Pièce de trois électrodes cellule préparation et électrodéposition Analytique pour Batteries Lithium-ion

Summary

Les cellules de trois électrodes sont utiles dans l’étude de l’électrochimie des batteries lithium-ion. Une telle configuration électrochimique permet les phénomènes associés à l’anode et la cathode d’être découplés et examiné indépendamment. Nous présentons ici un guide pour la construction et l’utilisation d’une cellule de trois électrodes pièce en mettant l’accent sur le lithium analytique de placage.

Abstract

Comme au lithium-ion batteries trouvent une utilisation à haute énergie et les applications de puissance, tels que dans les véhicules électriques et hybrides-électriques, suivi de la dégradation et les questions de sécurité ultérieures devient de plus en plus important. Dans une configuration de cellules Li-ion, la mesure de la tension entre les bornes positives et négatives comprend essentiellement l’effet de la cathode et l’anode qui sont couplés et somme au rendement total de cellules. Par conséquent, la capacité de surveiller les aspects de dégradation associés à une électrode spécifique est extrêmement difficile, parce que les électrodes sont fondamentalement couplés. Une configuration de trois électrodes peut surmonter ce problème. En introduisant une troisième électrode (référence), l’influence de chaque électrode peut être découplé et les propriétés électrochimiques peuvent être mesurées de manière indépendante. L’électrode de référence (RE) doit avoir un potentiel stable qui peut ensuite être calibré contre une référence connue, par exemple, les batteries au lithium métal. La cellule de trois électrodes peut être utilisée pour exécuter les tests électrochimiques comme le cyclisme, voltamétrie cyclique et spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE). Mesures de trois électrodes cellule EIS peuvent élucider la contribution de l’impédance de l’électrode à la cellule complète. En outre, l’anode potentiel de surveillance permet la détection d’électrodéposition en raison de l’électrodéposition de lithium, ce qui peut causer des problèmes de sécurité. Ceci est particulièrement important pour la charge rapide des batteries Li-ion en véhicules électriques. Afin de surveiller et de caractériser les aspects de sécurité et de la dégradation d’une cellule électrochimique, une configuration de trois électrodes peut s’avérer précieuse. Ce document vise à fournir un guide de construction d’une installation de cellule pièce trois électrodes à l’aide de l’architecture cellulaire 2032-pièce de monnaie, qui est facile à produire, fiable et rentable.

Introduction

Bien que l’origine des piles au lithium remonte arbitrairement loin dans le passé, la production à grande échelle et la commercialisation d’un grand nombre d’aujourd’hui communément trouvés au lithium-ion a commencé dans les années 1980. Beaucoup les matériaux développés à cette époque, un exemple étant l’oxyde de Cobalt Lithium LiCoO₂, se trouvent encore couramment en usage aujourd’hui¹. De nombreuses études actuelles ont été axées vers le développement de diverses autres structures d’oxyde métallique, avec certains accent mis à réduire ou à éliminer l’utilisation du cobalt en lieu et place d’autres moins coûteux et plus respectueuses métaux, tels que ²manganèse ou le nickel. Le paysage en constante évolution des matériaux utilisés dans les batteries lithium-ion nécessite une méthode efficace et précise de caractériser leur performance et sécurité. Parce que l’exploitation de n’importe quelle batterie implique la réaction électrochimique couplée des deux électrodes positives et négatives, piles typique de deux électrodes tombent loin d’être en mesure de caractériser les électrodes indépendamment. Caractérisation de pauvre et le manque de compréhension peuvent alors conduire à des situations dangereuses ou mauvaise performance batterie globale due à la présence des phénomènes de dégradation. Des recherches antérieures vise à uniformiser les techniques de traitement pour les cellules de deux électrodes typiques³. Une méthode qui améliore les lacunes des configurations standard de cellule est la cellule de trois électrodes.

Une configuration de trois électrodes est une méthode de découpler les réponses des deux électrodes et de fournir un meilleur aperçu de la physique fondamentale de l’opération de la batterie. Dans une configuration de trois électrodes, une électrode de référence est introduite en plus de la cathode et l’anode. Cette électrode de référence est ensuite utilisée pour mesurer le potentiel de l’anode et la cathode dynamiquement au cours de l’opération. Aucun courant ne circule à travers l’électrode de référence et par conséquent, il fournit une tension du singulier et idéalement stable,. En utilisant une configuration de trois électrodes, la tension de la cellule complète, le potentiel de la cathode et le potentiel de l’anode peuvent être collectées simultanément au cours de l’opération. En plus des mesures potentielles, les contributions de l’impédance des électrodes peuvent être caractérisées en fonction de l’état de la cellule de charge⁴.

Configurations de trois électrodes sont très utiles pour l’étude des phénomènes de dégradation dans les batteries lithium-ion, comme l’électrodéposition du lithium métal, aussi connu comme placage de lithium. Autres groupes ont proposé trois électrodes configurations^{5,6,7,8,9,10,11,12, 13} mais ils souvent utilisent le métal de lithium intrinsèquement instable comme référence et comprennent la coutume, difficile d’obtenir les configurations conduisant à une fiabilité réduite. Au lithium placage a lieu lorsque, au lieu d’intercalation dans la structure d’électrode hôte, au lithium se dépose sur la surface de la structure. Ces dépôts suppose communément que la morphologie d’une couche métallique (relativement) uniforme (placage) ou de petites structures dendritiques. Électrodéposition peut avoir des effets allant de causer des problèmes de sécurité pour empêcher cyclisme performance. D’un point de vue phénoménologique, placage au lithium se produit en raison d’une incapacité de lithium à intercaler dans la structure d’électrode hôte efficacement. Placage a tendance à se produire à basse température, haute charge taux, électrode haute état de charge (SOC) ou une combinaison de ces trois facteurs¹². À basse température, la diffusion à l’état solide à l’intérieur de l’électrode est réduite, en raison de la dépendance de diffusivité Arrhenius sur la température. La plus faible diffusion à l’état solide se traduit par une accumulation de lithium à l’interface électrode-électrolyte et un dépôt ultérieur de lithium. À un taux de charge élevé, un phénomène similaire se produit. Le lithium tente d’intercaler dans la structure de l’électrode très rapidement mais ne peut pas et ainsi est plaqué. À un système sur puce plus élevé, il n’y a en moyenne moins d’espace pour le lithium à intercaler dans la structure, et ainsi, il devient plus favorable à déposer sur la surface.

Dendrites de lithium sont d’une importance particulière en raison de la préoccupation de sécurité qu’ils causent. Si les dendrites forment à l’intérieur d’une cellule, il est possible pour eux d’évoluer, de percer le séparateur et de provoquer un courtcircuit interne entre l’anode et la cathode. Ce court métrage interne peut conduire à températures très haute localisée dans l’électrolyte inflammable, ce qui entraîne souvent de l’emballement thermique et même dans une explosion de la cellule. Une autre question liée à la formation de la dendrite est l’augmentent la surface de la lithium réactive. Le lithium nouvellement déposé est réagissent avec l’électrolyte et provoquer une augmentation électrolyte solide interphase (SEI) formation, qui conduira à la perte de capacité accrue et une piètre performance cycliste.

Un problème lié à la conception d’un système de trois électrodes est le choix de l’électrode de référence approprié. Relatives à l’emplacement et la taille de la référence de la logistique, les électrodes positives et négatives peuvent jouer un rôle important dans l’acquisition des résultats précis du système. Un exemple est que le défaut d’alignement des électrodes positives et négatives au cours de la construction de la cellule et les effets de bord qui en résulte peut introduire une erreur dans la référence de lecture^14,15. En ce qui concerne le choix des matériaux, l’électrode de référence doit avoir une tension stable et fiable et ont une haute polarisabilité-non. Pile au lithium métal, qui est souvent utilisé comme une électrode de référence par de nombreux groupes de recherche, a un potentiel qui dépend de la surface du film passif. Ceci peut entraîner des problèmes parce qu’il est nettoyé et électrodes âgés au lithium affichent différents potentiels¹⁶. Cela devient un problème lorsqu’on étudie les effets de vieillissement à long terme. Recherche par Solchenbach et coll. a tenté d’éliminer certains de ces problèmes d’instabilité en alliage or avec lithium et l’utiliser comme leur référence¹¹. Une autre recherche a examiné les différents matériaux, y compris le titanate de lithium, qui a été étudié expérimentalement et présente une large gamme de plateau de potentiel électrochimique autour de 1,5 à 1,6 V¹⁷ (~ 50 % SOC). Ce plateau permet de maintenir un potentiel stable, surtout en cas de perturbation accidentelle à l’état de l’électrode de charge. La stabilité potentielle de LTO, y compris les additifs conductrices à base de carbone, est maintenue même à C-rythmes différents et de températures. ¹⁸ il est important de souligner que le choix de l’électrode de référence est une étape importante dans la conception de la cellule de trois électrodes.

Plusieurs groupes de recherche ont proposé d’installation cellule expérimentale de trois électrodes. Dolle et coll. utilisé des cellules en plastique minces avec une électrode de référence de fil de cuivre de titanate lithium pour étudier les variations d’impédance en raison de cyclisme et de stockage à des températures élevées,¹⁹. McTurk et coll. employé une technique par laquelle un fil de cuivre plaqué de lithium a été inséré dans une cellule de pochette commerciale, l’objectif principal étant de démontrer l’importance de l’insertion non invasive techniques⁹. Solchenbach et al. utilisé une mis à jour le Swagelok-type T-cellule et une électrode de référence micro or (déjà mentionné) d’impédance et de mesures potentielles. ¹¹ Waldmann et coll. récolté des électrodes de cellules commerciales et reconstruit leurs propres cellules sachet de 3 électrodes pour utilisation dans l’étude des dépôts de lithium¹². Costard et coll. mis au point un boîtier interne cellule expérimentale de trois électrodes pour tester l’efficacité de l’électrode de référence différents matériaux et configurations¹³.

La plupart de ces groupes de recherche utilise métal de lithium pur comme la référence, qui peut avoir des inquiétudes avec la stabilité et de croissance de SEI, surtout avec l’utilisation à long terme. Autres questions qui impliquent des modifications compliquées et fastidieuses de configurations existantes ou commerciales. Dans cet article, une technique fiable et rentable pour la construction des cellules de pièce de Li-ion de 3 électrodes pour tests électrochimiques est présente, comme illustré à la Figure 1. Cette configuration de trois électrodes peut être construite à l’aide de composants de cellules de pièce de monnaie standard, fil de cuivre et électrode de référence basé sur le titanate de lithium (voir Figure 2). Cette méthode ne nécessite pas de n’importe quel équipement spécialisé ou modifications élaborées et suit les méthodes électrochimique d’échelle de laboratoire standard et matériaux provenant de fournisseurs commerciaux.

Protocol

1. faire référence à électrode et préparation de séparateur Préparation d’électrode de référence Préparation de fil Couper une longueur de 120 mm de fil de cuivre de taille 32 AWG (0,202 mm de diamètre) émaillé.Remarque : Chaque fil deviendra 1 électrode de référence et sera utilisé à l’intérieur 1 cellule de trois électrodes. Placez une extrémité du fil dans une presse de laboratoire. Appuyez doucement sur envi…

Representative Results

Résultats typiques pour la tension et des profils potentiels pour la cellule de trois électrodes peuvent être vu à la Figure 7. Dans une configuration idéale, la tension de la cellule complète devrait être identique à celle produite à partir d’une cellule de deux électrodes à l’aide d’un même couple d’électrodes. Il s’agit d’une méthode pour déterminer si l’insertion de l’électrode de référence modifie les performances de la …

Discussion

Cellule de pression de sertissage joue un rôle important dans le taux de réussite de la préparation et le travail des cellules. Si la cellule est coincée à une pression trop élevée (> 800 lb/po2), l’électrode de référence peut devenir court-circuité avec le capuchon de la cellule en raison de la référence fil position entre le bouchon et le joint. Notez que le fil traversant cette interface est une exigence pour le raccordement de l’électrode de référence à un appareil de mesure externe de lecture. S…

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