Drei-Elektroden-Münze Zelle Vorbereitung und Galvanisierung Analytics für Lithium-Ionen-Batterien
Summary
Drei-Elektroden-Zellen eignen sich bei der Untersuchung der Elektrochemie Lithium-Ionen-Batterien. Solch eine elektrochemische Setup ermöglicht die Erscheinungen, die mit der Kathode und Anode entkoppelt und unabhängig geprüft werden. Hier stellen wir eine Anleitung für Bau und Betrieb von einer drei-Elektroden-Knopfzelle mit Schwerpunkt auf Lithium plating-Analytik.
Abstract
Als Lithium-Ionen-finden Batterien Verwendung in hoher Energie und Power-Anwendungen, wie z. B. Elektro- und Hybrid-Elektro-Fahrzeuge, Überwachung der Abbau und die anschließende Sicherheitsfragen zunehmend an Bedeutung gewinnt. In einem Lithium-Ionen-Zelle-Setup enthält die Spannungsmessung über die positiven und negativen Terminals von Natur aus die Wirkung der Kathode und Anode die gekoppelt sind und Summe der Ergebniszelle Leistung. Dementsprechend ist die Möglichkeit, den Abbau Aspekte im Zusammenhang mit einer bestimmten Elektrode überwachen äußerst schwierig, weil die Elektroden grundlegend gekoppelt sind. Eine drei-Elektroden-Setup kann dieses Problem überwinden. Durch die Einführung eines dritten (Bezugselektrode), der Einfluss jeder Elektrode entkoppelt werden kann, und die elektrochemischen Eigenschaften unabhängig voneinander gemessen werden. Die Referenzelektrode (RE) müssen eine stabile Potenzial, das dann zum Beispiel vor einer bekannten Referenz kalibriert werden kann, lithiummetall. Die drei-Elektroden-Zelle kann verwendet werden, um elektrochemische Tests wie Radfahren, zyklische Voltammetrie und elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS). Drei-Elektroden-Zelle EIS Messungen können den Beitrag der einzelnen Elektrode Impedanz auf die vollständige Zelle aufzuklären. Darüber hinaus ermöglicht die Überwachung der Anode potenzielle die Erkennung der Galvanisierung durch Lithium-Beschichtung, die Sicherheitsbedenken verursachen können. Dies ist besonders wichtig für das Schnellladen von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen. Um zu überwachen und zu charakterisieren, die Sicherheit und Abbau Aspekte eine elektrochemische Zelle, kann eine drei-Elektroden-Setup von unschätzbarem Wert. Dieses Papier soll eine Anleitung zum Bau einer drei-Elektroden-Münze-Zelle-Setup mit 2032 Knopfzelle Architektur, die leicht zu produzieren, zuverlässig und kostengünstig ist.
Introduction
Obwohl der Ursprung von Lithium-Batterien beliebig weit in die Vergangenheit, die groß angelegte Produktion und Vermarktung von vielen der heutigen häufig zurückführen lassen begann gefundenen Lithium-Ionen-Batterien in den 1980er Jahren. Viele Materialien entwickelt während dieser Ära, zum Beispiel Lithium-Cobalt-oxid (LiCoO2), sind noch im Einsatz heute1verbreitet. Viele aktuelle Studien konzentrierten sich auf die Entwicklung der verschiedenen anderen Metall-Oxid-Strukturen, mit einigem Nachdruck gelegt zu reduzieren oder zu eliminieren die Verwendung von Kobalt anstelle von anderen kostengünstiger und umweltfreundlicher gutartige Metalle, wie z. B. Mangan oder Nickel2. Die ständig wechselnde Landschaft von Materialien in Lithium-Ionen-Batterien erfordert eine effektive und genaue Methode der Charakterisierung ihrer Leistung und Sicherheit. Da der Betrieb der Akku die gekoppelte elektrochemische Reaktion der positiven und negativen Elektroden verbunden ist, zurückbleiben typisch zwei Elektroden Batterien in der Lage, selbständig die Elektroden zu charakterisieren. Schlechte Charakterisierung und das anschließende Unverständnis führen dann zu gefährlichen Situationen oder schlechte Gesamtleistung Batterie wegen des Vorhandenseins des Abbaus Phänomene. Die bisherige Forschung hat abzielen, Standardisierung der Verarbeitungstechniken für typische zwei-Elektroden-Zellen3. Eine Methode, die auf die Mängel der Standardzelle Konfigurationen verbessert ist die drei-Elektroden-Zelle.
Eine drei-Elektroden-Setup ist eine Methode, um die beiden Elektroden Antworten zu entkoppeln und bieten einen besseren Einblick in die grundlegende Physik der Akku-Betrieb. In einem drei-Elektroden-Setup ist eine Referenzelektrode neben der Kathode und Anode eingeführt. Diese Referenzelektrode wird dann verwendet, um das Potenzial der Anode und Kathode dynamisch während des Betriebs zu messen. Kein Strom wird durch die Bezugselektrode geleitet und bietet daher eine singular und im Idealfall stabile Spannung. Mithilfe von einem drei-Elektroden-Setup können die volle Zellspannung, das Potential der Kathode und Anode Potenzial gleichzeitig während des Betriebs erhoben. Neben den möglichen Messungen können die Impedanz-Beiträge der Elektroden in Abhängigkeit von den Zellstatus kostenlos4charakterisiert werden.
Drei-Elektroden-Setups sind sehr nützlich für das Studium Abbau Phänomene in Lithium-Ionen-Batterien, wie die Galvanisierung von lithiummetall, auch bekannt als Lithium-Beschichtung. Andere Gruppen haben vorgeschlagen, drei-Elektroden-Setups5,6,7,8,9,10,11,12, 13 aber sie oft inhärent instabil lithiummetall als Referenz verwenden und Benutzerdefiniert, schwer zu Setups führt zu verringerte Zuverlässigkeit zu montieren. Lithium-Beschichtung erfolgt bei statt in der Host-Elektrodenstruktur verschuppen, Lithium lagert sich auf der Oberfläche der Struktur. Diese Einlagen übernehmen häufig die Morphologie der entweder eine (relativ) einheitliche metallische Schicht (Beschichtung) oder kleine dendritischen Strukturen. Beschichtung kann Auswirkungen von Sicherheitsfragen zu behindern, Radfahren Leistung verursacht haben. Aus Sicht der phänomenologischen tritt Lithium Beschichtung aufgrund einer Unfähigkeit von Lithium, effektiv in der Host-Elektrodenstruktur einzulagern. Überzug neigt dazu, bei niedrigen Temperaturen, hohe Aufladung Rate, hohe Elektrode Zustand der Aufladung (SOC) oder eine Kombination dieser drei Faktoren12auftreten. Bei niedrigen Temperaturen ist die Solid-State-Diffusion im Inneren der Elektrode durch die Arrhenius diffusivität Abhängigkeit von Temperatur reduziert. Die unteren Solid-State-Diffusion führt zu einer Ansammlung von Lithium an der Elektrode-Elektrolyt-Schnittstelle und eine anschließende Ablagerung von Lithium. Bei einem hohen Ladestrom tritt ein ähnliches Phänomen. Das Lithium versucht, sehr schnell in der Elektrodenstruktur einzulagern aber nicht und so ist vernickelt. Bei einer höheren SOC gibt es im Durchschnitt weniger Speicherplatz für das Lithium in die Struktur einzulagern, und somit günstiger, auf der Oberfläche ablagern.
Lithium Dendriten sind von besonderer Bedeutung aufgrund von Sicherheitsbedenken, die sie verursachen. Dendriten in einer Zelle zu bilden, gibt es ein Potential für sie zu wachsen, den Separator durchbohren und verursachen einen internen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode. Dieser interne Kurzfilm kann zu sehr hohen lokalisiert Temperaturen in den brennbaren Elektrolyten, was häufig in thermischen Instabilität und sogar in einer Explosion der Zelle führen. Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit Dendrit Bildung ist die vergrößerte Oberfläche der reaktiven Lithium. Neu hinterlegte Lithium reagiert mit dem Elektrolyten und verursachen erhöhte festen Elektrolyt Interphase (SEI) Bildung, was zu erhöhten Kapazitätsverlust und Radsport Leistungseinbußen führt.
Ein Problem mit dem Design eines drei-Elektroden-Systems ist die Auswahl der geeigneten Bezugselektrode. Logistik in Bezug auf die Position und Größe des Verweises, können positive und negative Elektroden spielen eine wichtige Rolle beim Erwerb von genaue Ergebnisse aus dem System. Ein Beispiel dafür ist, dass die Fehlausrichtung der positiven und negativen Elektroden während der Zelle-Bau und die daraus resultierende Randeffekte Fehler in der Referenz lesen14,15einführen kann. In Bezug auf die Materialauswahl sollte die Bezugselektrode haben eine stabile und zuverlässige Spannung und eine hohe nicht-Polarisierbarkeit. Lithiummetall, das oft als Referenzelektrode durch viele Forschungsgruppen verwendet wird, hat ein Potenzial, das hängt von der passiven oberflächenfilm. Dies kann Fragen zu produzieren, weil gereinigt und im Alter von Lithium Elektroden zeigen unterschiedliche Potenziale16. Dies wird zum Problem, wenn langfristige Alterungseffekte studiert werden. Forschung durch Solchenbach Et Al. hat versucht, einige dieser Instabilität Probleme durch Legierungsmetall Gold mit Lithium und benutze es als ihre Referenz11zu beseitigen. Andere Forschung hat schaute auf verschiedenen Materialien einschließlich Lithium-Titanat, das wurde experimentell untersucht und zeigt eine große elektrochemische Plateau Potentialbereich rund um 1,5-1,6 V17 (~ 50 % SOC). Dieses Plateau hilft, um eine stabile Potenzial, vor allem im Falle einer zufälligen Störung an der Elektrode Staat unentgeltlich zu halten. Die mögliche Stabilität des LTO, einschließlich Kohlenstoff basierenden leitfähige Additive, bleibt auch bei verschiedenen C-Preise und Temperaturen. 18 ist es wichtig zu betonen, die die Auswahl der Bezugselektrode ein wichtiger Schritt in der drei-Elektrode Zellendesign ist.
Viele Forschungsgruppen haben experimentelle drei-Elektroden-Zelle Setup vorgeschlagen. Dolle Et Al. verwendet dünne Kunststoff Zellen mit einer Lithium-Titanat Kupferdraht Referenzelektrode, um Veränderungen der Impedanz durch Radfahren und Lagerung bei hohen Temperaturen19zu studieren. McTurk Et Al. verwendet eine Technik, wobei ein Lithium vergoldet Kupferdraht in einer kommerziellen Beutel-Zelle mit dem wichtigsten Ziel, zu zeigen, wie wichtig es ist, nicht-invasive Einfügung Techniken9eingefügt wurde. Solchenbach Et al. verwendet eine modifizierte Swagelok-Typ T-Zelle und gold Mikro-Referenzelektrode (erwähnt) für Impedanz und möglichen Messungen. 11 Waldmann Et Al. Elektroden aus kommerziellen Zellen geerntet und ihre eigenen drei-Elektroden-Pouch-Zellen für den Einsatz im Studium Lithium Ablagerung12rekonstruiert. Costard Et Al. entwickelt eine eigene experimentelle drei-Elektroden-Zelle Gehäuse um die Wirksamkeit der verschiedenen Referenz-Elektrode Materialien und Konfigurationen13zu testen.
Die meisten dieser Forschungsgruppen verwenden reines lithiummetall als Referenz, die Bedenken mit Stabilitäts- und SEI haben kann, besonders bei Langzeitanwendung. Andere Themen beinhalten komplizierte und zeitraubende Änderungen an bestehenden oder kommerziellen Installationen. In diesem Papier wird eine zuverlässige und kostengünstige Technik für den Bau von drei-Elektrode Lithium-Ionen-Knopfzellen für elektrochemische Tests vorgestellt, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieses drei-Elektroden-Setup kann mit standard-Münze Zellbestandteile, Kupferdraht und Lithium-Titanat-basierte Referenzelektrode (siehe Abbildung 2) konstruiert werden. Diese Methode erfordert spezielle Ausrüstung oder aufwendigen Modifikationen und folgt standardlabor Skala elektrochemische Verfahren und Materialien von kommerziellen Anbietern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zelle Crimpen Druck spielt eine wichtige Rolle in die Erfolgsrate bei der Vorbereitung und arbeitenden Zellen. Wenn die Zelle mit einem zu hohen Druck gewellt ist (> 800 Psi), die Bezugselektrode kann mit der Zelle Kappe aufgrund der Referenz kurzgeschlossen werden Draht Position zwischen der Kappe und der Dichtung. Beachten Sie, dass der Draht über diese Schnittstelle eine Voraussetzung, um die Bezugselektrode lesen, ein externes Messgerät anschließen. Wenn die Zelle-Druck zu niedrig ist (< 700 Psi), die Zelle kann P…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finanzieller Unterstützung von dem Partnerprogramm von Texas Instruments (TI) Universität Forschung wird dankbar anerkannt. Die Autoren erkennen auch dankbar die Hilfe der Chien-Fan Chen aus der Energie und Transport Sciences Laboratory, Maschinenbau, Texas A & M University, in der Anfangsphase dieser Arbeit.
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 |
Referências
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