İn Situ Lithiated referans elektrot: Dört elektrot tasarım operando empedans spektroskopisi için

Daha iyi performans gösteren lityum iyon pillere olan talep, bozulmaya neden olan faktörleri anlamaya yönelik araştırmaları yönlendiriyor. Burada açıklanan yöntem, tek tek pil bileşenlerinin davranışını tam olarak ölçebilir. Bu tekniğin sağladığı bilgi zenginliği, lityum iyon pillerde tanısal analizin erişimini artırır ve tek tek hücre bileşenlerinin optimizasyonuna değerli girdiler sağlar.

Başlamak için, iki milimetre kalınlığında bakır telden yapılmış dört santimetre genişliğinde yedi santimetre uzunluğunda bir aparat edinin. Bir ucunda jig'i stabilize etmek için düz halkalar ve diğer ucunda bir tutamak ile. Daha sonra, yaklaşık beş milimetrelik bir çözelti derinliği elde etmek için yaklaşık 23 mililitre endüstriyel sınıf sıyırma çözeltisini 7,6 santimetre çapında paslanmaz çelik bir behere dökün.

Ucu beherin altından uzak tutarak bir termo çifti çözeltiye batırın. Beheri sıcak bir plaka üzerinde 85 santigrat dereceye kadar ısıtmaya başlayın. Çözelti ısınırken, 60 santimetre 25.4 mikron poliüretan kaplı kalay kaplı bakır tel uzunluğunu jig'in etrafına dikkatlice sarın.

Telin uçlarını tutamaklara nazikçe bantlayın. Çözelti 85 santigrat dereceye ulaştığında, ısıyı kapatın ve sarılmış telin bir tarafını daldırmak için aparatı dikey olarak çözeltiye yerleştirin. Jig'i solüsyonda 15 saniye bekletin ve ardından teli ve jig'i deiyonize suda 15 saniye durulayın.

Telde, gümüşi beyaz bir malzeme olarak görünecek olan açıkta kalan kalay olup olmadığını kontrol edin. Sıyırma çözeltisine daldırmayı tekrarlayın ve sarılmış telin bir tarafı kalay tabakasına tamamen sıyrılana kadar durulayın. Kaplanmış tenekeyi aşındırmamaya dikkat edin.

Ardından, aparatı ve teli deiyonize suda durulayın ve oda sıcaklığında havada kurumaya bırakın. Kuruduktan sonra, uçları açıkta kalay kaplı yaklaşık 10 santimetre uzunluğunda teller elde etmek için teli soyulmuş her alanın ortasından kesin. Bir referans kablosu hazırlamaya başlamak için, yaklaşık 10 santimetre yalıtımlı iki milimetre genişliğinde elektrik devresi kablosu kesin.

Telin her iki ucundan yaklaşık iki santimetre yalıtım soyun. Ardından, kalay kaplı bir bakır telin soyulmuş bir ucunu sıyrılmış elektrik telinin üzerine nazikçe yerleştirin. Teller arasında bir elektrik teması oluşturmak için bağlantıyı lehimleyin.

Yeni oluşturulan kalay referans elektrodundaki direncin altı ila sekiz ohm arasında olduğunu onaylayın. Aynı şekilde bakır ucu açıkta olan ikinci bir referans elektrodu birleştirin ve telleri argon dolgulu bir torpido gözüne getirin. Ardından, beş milimetreye beş milimetreden büyük olmayan 200 mikron kalınlığında bir lityum metal parçası kesin ve bir PTFE platformuna yerleştirin.

Metali 25 mikron kalınlığa kadar düzleştirmek için polimer bantla kaplı bir rulo kullanın. Ardından metali U şeklinde bükün ve bakır telin açıkta kalan ucunu dirseğe yerleştirin. Açıkta kalan bakırı tamamen kapsüllemek için lityumu telin etrafına dikkatlice bastırın.

Bu, lityum metal referans elektrodu olacaktır. Elektrotun merkezi armatürün merkezinden hafifçe kaydırılacak şekilde bir lityum hücre fikstürüne bir anot yerleştirin. Anot üzerine üç katmanlı polietilen ve polipropilenden yapılmış bir yalıtım ayırıcı yerleştirin.

Anot ve ayırıcı arasında sıkışan hava kabarcıklarını nazikçe çıkarmak için bir PTFE temizleyici kullanın. Ayırıcının fikstüre sıkıca oturduğundan emin olun. Ardından, anotun kenarından iki milimetre uzakta ayırıcı üzerine 10 mikrolitrelik bir elektrolit damlası uygulayın.

Anotun ortasına ikinci bir damla uygulayın. Kalay referans elektrodunun açıkta kalan kalay kaplı ucunu anotun ortasındaki damlaya yerleştirin. Lityum referans elektrodunun ucunu anottan iki milimetre uzaktaki damlaya yerleştirin.

Lityum kapsüllü uca 10 mikrolitrelik bir elektrolit damlası daha uygulayın ve süpürme ile lityum metal ile ayırıcı arasındaki hava kabarcıklarını temizleyin. Ardından, ayırıcıya 400 mikrolitre elektrolit uygulayın. Referans elektrot telleri ayırıcılar arasına sıkıştırılacak şekilde düzeneğin üzerine ikinci bir ayırıcı yerleştirin.

Tellere aşırı gerilim uygulamaktan kaçınmak için, ayırıcılar arasındaki tellerde biraz gevşeklik bırakın. Süpürme ile ayırıcılar arasındaki hava kabarcıklarını giderin. Ardından, bir katodu 400 mikrolitre elektrolit çözeltisi ile ıslatın.

Katodu anot ile hizalanmış üst ayırıcıya yerleştirin. Hücre yığınının hizalamasını bozmadan katot üzerine dikkatlice paslanmaz çelik bir ara parça yerleştirin. Hücre hacmi değişikliklerine ve basınç oluşumuna uyum sağlamak için ara parçaya iki paslanmaz çelik dalga yayı yerleştirin ve ardından fikstürü kapatın.

Pil hücresinin katotunu ve anotunu ilgili pil döngüleyici terminallerine bağlayın. Lityum referans elektrodunu yardımcı terminale bağlayın. Lityum çiftine göre her elektrot için voltaj profilleri oluşturun.

Kalayın elektrokimyasal olarak lityumlanması için dört voltluk bir üst voltaj kesme ile katot ve kalay referans elektrodu arasında altı saat boyunca beş mikroamperlik sabit bir akım uygulayın. Bittiğinde, hücreyi pil döngüleyici terminallerinden ayırın ve yanan telin iki saat boyunca dengelenmesine izin verin. Başarılı lityumu doğrulamak için, lityum referans elektrodunu yardımcı terminale ve lityumlu kalay elektrodu negatif terminale bağlayın.

Aralarındaki potansiyel farkı sıfır volta yakın olmalıdır. Tam hücre için spektrum elde etmek için, önce bir potentia stat'ın negatif voltaj ve akım terminallerini anoda ve pozitif terminalleri katoda bağlayın. Elektrokimyasal çifti, alternatif akım veya değişen frekanslar kullanarak beş milivoltun altındaki küçük bir voltaj genliği üzerinde döndürün, empedans tepkisi gerçek bileşene karşı hayali bileşen olarak çizilir

Ardından, negatif voltaj ve akım terminallerini anottan lityum uçlu alaşımlı elektrota geçirin ve lityum kalay alaşımlı elektrota karşı katot spektrumunu elde edin. Son olarak, negatif voltaj ve akım terminallerini anoda ve pozitif terminalleri lityum kalay alaşımlı elektroda bağlayın. Tam hücrenin ve her elektrotun lityum çiftine göre voltaj profilleri elde edildi.

Pozitif elektrotun şarj sırasında artan potansiyeli, delithiasyonu gösterdi. Ve negatif elektrotun azalan potansiyeli buna bağlı olarak lityumu gösterdi. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi, pil 100 kez çevrildikten sonra lityumlu kalay referans elektroduna göre pozitif elektrotun empedansında önemli bir artış, ancak negatif elektrotun empedansında minimal bir artış gösterdi.

Bu, empedanstaki genel artışın ağırlıklı olarak pozitif empedanstaki artıştan kaynaklandığı anlamına geliyordu. Aşırı voltaj koşullarında döngü, negatif elektrot üzerine lityum kaplama olasılığını artırarak yoğun güvenlik sorunlarına neden olur. Lityum birikiminin başlangıcını araştırmak için protokoller geliştirerek lityum kaplamanın oluşumunu anlamak için ek deneyler devam etmektedir.

Bu yaklaşım, bir pilin yaşlanması sırasında elektrot davranışı hakkında içeriden bilgi edinmek için kullanılabilir. Kalay telini sodyum veya magnezyum gibi metallerle hizalamak, bu tekniğin yeni nesil pillere uygulanmasını genişletebilir.