सीटू में Lithiated संदर्भ इलेक्ट्रोड: में-operando प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए चार इलेक्ट्रोड डिजाइन
Summary
एक ली-आयन बैटरी में संदर्भ इलेक्ट्रोड के शामिल होने के उच्च वोल्टेज पर स्पष्ट क्षरण तंत्र के लिए बहुमूल्य जानकारी प्रदान करता है । इस आलेख में, हम विद्युत माप में प्राप्त डेटा की अधिकतम सटीकता को आश्वस्त करने के लिए असेंबली चरणों के साथ एकाधिक संदर्भ इलेक्ट्रोड, को समायोजित करता है एक कक्ष डिज़ाइन प्रस्तुत करते हैं ।
Abstract
इन उपकरणों से उच्च ऊर्जा उत्पादन में ली आयन बैटरी परिणाम के ऑपरेटिंग वोल्टेज का विस्तार । उच्च वोल्टेज, तथापि, ट्रिगर या एकाधिक लंबी अवधि के प्रदर्शन क्षय के लिए जिंमेदार प्रक्रियाओं में तेजी लाने कर सकते हैं । कोशिका के अंदर होने वाली शारीरिक प्रक्रियाओं की जटिलता को देखते हुए अक्सर इस प्रदर्शन क्षरण के मूल कारणों की पूरी समझ हासिल करना चुनौतीपूर्ण होता है. इस कठिनाई तथ्य यह है कि एक बैटरी के किसी भी विद्युत माप सेल में सभी घटकों के संयुक्त योगदान वापस आ जाएगा से भाग में उठता है । एक संदर्भ इलेक्ट्रोड का निगमन समस्या का हिस्सा हल कर सकते हैं, क्योंकि यह कैथोड और anode की विद्युत प्रतिक्रियाओं को व्यक्तिगत रूप से जांच की अनुमति देता है । वोल्टेज कैथोड द्वारा अनुभवी रेंज में एक भिंनता है, उदाहरण के लिए, पूर्ण सेल में चक्रीय लिथियम आयनों के पूल में परिवर्तन का संकेत कर सकते हैं । कई बैटरी में विद्यमान दौर के संरचनात्मक विकास भी नजर रखी जा सकता है, समग्र सेल प्रतिबाधा के लिए प्रत्येक इलेक्ट्रोड के योगदान को मापने के द्वारा. जानकारी का ऐसा धन ली-आयन बैटरी में नैदानिक विश्लेषण की पहुंच को परिवर्धित करता है और व्यक्तिगत सेल घटकों के अनुकूलन के लिए मूल्यवान इनपुट प्रदान करती है । इस काम में, हम एक परीक्षण सेल के डिजाइन के लिए एकाधिक संदर्भ इलेक्ट्रोड को समायोजित करने में सक्षम परिचय, और वर्तमान संदर्भ इलेक्ट्रोड है कि माप के प्रत्येक विशिष्ट प्रकार के लिए उपयुक्त हैं, की सटीकता को अधिकतम करने के लिए विधानसभा प्रक्रिया का ब्यौरा प्रायोगिक परिणाम ।
Introduction
ली-आयन बैटरियों (LIBs) से उच्च ऊर्जा घनत्व की मांग मौलिक कारकों को समझने की दिशा में अनुसंधान चला रहा है कि सीमा ली आयन सेल प्रदर्शन1। उच्च वोल्टेज आपरेशन कोशिकाओं के स्तरित संक्रमण धातु ऑक्साइड कैथोड की एक नई पीढ़ी युक्त, ग्रेफाइट एनॉड और कार्बनिक कार्बोनेट इलेक्ट्रोलाइट्स कई परजीवी प्रतिक्रियाओं के साथ जुड़ा हुआ है2,3। इन प्रतिक्रियाओं से कुछ ली-आयन सूची की खपत और अक्सर कोशिका के महत्वपूर्ण प्रतिबाधा वृद्धि में परिणाम4,5,6,7. ली-आयन की हानि भी इलेक्ट्रोड की सतह क्षमता की एक शुद्ध बदलाव में परिणाम. एक पूर्ण सेल में एक व्यक्ति इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज परिवर्तन की निगरानी एक संदर्भ इलेक्ट्रोड बनाम (RE) वाणिज्यिक 3 इलेक्ट्रोड सेल डिजाइन में किया जा सकता है8,9,10,11 , 12 , 13 , 14. वोल्टेज प्रोफाइल से संबंधित जानकारी और व्यक्तिगत इलेक्ट्रोड पर प्रतिबाधा परिवर्तन एक उदारीकरण के मौलिक क्षरण तंत्र की गहरी समझ को बढ़ावा देता है. पारंपरिक 3 इलेक्ट्रोड कोशिकाओं एक संदर्भ इलेक्ट्रोड, जो प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर विद्युत प्रक्रियाओं की एक अलग समझ की सुविधा के रूप में ली धातु होते हैं. ली-कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट के साथ संपर्क में धातु सहज सतह संशोधन और ली पर इस सतह परत के योगदान15quantified नहीं किया जा सकता है । कई 3-इलेक्ट्रोड विंयास जैसे (a) T-model, (b) एक माइक्रो-re दोनों काम और काउंटर इलेक्ट्रोड के लिए समाक्षीय तैनात, (ग) काउंटर इलेक्ट्रोड के पीछे एक पुनः के साथ एक सिक्का सेल, आदि पहले प्रस्तावित किया गया है । इन सेल विन्यास के अधिकांश फिर से सेल सैंडविच से दूर तैनात है, इलेक्ट्रोलाइट की कम चालकता के कारण प्रतिबाधा डेटा में महत्वपूर्ण बहाव पैदा. यह सिद्ध किया गया है कि माप भर में एक स्थिर क्षमता के साथ एक पुनः सैंडविच के केंद्र में स्टेशन के लिए विश्वसनीय प्रतिबाधा डेटा सुनिश्चित किया जाना चाहिए.
आदेश में इन विसंगतियों को संबोधित करने के लिए, हम एक सेल एक चौथी पुनः16शामिल सेटअप तैयार की है । एक अल्ट्रा-पतली sn मढ़वाया घन तार में एक बैटरी है कि electrochemically lithiated सीटू में एक लीएक्सSn मिश्र धातु के रूप में किया जा सकता है इलेक्ट्रोड के बीच में सैंडविच है । के रूप में एसएन lithiation, संदर्भ तार बूंदों की वोल्टेज और एक पूरी तरह से lithiated तार है एक संभावित करीब 0 वी बनाम ली+/Li17. lithiated संरचना एक संभावित ली धातु और metastable मिश्र के बराबर है माप की समय अवधि के दौरान एक स्थिर क्षमता की सुविधा । एक ली धातु इलेक्ट्रोलाइट करने के लिए उजागर संरचना परतों बनाने इलेक्ट्रोलाइट अपघटन उत्पादों के लिए प्रवण है । एक EIS माप एक इलेक्ट्रोड के बीच स्पेक्ट्रा इकट्ठा करने और ली धातु संदर्भ के रूप में युग्मन में प्रतिबाधा पर इन परतों के योगदान के कारण विश्वसनीय नहीं किया गया है के द्वारा व्यक्तिगत इलेक्ट्रोड की जांच करने के लिए. हालांकि इलेक्ट्रोलाइट कमी भी ली-Sn सतह पर अपरिहार्य है, एक सीटू lithiated संदर्भ तार में निम्नलिखित लाभ हैं: (क) वोल्टेज के रूप में कोई निरंतर इलेक्ट्रोलाइट अपघटन उत्पादों की अपघटन क्षमता से ऊपर हमेशा है इलेक्ट्रोलाइट जब तक lithiated, सिस्टम में ली सूची के चेहरे की परतों के लिए कोई नुकसान का अर्थ; (ख) Sn तार के lithiation के दौरान गठित परतें एक बहुत छोटे क्षेत्र पर हैं, EIS डेटा में नगण्य योगदान प्रदान कर रही हैं; और (ग) Sn तार के रूप में गठित उत्पादों नीचा ली खो देता है और तार बढ़ जाती है की क्षमता, हर lithiation के दौरान ताजा Sn तार के lithiation में जिसके परिणामस्वरूप और इस प्रकार बहुत पतली चेहरे की परतों के गठन के बजाय इन की वृद्धि की मोटाई हर बार परतों. स्पेक्ट्रा इन मिश्र धातुओं के साथ दर्ज के रूप में संदर्भ इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा के और अधिक सटीक और विश्वसनीय डेटा प्रदान करते हैं. हम मानक २०३२-प्रकार सिक्का कोशिकाओं और 4 इलेक्ट्रोड पुनः कोशिकाओं के साथ परीक्षण हमारे डिजाइन को मान्य करने के लिए आयोजित किया । इन परीक्षणों से परिणाम और हमारे डेटा की व्याख्या एक प्रतिनिधि परिणाम के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा हमारे प्रोटोकॉल की प्रभावकारिता की व्याख्या । 3-4.4 वी साइकिल चालन के दौरान एक मानक प्रोटोकॉल है, जो गठन चक्र, उंर बढ़ने चक्र, और आवधिक एसी प्रतिबाधा माप शामिल पीछा किया । सिक्का सेल माप चक्र जीवन, क्षमता प्रतिधारण, एसी प्रतिबाधा परिवर्तन, आदि के रूप में मानकों पर बहुमूल्य जानकारी प्रदान करते हैं. RE कोशिकाओं वोल्टेज परिवर्तन और व्यक्तिगत इलेक्ट्रोड पर प्रतिबाधा वृद्धि की निगरानी सक्षम. क्षमता फीका और प्रतिबाधा वृद्धि में हमारे यंत्रवत समझ इलेक्ट्रोलाइट सिस्टम के विकास के लिए दिशानिर्देश प्रदान करते हैं और उच्च वोल्टेज सेल आपरेशन के दौरान प्रत्येक इलेक्ट्रोड से क्षमता हानि के लिए योगदान को समझने कर सकते हैं.
हमारी कोशिकाओं को समाहितली १.०३ (Ni०.५Co०.२Mn०.३)०.९७ओ2 (NMC532 के रूप में यहां चिह्नित)-सकारात्मक इलेक्ट्रोड आधारित, ग्रेफाइट आधारित नकारात्मक इलेक्ट्रोड (जीआर के रूप में यहां चिह्नित) और LiPF 6 के एक १.२ मीटर समाधान Fluoroethylene कार्बोनेट (FEC) में: इलेक्ट्रोलाइट के रूप में एथिल मिथाइल कार्बोनेट (EMC) (5:95 w/ इस अध्ययन में इस्तेमाल इलेक्ट्रोड Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला में सेल विश्लेषण, मॉडलिंग और प्रोटोटाइप (शिविर) सुविधा पर गढ़े मानक इलेक्ट्रोड हैं. सकारात्मक इलेक्ट्रोड NMC532 के होते हैं, प्रवाहकीय कार्बन additive (सी-४५) और polyvinylidene फ्लोराइड (PVdF) एक 20 µm मोटी अल वर्तमान कलेक्टर पर 90:5:5 के एक वजन अनुपात में बांधने की मशीन. नकारात्मक इलेक्ट्रोड ग्रेफाइट के होते हैं, सी के साथ मिश्रित-४५, और PVdF बांधने की मशीन एक वजन अनुपात में एक 10 µm मोटी घन वर्तमान कलेक्टर पर 92:2:6 । ५.०८ cm व्यास का परिपत्र डिस्क इलेक्ट्रोड के टुकड़े से छिद्रित थे और विभाजक ७.६२ सेमी भीतरी व्यास के साथ फिक्स्चर में उपयोग के लिए एक ७.६२ सेमी मरने के साथ छिद्रित थे । इन इलेक्ट्रोड १२० ° c और विभाजक पर ७५ डिग्री सेल्सियस से कम 12 के लिए एक निर्वात ओवन में पहले कक्ष विधानसभा के लिए सूख गए थे । स्थिरता डिजाइन का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व चित्रा 1में प्रतिनिधित्व किया है । बड़े फिक्स्चर और इलेक्ट्रोड इकाई क्षेत्र प्रति वर्तमान वितरण में ंयूनतम सजातीयता, इस प्रकार सुनिश्चित करने, प्रतिबाधा स्पेक्ट्रा में कम विकृति प्रदान. 3-4.4 वी सायक्लिंग एक मानक प्रोटोकॉल है, जो एक सी/20 की दर, एक सी पर १०० उंर बढ़ने चक्र में दो गठन चक्र शामिल पीछा किया/ सभी बैटरी परीक्षण 30 डिग्री सेल्सियस पर आयोजित किया गया । विद्युत सायक्लिंग डेटा एक बैटरी साइकिल चालक का उपयोग कर मापा गया था और विद्युत प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) एक potentiostat प्रणाली का उपयोग किया जाता है.
Protocol
Representative Results
Discussion
चित्रा 2a पूर्ण सेल की वोल्टेज प्रोफ़ाइल है, जबकि चित्रा 2 बी और 2 ए के लिए संगत शो वोल्टेज प्रोफाइल सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के लिए इसी बनाम ली/ली+ जोड़ी जबकि पूर…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक ऊर्जा, ऊर्जा दक्षता और नवीकरणीय ऊर्जा के कार्यालय के अमेरिकी विभाग से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं ।
Materials
| Insulstrip 220 | Ambion Corporation | 081607-1 | |
| Sodium Hydroxide (23 wt%) | Ambion Corporation | 1310-73-2 | Contents of Insulstrip 220 |
| Furfuryl Alcohol (10 wt%) | Ambion Corporation | 98-00-0 | Contents of Insulstrip 220 |
| NCM523 | TODA America | NM4100 | |
| C-45 | Timcal Inc. | ||
| polyvinylidene fluoride (PVdF) | Sigma Aldrich | 427152 | |
| Sn over Cu wire | Kanthal | MELT # 24633 | Custom ordered |
| Battery cycler | Maccor USA | Series 2300 | |
| Potentiostat | Solartron Analytical | 1470 E |
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