في الموقع إشارة Lithiated القطب: التصميم الكهربائي أربعة للتحليل الطيفي مقاومة أوبيراندو
Summary
إدراج مرجع كهربائي في بطارية ليثيوم أيون يوفر معلومات قيمة لتوضيح آليات تدهور في الفولتية العالية. في هذه المقالة، نحن نقدم تصميم الخليوي الذي يستوعب أقطاب مرجعية متعددة، جنبا إلى جنب مع خطوات الجمعية لضمان أقصى قدر من الدقة في البيانات التي تم الحصول عليها في القياسات الكهروكيميائية.
Abstract
توسيع نطاق الجهد التشغيل نتائج بطاريات ليثيوم أيون في ناتج الطاقة أعلى من هذه الأجهزة. الفولتية العالية، ومع ذلك، قد يؤدي أو التعجيل بعمليات متعددة مسؤولة عن اضمحلال الأداء طويل الأجل. نظراً لتعقد العمليات الفيزيائية التي تحدث داخل الخلية، كثيرا ما تحدي للتوصل إلى فهم كامل للأسباب الجذرية لتدهور الأداء هذه. وتنشأ هذه الصعوبة في الجزء من حقيقة أن أي قياس البطارية الكهروكيميائية سيعود مساهمات جميع العناصر مجتمعة في الخلية. التأسيس القطب مرجع يمكن أن يحل جزءا من المشكلة، كما أنه يسمح للتفاعلات الكهروكيميائية الكاثود والانود سبر يكون فردياً. على سبيل المثال، يمكن أن تشير إلى اختلاف في نطاق الجهد ذوي الخبرة بالكاثود، تعديلات في بركة أيونات الليثيوم cyclable بالكامل-الخلية. يمكن أيضا رصد تطور الهيكلية من إينتيرفاسيس العديدة الموجودة في البطارية، عن طريق قياس مساهمات كل قطب كهربائي لمقاومة الخلية عموما. مثل هذه ثروة معلومات يزيد من نطاق التحليل التشخيصي في بطاريات ليثيوم أيون ويوفر مدخلاً قيماً للاستغلال الأمثل لمكونات الخلايا الفردية. في هذا العمل، ونحن نقدم تصميم اختبار خلية قادرة على استيعاب أقطاب مرجعية متعددة، وهذا أقطاب المرجعية المناسبة لكل نوع محدد من القياس، التي تفصل الجمعية عملية بغية تحقيق أقصى قدر من الدقة من النتائج التجريبية.
Introduction
الطلب لارتفاع كثافة الطاقة من بطاريات ليثيوم أيون (LIBs) يقود الأبحاث نحو فهم العوامل الأساسية التي تحد من لي أيون خلية الأداء1. تشغيل الجهد العالي من الخلايا التي تحتوي على جيل جديد من الطبقات الانتقالية معدن أكسيد الزركونيم واقطاب الغرافيت والكربونات العضوية الشوارد يرتبط مع عدة ردود فعل الطفيلية2،3. بعض ردود الفعل هذه تستهلك لي-أيون المخزون، وكثيراً ما يؤدي إلى ظهور مقاومة كبيرة من الخلية4،5،،من67. خسارة لي أيون ينتج أيضا تحولاً صافياً من الإمكانات السطحي من أقطاب. رصد تغيرات الجهد على قطب فردية في خلية كاملة مقابل قطب إشارة (RE) يمكن أن يؤديها في التجارية 3-قطب الخلية التصاميم8،9،،من1011 , 12 , 13 , 14-المعلومات المتعلقة بالتشكيلات الجانبية للجهد ومقاومة التغييرات على أقطاب فردية تعزز فهم أعمق لآليات تدهور الأساسية ليب. التقليدية 3-القطب الخلايا تحتوي على معدن لي وصفها قطب مرجعية، مما يسهل فهم متميزة للعمليات الكهروكيميائية في كل قطب كهربائي. المعادن لي اتصالات مع الكهرباء العضوية يخضع لتعديل السطح عفوية ومساهمة هذه الطبقة السطحية على لي لا يمكن أن يكون كمياً15. العديد من تكوينات 3-القطب مثل (أ) تي موديل، (ب) مايكرو–إعادة وضع محوري للعامل ومسرى العداد، (ج) الخلوية مع RE في الجزء الخلفي من العداد الكهربائي و ما إلى ذلك وقد اقترحت في وقت سابق. لدى معظم هذه التكوينات خلية RE المتمركزة بعيداً عن ساندويتش الخلية، توليد عائمة كبيرة في البيانات مقاومة بسبب التوصيل منخفضة للكهرباء. وقد ثبت أن إعادة مع احتمال مستقرة في جميع أنحاء القياس يجب ستتمركز في وسط شطيرة لضمان مقاومة موثوقية البيانات.
وبغية معالجة هذه التناقضات، لقد قمنا بتصميم إعداد خلية التي تشمل رابع إعادة16. هي تقع سلك Cu Sn مطلي رقيقة جداً بين أقطاب كهربائية من البطارية التي يمكن اليكتروتشيميكالي ليثياتيد في الموقع لتشكيل سبائك Snسلي. كما يخضع Sn ليثييشن، يسقط الجهد الأسلاك مرجع وسلك lithiated تماما إمكانات قريبة من 0 الخامس مقابل. لي+/Li17. تكوين lithiated لديها إمكانات قابلة لمقارنة للمعدن لي وسبائك يتواجد تيسير مستقر محتملة خلال الفترة الزمنية للقياس. معدن لي معرضة للكهرباء عرضه لنواتج التحلل اﻻلكتروﻻيت تشكيل الطبقات السطحية. مقياس نظام المعلومات البيئية للتحقيق مقاومة أقطاب الفردية عن طريق جمع أطياف بين أحد أقطاب كهربائية والإشارة لي المعدنية، إلى جانب لم تكن موثوقة نظراً لمساهمة هذه الطبقات في المقاومة. على الرغم من أن الحد من الكهرباء أمر لا مفر منه أيضا على سطح لي-Sn، سلك مرجع ليثياتيد في الموقع بالمزايا التالية: (أ) منتجات تحلل اﻻلكتروﻻيت مستمر لا كالجهد دائماً أعلاه إمكانية التحلل الكهرباء ما لم ليثياتيد، مما يعني عدم فقدان المخزون لي في النظام إلى طبقات السطح البيني؛ (ب) طبقات تشكلت خلال ليثييشن الأسلاك Sn على مساحة صغيرة جداً، تقديم مساهمة ضئيلة للبيانات البيئية؛ (ج) شكلت المنتجات تتحلل كما سلك Sn يفقد لي واحتمال زيادة الأسلاك، أدى ليثياتيون الطازجة Sn أسلاك خلال كل ليثياتيون وبالتالي تشكيل طبقات السطح البيني رقيقة جداً كل مرة بدلاً من زيادة سمك هذه الطبقات. أطياف المسجلة مع هذه السبائك كمرجع تقديم بيانات دقيقة وموثوق بها أكثر من مقاومة القطب. وقد أجرينا اختبارات مع معيار 2032-نوع العملة الخلايا وإعادة 4-القطب الخلايا للتحقق من صحة التصميم لدينا. سيتم استخدام النتائج المستخلصة من هذه التجارب وتفسيرنا للبيانات نتيجة لذلك ممثل لتوضيح مدى فعالية جهودنا البروتوكول. V 3-4.4 ركوب الدراجات يتبع بروتوكول قياسي، التي تضمنت تشكيل دورات ودورات الشيخوخة، وقياسات مقاومة التيار المتردد الدوري خلال الدراجات. القياسات الخلية العملة توفر معلومات قيمة عن المعلمات مثل دورة الحياة، الاحتفاظ بالقدرات، التغييرات مقاومة التيار المتردد، إلخ إعادة الخلايا تمكين الرصد تغيرات الجهد ومقاومة الارتفاع في أقطاب الفردية. يمكن أن توفر مبادئ توجيهية لتطوير نظم الكهرباء فهمنا آليا إلى ارتفاع قدرة تتلاشى ومقاومة وفهم المساهمات لفقدان القدرة من كل قطب كهربائي أثناء تشغيل الخلية ذات الجهد العالي.
خلايانا الواردة لي1.03 (ني0.5Co0.2Mn0.3)0.97س2 (تتم الإشارة إليها هنا ك NMC532)-على أساس إيجابي أقطاب، المستندة إلى الجرافيت أقطاب سلبية (تتم الإشارة إليها هنا كالموارد الوراثية) وحل 1.2 متر من ليف6 في فلوروثيليني كربونات (FEC): إيثيل الميثيل كربونات (EMC) (5:95 w/w) كما المنحل بالكهرباء. الأقطاب الكهربائية المستخدمة في هذه الدراسة معيار أقطاب ملفقة في خلية التحليل والنمذجة ومرفق النماذج (معسكر) في “مختبر أرغون الوطني”. القطب إيجابية يتكون من NMC532 والكربون موصل المضافة (C-45) والفينيليدن الفلوريد (PVdF) الموثق في نسبة وزن 90:5:5 على 20 ميكرومتر سميكة بن جامع الحالية. القطب السلبي يتكون من الغرافيت، مختلطة مع C-45، والموثق PVdF في نسبة وزن 92:2:6 في جامع 10 ميكرون سميكة Cu الحالية. أقراص دائرية قطرها 5.08 سم اللكم من رقائق القطب والفواصل كانت اللكمات مع يموت 7.62 سم لاستخدامها في المباريات مع 7.62 سم القطر الداخلي. كانت تجفف هذه الأقطاب في 120 درجة مئوية والفواصل في 75 درجة مئوية في فرن فراغ لمالا يقل عن 12 ح قبل انعقاد الجمعية الخلية. يتم تمثيل تمثيل تخطيطي لتصميم لاعبا أساسيا في الشكل 1. المباريات الكبيرة واقطاب ضمان الحد الأدنى إينهوموجينيتيس في التوزيعات الحالية في وحدة المساحة، وبالتالي، توفير التشوهات أقل في أطياف مقاومة. V 3-4.4 ركوب الدراجات يتبع بروتوكول قياسي، التي تضمنت دورتين من دورات تكوين بمعدل C/20، 100 دورات بمعدل C/3 ودورتين للتشخيص في C/20 الشيخوخة. كل بطارية اختبارات أجريت في 30 درجة مئوية. تم قياس البيانات ركوب الكهروكيميائية cycler بطارية استخدام ويتم إجراء التحليل الطيفي المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) باستخدام نظام بوتينتيوستات.
Protocol
Representative Results
Discussion
الشكل 2a هو الشخصية الجهد الكهربي للخلية الكاملة بينما الشكل 2b و ج 2 تظهر ملامح الجهد المقابل للايجابية والسلبية القطب مقابل زوجين لي/لي+ بينما يتم تدوير الخلية الكاملة بين 3 و 4-4 V. يمكن أن ينظر إلى أن كما تفحص الخلية الكاملة بين 3 و 4-4 V, مسرى إيجا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب الاعتراف بدعم مالي من وزارة الطاقة في الولايات المتحدة، ومكتب لكفاءة الطاقة والطاقة المتجددة.
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 |
References
- Ma, D., Cao, Z., Hu, A. Si-Based Anode Materials for Li-Ion Batteries: A Mini Review. Nano-Micro Letters. 6 (4), (2014).
- Jung, S. -. K., et al. Understanding the Degradation Mechanisms of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 Cathode Material in Lithium Ion Batteries. Advanced Energy Materials. 4 (1), 1300787 (2014).
- Streipert, B., et al. Influence of LiPF6 on the Aluminum Current Collector Dissolution in High Voltage Lithium Ion Batteries after Long-Term Charge/Discharge Experiments. Journal of The Electrochemical Society. 164 (7), A1474-A1479 (2017).
- Gilbert, J. A., et al. Cycling Behavior of NCM523/Graphite Lithium-Ion Cells in the 3-4.4 V Range: Diagnostic Studies of Full Cells and Harvested Electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A6054-A6065 (2017).
- Shim, J., Kostecki, R., Richardson, T., Song, X., Striebel, K. A. Electrochemical analysis for cycle performance and capacity fading of a lithium-ion battery cycled at elevated temperature. Journal of Power Sources. 112 (1), 222-230 (2002).
- Peled, E., Menkin, S. Review-SEI: Past, Present and Future. Journal of The Electrochemical Society. 164 (7), A1703-A1719 (2017).
- Nadimpalli, S. P. V., et al. Quantifying capacity loss due to solid-electrolyte-interphase layer formation on silicon negative electrodes in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 215, 145-151 (2012).
- Ender, M., Weber, A., Ellen, I. -. T. Analysis of Three-Electrode Setups for AC-Impedance Measurements on Lithium-Ion Cells by FEM simulations. Journal of The Electrochemical Society. 159 (2), A128-A136 (2011).
- Zhou, J., Notten, P. H. L. Development of Reliable Lithium Microreference Electrodes for Long-Term In Situ Studies of Lithium-Based Battery Systems. Journal of The Electrochemical Society. 151 (12), A2173-A2179 (2004).
- Klink, S., Höche, D., La Mantia, F., Schuhmann, W. FEM modelling of a coaxial three-electrode test cell for electrochemical impedance spectroscopy in lithium ion batteries. Journal of Power Sources. 240 (Supplement C), 273-280 (2013).
- Bünzli, C., Kaiser, H., Novák, P. Important Aspects for Reliable Electrochemical Impedance Spectroscopy Measurements of Li-Ion Battery Electrodes. Journal of The Electrochemical Society. 162 (1), A218-A222 (2015).
- Delacourt, C., Ridgway, P. L., Srinivasan, V., Battaglia, V. Measurements and Simulations of Electrochemical Impedance Spectroscopy of a Three-Electrode Coin Cell Design for Li-Ion Cell Testing. Journal of The Electrochemical Society. 161 (9), A1253-A1260 (2014).
- Hoshi, Y., et al. Optimization of reference electrode position in a three-electrode cell for impedance measurements in lithium-ion rechargeable battery by finite element method. Journal of Power Sources. 288 (Supplement C), 168-175 (2015).
- La Mantia, F., Wessells, C. D., Deshazer, H. D., Cui, Y. Reliable reference electrodes for lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications. 31 (Supplement C), 141-144 (2013).
- Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., Teller, H. A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions. Solid State Ionics. 148 (3), 405-416 (2002).
- Klett, M., et al. Electrode Behavior RE-Visited: Monitoring Potential Windows, Capacity Loss, and Impedance Changes in Li1.03(Ni0.5Co0.2Mn0.3)0.97O2/Silicon-Graphite Full Cells. Journal of The Electrochemical Society. 163 (6), A875-A887 (2016).
- Zhang, W. -. J. A review of the electrochemical performance of alloy anodes for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 196 (1), 13-24 (2011).
- Klett, M., Gilbert, J. A., Pupek, K. Z., Trask, S. E., Abraham, D. P. Layered Oxide, Graphite and Silicon-Graphite Electrodes for Lithium-Ion Cells: Effect of Electrolyte Composition and Cycling Windows. Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A6095-A6102 (2017).
- Ma, L., et al. A Guide to Ethylene Carbonate-Free Electrolyte Making for Li-Ion Cells. Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A5008-A5018 (2017).
- Michan, A. L., et al. Fluoroethylene Carbonate and Vinylene Carbonate Reduction: Understanding Lithium-Ion Battery Electrolyte Additives and Solid Electrolyte Interphase Formation. Chemistry of Materials. 28 (22), 8149-8159 (2016).
- Rahmoun, A., Loske, M., Rosin, A. Determination of the Impedance of Lithium-ion Batteries Using Methods of Digital Signal Processing. Energy Procedia. 46, 204-213 (2014).
- Jiang, J., et al. Electrochemical Impedance Spectra for Lithium-ion Battery Ageing Considering the Rate of Discharge Ability. Energy Procedia. 105, 844-849 (2017).
- Andre, D., et al. Characterization of high-power lithium-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy. I. Experimental investigation. Journal of Power Sources. 196 (12), 5334-5341 (2011).
- Li, S. E., Wang, B., Peng, H., Hu, X. An electrochemistry-based impedance model for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 258, 9-18 (2014).
