Üç elektrot madeni para hücre hazırlık ve Electrodeposition analiz için lityum-iyon pil
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.
Protocol
Representative Results
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 v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
References
- Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104 (10), 4271-4301 (2004).
- Schipper, F., Aurbach, D. A Brief Review: Past, Present and Future of Lithium Ion Batteries. Russian Journal of Electrochemistry. 52 (12), 1095-1121 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- La Mantia, F., Wessells, C. D., Deshazer, H. D., Cui, Y. Reliable reference electrodes for lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications. 31, 141-144 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
