Tre elektrode mynt celle forberedelse og elektrodeposisjon analyser for litium-ion batterier

Summary

Tre elektrode celler er nyttige i å studere elektrokjemi litium-ion batterier. Slike en elektrokjemisk installasjon lar fenomener forbundet med katode og anode skilt og undersøkt uavhengig. Her presenterer vi en guide for bygging og bruk av en tre-elektrode mynt celle med vekt på lithium plating analytics.

Abstract

Som litium-ion finner batterier bruk i høy energi og kraft programmer, slik som i elektriske og hybrid-elektriske kjøretøy, overvåking fornedrelse og påfølgende sikkerhet blir stadig viktigere. I en Li-ion celle oppsett inkluderer spenning måling over positive og negative terminalene iboende effekten av anoden og katoden som er kombinert og summen på totalt-cellen ytelsen. Følgelig er evnen å dataskjerm fornedrelse aspekter knyttet til en bestemt elektrode svært vanskelig fordi elektrodene er fundamentalt kombinert. En tre-elektrode oppsett kan løse dette problemet. Ved å introdusere en tredje (referanse) elektrode, påvirkning av hver elektrode kan være frakoblet, og egenskapene elektrokjemiske kan måles uavhengig. Referanse elektroden (RE) må ha en stabil potensialet som kan deretter kalibreres mot en kjent referanse, for eksempel, litium metal. Tre elektrode cellen kan brukes til å kjøre elektrokjemiske tester som sykling, syklisk voltammetry og elektrokjemiske impedans spektroskopi (EIS). Tre elektrode celle EIS målinger kan belyse bidrag av individuelle elektrode impedans til full-cellen. I tillegg gjør overvåking anoden potensielle påvisning av elektrodeposisjon på grunn av litium plating, som kan forårsake sikkerhet bekymringer. Dette er spesielt viktig for rask lading av Li-ion-batterier i elektriske biler. For å overvåke og karakteriserer de sikkerhet og fornedrelse aspektene av en elektrokjemiske cellen, kan en tre-elektrode oppsett være uvurderlig. Notatet tar sikte på å gi en guide til å bygge en tre-elektrode mynt celle oppsett med 2032-mynt celle arkitektur, som er lett å produsere, pålitelig og kostnadseffektiv.

Introduction

Selv om opprinnelsen til lithium-batterier kan spores vilkårlig langt tilbake i fortiden, storskala produksjon og kommersialisering av mange av dagens vanligvis begynte funnet litiumionbatterier i 1980. Mange av materiale utviklet i løpet av denne tiden, ett eksempel er Lithium Cobalt Oxide (LiCoO₂), er fortsatt ofte funnet i bruk i dag¹. Mange aktuelle studier har vært rettet mot utvikling av diverse andre metalloksid strukturer, med noen vekt mot å redusere eller eliminere bruken av kobolt i stedet for andre rimeligere og mer miljøvennlig godartet metaller, som mangan eller nikkel². Kontinuerlig skiftende landskapet materialer i litiumionbatterier nødvendiggjør en effektiv og nøyaktig metode for å karakterisere både ytelse og sikkerhet. Fordi bruk av noen batteriet innebærer kombinert elektrokjemiske svar både positive og negative elektroder, bommer typisk to elektrode batterier å karakterisere elektrodene uavhengig. Dårlig karakterisering og påfølgende mangelen på forståelse kan deretter føre til farlige situasjoner eller dårlig samlede batteriytelse av nedbrytning fenomener. Tidligere forskning har vært å standardisere behandling teknikker for typiske to elektrode celler³. En metode som forbedrer på svakhetene i standard celle konfigurasjoner er tre elektrode cellen.

En tre-elektrode oppsett er én metode for å koble de to elektrodene svar og gi en større innsikt i grunnleggende fysikk på batteridrift. I en tre-elektrode oppsett introdusert en referanse elektrode i tillegg til katoden og anode. Denne referanse elektrode brukes deretter til å måle potensialet i anoden og katoden dynamisk under drift. Intet gjeldende overføres via referanse elektroden og derfor gir en entall, og ideelt sett stabile, spenning. Bruker en tre-elektrode oppsett, kan full celle spenningen og katoden potensialet anode potensialet hentes samtidig under drift. I tillegg til potensielle mål, kan impedans bidrag av elektrodene karakteriseres som en funksjon av cellen gratis⁴.

Tre elektrode oppsett er svært nyttig for å studere fornedrelse fenomener i litiumionbatterier, som elektrodeposisjon av litium metall, også kjent som litium plating. Andre grupper har foreslått tre elektrode oppsett^{5,6,7,8,9,10,11,12, 13} men de ofte bruke ifølge sakensnatur ustabilt litium metall som referanse og inkluderer tilpasset, vanskelig å montere oppsett fører til redusert pålitelighet. Litium plating skjer når i stedet for intercalating i vert elektrode strukturen, litium avsettes på overflaten av strukturen. Disse innskuddene anta vanligvis morfologi av en (relativt) jevnt metallisk lag (plating) eller små dendrittiske strukturer. Plating kan ha effekter fra forårsaker sikkerhetsforholdene å vanskeliggjøre sykling ytelse. Fra et fenomenologisk perspektiv skyldes litium plating ikke av lithium kan intercalate inn i vert elektrode strukturen effektivt. Plating tendens til å oppstå ved lav temperatur, høy lading hastighet, høy elektrode status for ladingen (SOC) eller en kombinasjon av disse tre faktorene¹². Ved lav temperatur reduseres SSD spredningen i elektroden, på grunn av Arrhenius diffusivity avhengighet av temperatur. Lavere SSD spredningen resulterer i en oppbygging av litium på elektroden-elektrolytt grensesnittet og en påfølgende deponering av lithium. I en høy lading oppstår et lignende fenomen. Lithium forsøker å intercalate i elektrode strukturen raskt men ikke og dermed er belagt. På en høyere SOC, det er i gjennomsnitt mindre plass til litium til intercalate i strukturen, og dermed blir det mer gunstig innskudd på overflaten.

Litium dendrites er spesielt viktig på grunn av sikkerhet bekymring de forårsaker. Hvis dendrites danner inne i en celle, er en mulig for dem å vokse pierce skilletegnet og forårsake en intern kort mellom anoden og katoden. Denne interne kort kan føre til svært høy lokalisert temperaturer i brennbare elektrolytt, ofte resulterer i termisk runaway og selv i en eksplosjon av cellen. En annen utsendelse i slekt å dendrite er økt areal på den reaktive lithium. Den nylig avsatt lithium vil reagere med elektrolytten og forårsake økt solid elektrolytt interphase (SEI) formasjon, som vil føre til økt kapasitet tap og dårlig sykling ytelse.

Ett problem knyttet til utforming av en tre-elektrode system er valg av riktig referanse elektroden. Logistikk knyttet til plassering og størrelse på referansen, kan positive og negative elektroder spille en viktig rolle i å anskaffe nøyaktige resultater fra systemet. Et eksempel er at opp feiljusteringer i de positive og negative elektrodene celle konstruksjon og de resulterende kanteffektene kan innføre feil referanse lesing^14,15. I valg av materialer, bør referanse elektroden har en stabil og pålitelig spenning og har en høy ikke-polarizability. Litium metall, som ofte brukes som en referanse elektrode av mange forskningsmiljø, har et potensial som avhenger av passiv overflaten filmen. Dette kan gi problemer fordi renset og alderen litium elektroder vise forskjellige potensialer¹⁶. Dette blir et problem når aldring langtidseffekter er studert. Forskning ved Solchenbach et al. har forsøkt å fjerne noen av disse stabilitetsproblemer ved sveiseavsettet gull med litium og bruker det som sin referanse¹¹. Andre undersøkelser har sett på ulike materialer inkludert litium titanate, som har studert eksperimentelt og viser et stort elektrokjemiske potensial platå område rundt 1,5-1.6 V¹⁷ (~ 50% SOC). Dette platået bidrar til å opprettholde en stabil potensial, spesielt i tilfelle utilsiktet forstyrrelsene på elektroden delstaten kostnad. Potensielle stabiliteten LTO, inkludert basert ledende tilsetningsstoffer, opprettholdes selv på forskjellige C-priser og temperaturer. ¹⁸ det er viktig å understreke at valg av referanse elektroden er et viktig skritt i tre elektrode celle design.

Mange forskningsmiljø har foreslått eksperimentelle tre elektrode celle oppsett. Dolle et al. brukt tynn plast celler med en litium titanate kobbertråd referanse elektrode for å studere endringer i impedans sykling og lagring høye temperaturer¹⁹. McTurk et al. ansatt en teknikk der en litium belagt kobbertråd ble satt inn i en kommersiell veske celle, med hovedmål er å demonstrere viktigheten av noninvasive innsetting teknikker⁹. Solchenbach et al. brukt en modifisert Swagelok-type T-celler og en gull mikro-referanse elektrode (nevnt tidligere) for impedans og potensielle mål. ¹¹ Christine et al. høstet elektroder fra kommersielle celler og rekonstruert egne tre elektrode veske celler for bruk i å studere litium deponering¹². Costard et al. utviklet et internt eksperimentelle tre elektrode celle boliger for å teste effektiviteten av forskjellige referanse elektrode materialer og konfigurasjoner¹³.

De fleste av disse forskningsgrupper bruker ren litium metall som referanse, som kan ha bekymringer med stabilitet og SEI vekst, spesielt med langvarig bruk. Andre problemer involverer komplisert og tidkrevende endringer i eksisterende eller kommersielle oppsett. I dette papiret, er en pålitelig og kostnadseffektiv teknikk for å konstruere tre elektrode Li-ion mynt celler for elektrokjemiske tester presentert, som vist i figur 1. Tre elektrode installasjonen kan konstrueres ved hjelp av standard mynt celle komponenter, kobbertråd og litium titanate-baserte referanse elektrode (se figur 2). Denne metoden krever ikke noen spesialisert utstyr eller omfattende endringer og følger standard laboratorium skala elektrokjemiske prosedyrer og materialer fra kommersielle leverandører.

Protocol

1. referanse elektrode og skilletegn forberedelse Referanse elektrode forberedelse Wire forberedelse Skjær en 120 mm lengde av størrelse 32 AWG (0.202 mm diameter) emaljert kobbertråd.Merk: Hver ledning blir 1 referanse elektrode og vil bli brukt inne 1 tre elektrode cellen. Sett en ende av ledningen i et laboratorium trykk. Trykk forsiktig ca 10 mm tråd i den ene enden til et trykk på ca 4 MPa. Skjær overflødig ledningen tipset led…

Representative Results

Typiske resultater for spenning og potensielle profiler for tre elektrode cellen ses i figur 7. I et ideelt oppsett, bør full celle spenningen være identisk produsert fra en to-elektrode cellen med samme elektrode paret. Dette er en metode å avgjøre om innsetting av referanse elektroden endrer ytelsen til cellen. Hvis det er en betydelig forskjell mellom de to – og tre-elektrode hele cellen (for identiske arbeider og counter elektroder), kan så det antas…

Discussion

Cellen krymping press spiller en viktig rolle i suksessrate på både forberedelse og arbeider celler. Hvis cellen er crimped ved for høy trykk (> 800 psi), referanse elektroden kan bli kortsluttet med cellen cap på grunn av referansen wire posisjon mellom hetten og pakningen. Merk at ledningen krysset dette grensesnittet er et krav for å koble referanse elektroden lesing å en ekstern måleutstyr. Hvis cellen trykket er for lavt (< 700 psi), cellen kan ha problemer med ufullstendig krymping som kan forårsake elektro…

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