aralığını seçin. Tam hücre empedans toplamak. Nyquist arsa ve hücrenin yanıt analiz etmek için Bode Arsa arsa.
        Not: Frekans aralığı her zaman gerekli olmayabilir ve ilk sonuçlar topladıktan sonra değiştirilebilir.
    2. Katot empedans
      1. EIS ölçüm cihazı aşağıdaki hücre bağlanmak: pozitif güç ve katot, negatif güç ve negatif sensör için anot pozitif sensör ve bakır kablo üzerinden referans elektrot için başvuru sensörü.
      2. Tekrarlamak ayni merdiven tam hücre Empedans (adım 5.2.1.2 - 5.2.1.3) gelince.
    3. Anot empedans
      1. EIS ölçüm cihazı aşağıdaki hücre bağlanmak: pozitif güç ve anot, katot için negatif sensör ve negatif güç olumlu sensör ve bakır kablo üzerinden referans elektrot için başvuru sensörü.
      2. Tekrarlamak ayni merdiven tam hücre Empedans (adım 5.2.1.2 - 5.2.1.3) gelince.
    4. Empedans şarj durumunu bir fonksiyonu olarak
      1. EIS ölçüm cihazı istenilen empedans ölçüm göre hücre bağlanmak: tam hücre, katot veya anot. Adımları 5.2.1.1, 5.2.2.1 veya 5.2.3.1, sırasıyla, uygun bağlantı için kullanın.
      2. Hücrenin üst gerilim sınırına ulaşana kadar C/2 geçerli bir sabit kullanarak hücre şarj edin. Gerilim C/100 altında uygulanan geçerli damla kadar sabit voltaj kontrol yöntemi kullanarak üst limitte tutmak. Hücre Şimdi tam olarak şarj edilmelidir.
      3. Hücre C/2, 3 dk debi; hücre şimdi SOC. izin ver termal ve elektrokimyasal denge koşulları ulaşmak için 1 h için dinlenmek için hücre % 90 olmalıdır.
      4. Adımları 5.2.1.2 - 5.2.1.3 sunulan aynı yordamı kullanarak empedans toplamak. 5.2.4.3 ve sosyetik bir fonksiyonu olarak empedans toplamak için 5.2.4.4 numaralı adımları yineleyin

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Gerilim için tipik sonuçları ve potansiyel profilleri üç elektrot hücre için Şekil 7' de görülebilir. Bir ideal kurulum, tam hücre voltajı aynı elektrot çift kullanarak iki elektrot hücreden üretilen için aynı olması gerekir. Bu referans elektrot yerleştirilmesi hücre performansını değiştirir olup olmadığını belirlemek için bir yöntemdir. İki ve üç elektrot tam hücre performans (için aynı çalışma ve sayaç elektrotlar) arasında önemli bir fark varsa, o zaman bu referans elektrot yerleştirilmesi hücre davranışını değiştirir ve sonuçlar kabul edilebilir Artık anlamlı.

Şarj işlemi sırasında Lityum anot elektrot katot taşır. Lityum katot mikroyapı kaldırılır, Li/Li+ ile ilgili potansiyel artar. Yapısı sürekli Lityum ile dolu gibi tam tersi anot ile oluşur. Boşaltma sırasında ters durum meydana gelir. Bu değişiklikler potansiyeli Şekil 7' de görülebilir üç elektrot potansiyel profilleri yansıtılır.

Üç elektrot hücre yapısı güçlü bir sonucu lityum kaplama başlangıcı algılama olduğunu. Şekil 8 hızlı bir yassõ pil şarj sırasında bir anot potansiyeli profili bir örneği gösterilir. Yakınlaştırılmış bileşenini kısmından arsa, potansiyel anot şarj işlemi CC sonuna doğru negatif değerler ulaşır görülebilir. Bu hücrede kaplama Lityum varlığının göstergesidir. Bu ölçüm bir standart iki elektrot kurulum kullanırken mümkün değildir.

Üç elektrot kurulum için empedans sonuçları Şekil 9' da gösterilmiştir. Tipik empedans yanıt üç karakteristik bölgelerinden oluşur: yüksek frekans yarım daire, orta frekanslı yarım daire ve düşük frekans difüzyon kuyruk. Arsa, semicircles yarıçapı ve difüzyon kuyruk eğimi Re(Z) kesişimi hücre içinde meydana gelen önemli elektrokimyasal olayları tanımlamak için kullanılabilir.

Başka bir güçlü üç elektrot aracı empedans karakterizasyonu şarj durumunu bir fonksiyonu olarak kullanılır. Bu empedans Lityum electrodeposition de dahil olmak üzere çeşitli bozulması olaylarla ilişkili olabilir. Şekil 10 empedans spectra tam hücre, katot ve bir tek madeni para hücre için anot için toplanan bir örneği gösterilir. Değişen empedans elektrot empedans SOC değişen hücre olarak bireysel katkıları karakterize etmek için kullanılabilir. Anot için empedans, SEI katman ve lityum kaplama ve dendrite oluşumu da dahil olmak üzere çeşitli bozulması olaylar için ilişkili olabilir. Bozuk empedans ölçümleri endüktif döngüler (bkz. Şekil 11) dahil olmak üzere iki farklı faktörler ilişkili olabilir. Hücre elektrolit (bkz Şekil 5) sızıntı ile birlikte kötü bir mühürleme bir endüktif empedans yanıt neden olabilir. Elektrot şekli ve referans elektrot uç konumunu (bkz. Şekil 4) empedans yanıt21endüktif döngüler tetikleyebilir.

Bireysel elektrot potansiyelleri davranışını analiz, geleneksel iki elektrot kurulumları kullanılamaz sağlamak için kullanılabilir. Örneğin, olası profil Yaylası bölgelerinde faz değişiklikleri elektrot yapısındaki temsil edebilir. Bu aşama değişiklikler ek elektrokimyasal, çevrimsel voltammetry gibi sınama ile doğrulanmıştır. Ayrıca, anot potansiyel değerini anot potansiyel bir değeri 0.0 V vs Li/Li+aşağıda ulaştı sonra oluşan kaplama, Lityum belirlemek için diğer yöntemleri ile birlikte kullanılabilir.

Figure 1
Resim 1 . Kurum içi üç elektrot hücre Kur. (bir) Bu panel tamamlanmış üç elektrot yassõ fotoğrafı gösterir. (b) Bu panel patladı görüntülemek iç hücre bileşenleri gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Resim 2 . Giriş noktası referans elektrot hem de iç düzeni gösterilen üç elektrot madeni para hücre. Bu şekilde, kap saydamdır ve (gösterilmez) dalga bahar sadece üst boşluk Ekleyici yer alan unutmayın. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3 . Referans elektrot yapılandırmaları. (bir) Bu panel bir tutucu öğe (Örneğin, temiz cam kap) bantlanmış bir referans elektrot toplu kurutma için askıya kaplamalı uçları gösterir. Aşağıdaki panelleri referans elektrot yapılandırmaları hemen elektrot tel, (c) bir hazırlık kullanımda hücre ve (d) bir çalışma hücredeki kullanım döküm sonra durum (b) karşılık gelen göster. Paneller çizilmez ölçek. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4 . Üç elektrot madeni para hücre yapımında kullanmak mümkün olan çeşitli elektrotlar. Bu paneller (bir) bir spiral şekli, (b) merkezi bir başvuru, (c) bir anahtar deliği şekli, (d) pizza dilimli şekli, (e) üstünde belgili tanımlık yan ve (f) küçük bir dairesel kesme yanında göstermek. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5 . Düzgün mühürlü üç elektrot madeni para hücre, sızıntı gösteren ve elektrolit ortamı ile sonuç tepkisi. Bu durum altında bu hücre elektrolit elektrik terminalleri pas beri sahibinden kaldırmak için tavsiye edilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6. Empedans ölçmek için elektrokimyasal test makine bağlantı. Bağlantı yapılandırmalar gösterilir ()biriçin) bir tam hücre (ZF), (b) bir katot (ZC) ve (c) bir anot (ZA). Bir performans ve üç elektrot hücre Bisiklete binme yapılabilir panel (b) gösterilen katot bağlantısı'nı kullanarak. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 7
Şekil 7 . Voltaj ölçümleri. Bu paneller bir anot, katot bir ve tam hücre (iki ve üç elektrot hücre) gerilim ölçülerini gösteri sırasında C/10 ve (b) sürekli güncel (CC) C/10 boşaltma, şarj (bir) sürekli güncel, sabit gerilim (CCCV). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 8
Şekil 8 . Negatif anot potansiyeli hızlı şarj sırasında. Bu panel bir negatif anot hızlı şarj (1 C-oranı sırasında) lityum kaplama olası varlığı gösteren bir üç elektrot yassõ meydana gelen potansiyel gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 9
Şekil 9 . Empedans yanıt. Bu paneller tam bir hücre, bir katot ve (bir) bir tam frekans aralığı ve (b) düşük frekans aralığı gösteren bir anot için bir frekans yanıtı çözümleyicisini kullanarak empedans tepki göstermek. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 10
Şekil 10 . EIS. Bu paneller elektrokimyasal empedans spektroskopisi (bir) tam hücre için karşılık gelen (b) katot göstermek ve (c) anot ölçümü üç elektrot madeni para hücre için bir fonksiyonu olarak SOC. lütfen burada bir daha büyük görmek için tıklayın Bu rakam sürümü.

Figure 11
Şekil 11 . Anot empedans bozulma. Referans elektrot hücre içindeki her bir kayma veya madeni para hücre yakınındaki tel çıkış konumunu yanlış bir mühürleme büyük olasılıkla kaynaklanan bir üç elektrot yassõ için ölçülen bu şekil gösterir anot empedans bozulma. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Basınç sıkma hücre hazırlık ve çalışma hücreleri başarı oranı önemli bir rol oynar. Hücre bir çok yüksek basınçta sıkışmasını (> 800 PSI), referans elektrot başvuru nedeniyle cep kapaklı azaltilabilmektedir haline tel pozisyon arasında kap ve conta. Bu arabirimin geçiş tel okuma bir harici ölçüm cihazı referans elektrot bağlanmak için bir gereklilik olduğunu unutmayın. Hücre basınç çok düşükse (< 700 PSI), hücre elektrolit kaçağı neden olabilir eksik sıkma ile sorunları var ve Hava penetrasyon sonra hücreyi etkisiz argon ortamdan kaldırılır. Bu sızıntı veya kısaltma sorunları önlemek için hücre sıkma için optimum basınç yaklaşık 750 psi olduğunu bulundu. Başvuru tel kısa devre ile bu sorunları engellemek için ek araçlar sağlamak için conta tel hücre sınırını keseceği yerleştirilir ek kare ayırıcı İnşaat sürecinde önemli bir adım olur. Bu ayırıcı iç kısa devre önlenmesine yardımcı olan ek yalıtım katmanı sağlar. Buna ek olarak, biraz farklı kıvırcıklaştırma baskılar hazırlık ve çalışma hücre için gerekli olabilir. Hazırlık hücre iki lityum bir metal folyo-ki döküm bir elektrot daha önemli ölçüde daha kalın diskler kullanılır çalışma hücresindeki kullanır.

Hazırlık hücreye referans elektrot lithiation sonra referans elektrot çıkarılan ve çalışma hücreye yeniden. Bu işlem sırasında aşırı özen göstermelidir. Genel olarak, referans elektrot düzgün hazırlanan olmamalıdır malzeme tel düzleştirilmiş bölümüne yapışma ile ilgili herhangi bir sorun. Her durumda, ne zaman referans elektrot hazırlık hücreden kaldırılır ve çalışma hücrede kullanılan arasındaki süreyi indirilmelidir. Referans elektrot yerleştirilir herhangi bir yüzey üzerinde veya dışında önemli bir miktar için dinlenmek için izin. Çünkü mümkün yorulduk ve tel kırma dağılımında tel manipülasyon minimize idealdir.

Üç elektrot yassõ oluştururken diğer bir önemli faktör hücre düzgün kapatılıyor. Tel kapağı ve conta arasında sandviç olduğunu çünkü, var. potansiyel hücre elektrolit kaçağı veya Hava penetrasyon için izin verebilir hücredeki küçük bir ihlali Bu düzeltilmesi değil, empedans ölçümlerde bozulma görülebilir ve tüm hücre reaksiyonları ile belgili tanımlık çevre nedeniyle özellikle hangi fabrikasyon olduğunu atıl torpidoda dışında uzun bir süre sonra başarısız olabilir. Çünkü tamamen dış çevrenin hücreden mühürler hücre inşaat yordamda, iletken olmayan epoksi kullanımı çok önemlidir. İlginç bir gözlem hücre için yeterince yüksek basınç sıkışmasını değil, epoksi değil düzgün sertleşmesine ve bazen kadar balonu olacak olmasıdır. Bu kadar kötü elektrolit neden ve epoksi veya daha yüksek iç basıncı yavaş yavaş sızıntı ve baloncuklar formu için neden hücre ile karışık. Not epoksi, sırasında ve sonrasında sertleştirme, elektrolit içinde batırılmış ve herhangi bir tepki açık belirtisi gözlendi. Uygun bir şekilde kullanıldığında, epoksi kapalı hücre 1s torpidoda kaldırma önce içinde en az kuru izin. Daha sonra epoksi atmosferik bir ortamda sağlamlaştırmak. Bağlı olarak kullanılan epoksi, 24 h veya epoksi tam olarak tedavi etmek için daha fazla sürebilir ve bu işlem sırasında hücre dinlenmek için izin verilmelidir. Hücre değil kapalı ya da mühürleme işlemi yeterli değil olay bu, hücrenin ortama sızıntı olacaktır. Bir süre sonra hücre renklerini değiştirmek için başlayabilir. Bazı örnekler kötü kapalı hücre Şekil 5' te görülebilir.

Üç elektrot madeni para hücre oluştururken ana bilgisayar elektrotlar şeklinde hücrenin performansı üzerinde büyük etkisi olabilir. Çeşitli olası şekilleri Şekil 4' te görülebilir. İdeal bir durumda, referans elektrot elektrot merkezinde gelebileceğini söyledi. Oluşabilecek bazı sorunlar nedeniyle referans elektrot konumunu hücre içinde bir dengesiz basınç dağılımı gerektirir. Gerçeğini referans elektrot alanının bir bölümünü engelleme nedeniyle bir başka konu referans elektrot ana bilgisayar elektrotlar arasında varlığını suni artış hücre empedans oluşturmasıdır. Bazı yapılandırmalar (Şekil 4C - 4F) küçük bir alan içinde başvuru oturabilir miyim oyma tarafından bu sorunu azaltmak girişimi. Bu hücre kapasitesini azaltır hem de üretim süreci içinde karmaşıklık getirir bir sorundur.

Üç elektrot hücre elektrokimyasal test ölçüm için bağlanırken, referans elektrot bağlantısı nedeniyle kullanılan bakır tel çapı küçük çok hassas olabilir. Tel çapı ve bunlardan biri arasında iki düzlemsel elektrot disk alanının bir tıkanma olabilir cep performans üzerinde herhangi bir etkileri azaltmak için küçük olması gerektiğini unutmayın. Bu bağlantı duyarlılık nedeniyle, bakır tel maruz sonu kendi üzerinde geri bağlantı için yüzey alanını artırmak için birden çok kez viraj daha avantajlıdır. Eğer bu yapılmazsa, referans elektrot kısa devre veya hatta hücre beklendiği gibi çalışıyorsa, başarısız görünebilir.

Üç elektrot yassõ kullanmanın bir işlemin tamamı el ile yapılır kısıtlamadır. Uygulama belirli bir miktar para hücreleri tutarlı ve güvenilir sonuçlar üretmek için oluştururken gereklidir. Yanlışlıkla referans elektrot, çalışma elektrot ve/veya sayaç elektrot hücre içindeki konumunun kayması söz konusu olduğunda, empedans ve potansiyel kaynaklar bozuk veya geçersiz hale gelebilir. Çünkü bu hücre amacı sadece referans tarafından kısmi lithiation hazırlamak için ve Plato voltaj (genellikle ~1.565 V Bu lityum titanate elektrotları için değerini belirlemek için bu kadar hazırlık hücre için önemli değildir yordam).

Empedans bozulma anot için gözlem yoluyla hücre başarısını belirlemek için iyi bir yöntem olduğunu. Düzgün mühürlü bir hücre veya bir zavallı elektrot hizalama durumunda indüktif empedans döngüler anot empedans çekerken sık görülür. Bu döngü daha kolayca fark hücrenin tam olarak ne zaman vardır (hücrede ilk inşayani) taburcu, böylece onlar için herhangi bir hücre Bisiklete binme önce test edilebilir. Anot empedans spectra distorsiyon ile örneği Şekil 9' da gösterilmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Texas Instruments (TI) Üniversitesi Araştırma ortaklık programı mali desteği minnetle kabul edilmektedir. Yazarlar ayrıca minnetle bu çalışmanın ilk aşamasında yardımcı Chien-Fan Chen enerji ve ulaşım Bilimleri Laboratuvarı, makine mühendisliği, Texas A & M Üniversitesi'nde, kabul.

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

Mühendislik sorunu 135 Lityum-iyon pil üç elektrot hücre referans elektrot elektrokimyasal analytics elektrokimyasal empedans spektroskopisi yassõ pil
Üç elektrot madeni para hücre hazırlık ve Electrodeposition analiz için lityum-iyon pil
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