तीन इलेक्ट्रोड सिक्का सेल तैयारी और Electrodeposition विश्लेषिकी लिथियम आयन बैटरी के लिए
Summary
तीन इलेक्ट्रोड कोशिकाओं लिथियम आयन बैटरी की electrochemistry का अध्ययन करने में उपयोगी होते हैं. इस तरह के एक विद्युत सेटअप कैथोड और anode के साथ जुड़े घटनाएं करने के लिए और जोड़े को स्वतंत्र रूप से जांच की अनुमति देता है । यहां, हम लिथियम चढ़ाना विश्लेषिकी पर जोर देने के साथ एक तीन इलेक्ट्रोड सिक्का सेल के निर्माण और उपयोग के लिए एक गाइड प्रस्तुत करते हैं ।
Abstract
के रूप में लिथियम आयन बैटरी उच्च ऊर्जा और बिजली अनुप्रयोगों में उपयोग करते हैं, जैसे बिजली और संकर बिजली के वाहनों में मिल जाए, क्षरण और बाद में सुरक्षा के मुद्दों की निगरानी तेजी से महत्वपूर्ण हो जाता है । एक ली-आयन सेल सेटअप में, वोल्टेज माप सकारात्मक और नकारात्मक टर्मिनलों में अंतर्निहित कैथोड और anode जो युग्मित और कुल सेल प्रदर्शन के लिए योग कर रहे है के प्रभाव भी शामिल है । तदनुसार, एक विशिष्ट इलेक्ट्रोड के साथ जुड़े क्षरण पहलुओं की निगरानी करने की क्षमता बेहद मुश्किल है क्योंकि इलेक्ट्रोड मौलिक युग्मित कर रहे हैं. एक तीन-इलेक्ट्रोड सेटअप इस समस्या को दूर कर सकते हैं । एक तिहाई (संदर्भ) इलेक्ट्रोड शुरू करके, प्रत्येक इलेक्ट्रोड के प्रभाव को जोड़ा जा सकता है, और विद्युत गुण स्वतंत्र रूप से मापा जा सकता है. संदर्भ इलेक्ट्रोड (आरई) एक स्थिर क्षमता है कि फिर एक ज्ञात संदर्भ के खिलाफ तुले हो सकते हैं होना चाहिए, उदाहरण के लिए, लिथियम धातु. थ्री-इलेक्ट्रोड सेल को साइकलिंग, चक्रीय voltammetry, और विद्युत प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) जैसे विद्युत परीक्षणों को चलाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. तीन इलेक्ट्रोड कक्ष EIS माप पूर्ण कक्ष के लिए व्यक्तिगत इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा का योगदान स्पष्ट कर सकते हैं. इसके अलावा, anode क्षमता की निगरानी लिथियम चढ़ाना के कारण electrodeposition का पता लगाने की अनुमति देता है, जो सुरक्षा चिंताओं पैदा कर सकता है । यह तेजी से चार्ज बिजली के वाहनों में ली आयन बैटरी के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है । एक विद्युत सेल की सुरक्षा और गिरावट के पहलुओं की निगरानी और उनकी विशेषता के लिए, तीन इलेक्ट्रोड सेटअप अमूल्य साबित हो सकते हैं । इस कागज के लिए एक तीन इलेक्ट्रोड सिक्का सेल सेटअप के निर्माण के लिए एक गाइड प्रदान करना है २०३२-सिक्का सेल वास्तुकला, का उपयोग कर, जो आसान है उत्पादन, विश्वसनीय, और लागत प्रभावी ।
Introduction
हालांकि लिथियम की उत्पत्ति-बैटरी मनमाने ढंग से वापस पिछले में पता लगाया जा सकता है, बड़े पैमाने पर उत्पादन और आज के कई के व्यावसायीकरण लिथियम आयन बैटरी 1980 के दशक में शुरू हुआ । इस युग के दौरान विकसित सामग्री के कई, एक उदाहरण जा रहा है लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2), अब भी सामांयतः उपयोग में पाए जाते है आज1। कई मौजूदा अध्ययनों से विभिंन अंय धातु ऑक्साइड संरचनाओं के विकास की दिशा में ध्यान केंद्रित किया गया है, कुछ को कम करने या अंय कम लागत और अधिक पर्यावरण की दृष्टि से सौम्य धातुओं के स्थान पर कोबाल्ट के उपयोग को नष्ट करने की दिशा में रखा जोर के साथ, जैसे मैंगनीज या निकेल2. लिथियम आयन बैटरी में इस्तेमाल सामग्री के लगातार बदलते परिदृश्य आवश्यक उनके प्रदर्शन और सुरक्षा दोनों निस्र्पक का एक प्रभावी और सटीक तरीका है । किसी भी बैटरी के आपरेशन दोनों सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के युग्मित विद्युत प्रतिक्रिया शामिल है, क्योंकि, ठेठ दो इलेक्ट्रोड बैटरी स्वतंत्र रूप से इलेक्ट्रोड की विशेषता के लिए सक्षम होने का कम गिर. गरीब लक्षण वर्णन और समझ के बाद की कमी तो खतरनाक स्थितियों या गरीब समग्र बैटरी क्षरण घटना की उपस्थिति के कारण प्रदर्शन के लिए नेतृत्व कर सकते हैं । पिछले अनुसंधान विशिष्ट दो इलेक्ट्रोड कोशिकाओं के लिए प्रसंस्करण तकनीक का मानकीकरण के उद्देश्य से किया गया है3. तीन-इलेक्ट्रोड कक्ष मानक कक्ष कॉन्फ़िगरेशन की कमियों पर सुधार करता है एक विधि है ।
एक तीन इलेक्ट्रोड सेटअप दो इलेक्ट्रोड ‘ प्रतिक्रियाओं को जोड़े और बैटरी आपरेशन के मौलिक भौतिकी में एक बड़ी अंतर्दृष्टि प्रदान करने के लिए एक विधि है. एक तीन इलेक्ट्रोड सेटअप में, एक संदर्भ इलेक्ट्रोड कैथोड और anode के अलावा पेश किया गया है । इस संदर्भ इलेक्ट्रोड तो आपरेशन के दौरान गतिशील anode और कैथोड की क्षमता को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है । कोई वर्तमान संदर्भ इलेक्ट्रोड के माध्यम से पारित कर दिया है और इसलिए, यह एक विलक्षण प्रदान करता है, और आदर्श रूप से स्थिर, वोल्टेज. एक तीन इलेक्ट्रोड सेटअप का उपयोग करके, पूर्ण सेल वोल्टेज, कैथोड क्षमता, और anode क्षमता आपरेशन के दौरान एक साथ एकत्र किया जा सकता है. संभावित माप के अलावा, इलेक्ट्रोड के प्रतिबाधा योगदान सेल राज्य के प्रभारी4के एक समारोह के रूप में विशेषता हो सकती है ।
तीन इलेक्ट्रोड setups लिथियम धातु की electrodeposition के रूप में, यह भी लिथियम चढ़ाना के रूप में जाना जाता है के रूप में इस तरह का अध्ययन में गिरावट की घटना के लिए बहुत उपयोगी हैं । अन्य समूहों ने तीन इलेक्ट्रोड setups का प्रस्ताव किया है5,6,7,8,9,10,11,12, 13 लेकिन वे अक्सर एक संदर्भ के रूप में अंतर्निहित अस्थिर लिथियम धातु का उपयोग करें और कस्टम, मुश्किल कम विश्वसनीयता के लिए अग्रणी setups इकट्ठा करने के लिए शामिल हैं । लिथियम चढ़ाना जगह लेता है जब मेजबान इलेक्ट्रोड संरचना में intercalating के बजाय, लिथियम संरचना की सतह पर जमा है । इन जमा सामांयतः या तो एक (अपेक्षाकृत) वर्दी धातु परत (चढ़ाना) या छोटे वृक्ष संरचनाओं की आकृति विज्ञान मान । चढ़ाना सुरक्षा के मुद्दों के कारण साइकिल चालन प्रदर्शन में बाधा पैदा करने से लेकर प्रभाव हो सकता है । एक phenomenological परिप्रेक्ष्य से, लिथियम चढ़ाना के कारण होता है लिथियम की अक्षमता को मेजबान इलेक्ट्रोड संरचना प्रभावी ढंग से intercalate में । चढ़ाना कम तापमान पर होने के लिए, उच्च चार्ज दर, प्रभारी (समाज) के उच्च इलेक्ट्रोड राज्य, या इन तीन कारकों का एक संयोजन12जाता है । कम तापमान पर, इलेक्ट्रोड के अंदर ठोस राज्य प्रसार कम हो जाता है, तापमान पर Arrhenius diffusivity निर्भरता के कारण. कम ठोस राज्य प्रसार इलेक्ट्रोड में लिथियम के एक buildup में परिणाम-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस और लिथियम के बाद के बयान । एक उच्च चार्ज दर पर, एक ऐसी ही घटना होती है । लिथियम को इलेक्ट्रोड संरचना में intercalate करने का प्रयास बहुत जल्दी लेकिन करने में असमर्थ है और इस तरह चढ़ाया जाता है । एक उच्च समाज में, वहां औसत पर है लिथियम के लिए कम उपलब्ध जगह के लिए संरचना में intercalate, और इस तरह यह अधिक सतह पर जमा अनुकूल हो जाता है ।
लिथियम dendrites विशेष महत्व के कारण सुरक्षा चिंता वे कारण के हैं । यदि एक सेल के अंदर dendrites फार्म, वहां के लिए उंहें विकसित करने के लिए एक संभावित, सेपरेटर पियर्स, और anode और कैथोड के बीच एक आंतरिक लघु कारण है । यह आंतरिक कम ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट में बहुत अधिक स्थानीयकृत तापमान के लिए नेतृत्व कर सकते हैं, अक्सर थर्मल भगोड़ा में जिसके परिणामस्वरूप और यहां तक कि सेल के एक विस्फोट में । dendrite गठन से संबंधित एक और मुद्दा प्रतिक्रियाशील लिथियम की सतह क्षेत्र में वृद्धि हुई है । नए जमा लिथियम इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया और वृद्धि हुई ठोस इलेक्ट्रोलाइट चरण (सेई) गठन, जो वृद्धि की क्षमता घटाने और गरीब साइकिल चालन के प्रदर्शन के लिए नेतृत्व करेंगे कारण होगा ।
एक तीन इलेक्ट्रोड प्रणाली के डिजाइन के साथ जुड़े मुद्दे को उचित संदर्भ इलेक्ट्रोड का चयन है. स्थान और संदर्भ के आकार से संबंधित रसद, सकारात्मक, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्रणाली से सटीक परिणाम प्राप्त करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं. एक उदाहरण है कि कक्ष निर्माण और परिणामी किनारे प्रभाव के दौरान सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड का ग़लत संरेखण संदर्भ पठन में14,15त्रुटि उत्पन्न कर सकते हैं । सामग्री चयन के संदर्भ में, संदर्भ इलेक्ट्रोड एक स्थिर और विश्वसनीय वोल्टेज होना चाहिए और एक उच्च गैर ध्रुवीकरण है. लिथियम धातु है, जो अक्सर कई अनुसंधान समूहों द्वारा एक संदर्भ इलेक्ट्रोड के रूप में प्रयोग किया जाता है, एक क्षमता है कि निष्क्रिय सतह फिल्म पर निर्भर करता है । यह समस्याओं का उत्पादन कर सकते है क्योंकि साफ और वृद्ध लिथियम इलेक्ट्रोड विभिंन क्षमताएं प्रदर्शित16। यह एक समस्या है जब लंबे समय तक उंर बढ़ने के प्रभाव का अध्ययन कर रहे हो जाता है । Solchenbach एट अल द्वारा अनुसंधान के लिए लिथियम के साथ सोने मिश्र धातु से इन अस्थिरता मुद्दों में से कुछ को खत्म करने और इसे अपने संदर्भ11के रूप में प्रयोग करने का प्रयास किया है । अंय अनुसंधान लिथियम titanate, जो प्रयोग किया गया है और १.५-१.६ V17 (~ ५०% समाज) के आसपास एक बड़ी विद्युत संभावित पठार रेंज से पता चलता है सहित विभिंन सामग्रियों को देखा है । इस पठार को एक स्थिर क्षमता बनाए रखने में मदद करता है, विशेष रूप से आकस्मिक गड़बड़ी की स्थिति में है इलेक्ट्रोड प्रभारी के राज्य के लिए । कार्बन आधारित प्रवाहकीय additives सहित LTO की संभावित स्थिरता, भी अलग सी दर और तापमान पर बनाए रखा है । 18 यह जोर देना महत्वपूर्ण है कि संदर्भ इलेक्ट्रोड के चयन तीन इलेक्ट्रोड सेल डिजाइन में एक महत्वपूर्ण कदम है.
कई अनुसंधान समूहों प्रयोगात्मक तीन इलेक्ट्रोड सेल सेटअप का प्रस्ताव किया है. डोले एट अल. उच्च तापमान पर साइकिल चालन और भंडारण के कारण प्रतिबाधा में परिवर्तन का अध्ययन करने के लिए एक लिथियम titanate तांबे के तार संदर्भ इलेक्ट्रोड के साथ पतली प्लास्टिक की कोशिकाओं का इस्तेमाल किया19. McTurk एट अल. एक तकनीक जिससे एक लिथियम मढ़वाया तांबे के तार एक वाणिज्यिक थैली सेल में डाला गया था मुख्य लक्ष्य के साथ इनवेसिव प्रविष्टि तकनीक9के महत्व को प्रदर्शित किया गया । Solchenbach एट अल. एक संशोधित Swagelok-प्रकार टी सेल और एक सोने के सूक्ष्म संदर्भ इलेक्ट्रोड (पहले उल्लेख) प्रतिबाधा और संभावित माप के लिए इस्तेमाल किया. 11 Waldmann एट अल. वाणिज्यिक कोशिकाओं से इलेक्ट्रोड काटा और लिथियम साठा12का अध्ययन करने में उपयोग के लिए अपने स्वयं के तीन इलेक्ट्रोड थैली कोशिकाओं को खंगाला । Costard एट अल. एक में घर प्रयोगात्मक तीन इलेक्ट्रोड सेल आवास विकसित अलग संदर्भ इलेक्ट्रोड सामग्री और विन्यास13की प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए.
इन अनुसंधान समूहों के अधिकांश संदर्भ के रूप में शुद्ध लिथियम धातु का उपयोग करें, जो स्थिरता और सेई विकास के साथ चिंताओं को हो सकता है, विशेष रूप से लंबी अवधि के उपयोग के साथ । अंय मुद्दों को मौजूदा या वाणिज्यिक setups के लिए जटिल और समय लेने वाली संशोधनों को शामिल । इस पत्र में, विद्युत परीक्षणों के लिए तीन-इलेक्ट्रोड Li-ion coin कक्षों के निर्माण के लिए एक विश्वसनीय और लागत प्रभावी तकनीक प्रस्तुत की गई है, जैसा कि चित्र 1में दिखाया गया है. यह तीन इलेक्ट्रोड सेटअप मानक सिक्का सेल घटकों, तांबे के तार, और लिथियम titanate-आधारित संदर्भ इलेक्ट्रोड का उपयोग कर बनाया जा सकता है ( चित्र 2देखें) । इस विधि किसी विशेष उपकरण या विस्तृत संशोधनों की आवश्यकता नहीं है और वाणिज्यिक विक्रेताओं से मानक प्रयोगशाला पैमाने विद्युत प्रक्रियाओं और सामग्री का पालन करता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
सेल समेटना दबाव दोनों तैयारी और काम कर रहे कोशिकाओं की सफलता की दर में एक महत्वपूर्ण हिस्सा निभाता है । यदि सेल भी उच्च एक दबाव (> 800 साई) में समेटना है, संदर्भ इलेक्ट्रोड सेल टोपी और गैसकेट के बीच में संदर्…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स (तिवारी) विश्वविद्यालय अनुसंधान भागीदारी कार्यक्रम से वित्तीय सहायता आभार स्वीकार किया है । लेखक भी आभार इस काम के प्रारंभिक चरण के दौरान ऊर्जा और परिवहन विज्ञान प्रयोगशाला, मैकेनिकल इंजीनियरिंग, टेक्सास ए एंड एम विश्वविद्यालय से चिएन-फैन चेन की सहायता स्वीकार करते हैं ।
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 |
References
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