Подготовка клетки тремя электродами монет и электроосаждение аналитика для литий ионных батарей
Summary
3 электродный клетки полезны в изучении электрохимии литий ионных батарей. Электрохимические установки позволяет явления, связанные с катодом и анодом развязкой и изучить самостоятельно. Здесь мы представляем руководство для строительства и использования тремя электродами таблетка с упором на литий, покрытие аналитики.
Abstract
Как литий ионные аккумуляторы найти применение в высокой энергии и мощности приложений, таких как в электрических и гибридных электрических транспортных средств, мониторинга деградации и вопросы последующих безопасности становится все более важным. В установке ячейки Li-ion измерение напряжения через терминалы положительные и отрицательные по сути включает в себя эффект катода и анода, которые соединены и сумму производительность общей ячейки. Соответственно способность контролировать аспекты деградации, связанные с конкретным электрода чрезвычайно трудно, потому что электроды соединены принципиально. 3 электродный установки может преодолеть эту проблему. Путем введения третьего электрода (Справочник), влияние каждого электрода может быть отделены, и электрохимических свойств могут быть измерены независимо друг от друга. Электрод сравнения (RE) должны иметь стабильный потенциал, который затем может быть откалиброван против известных ссылку, например, лития. Ячейка 3 электрод может использоваться для электрохимических тесты как Велоспорт, циклической вольтамперометрии и электрохимических импедансной спектроскопии (EIS). Ячейка 3 электрод EIS измерений можно выяснить вклад отдельных электродов импеданс в полном ячейку. Кроме того мониторинг потенциальных анода позволяет обнаружение электроосаждения за литий обшивки, который может вызвать проблемы безопасности. Это особенно важно для быстрой зарядки литий-ионных батарей в электрических транспортных средств. Для того, чтобы контролировать и охарактеризовать аспекты безопасности и деградации электрохимической ячейки, тремя электродами установки может оказаться бесценным. Этот документ призван служить руководством для строительства 3 электрод монета клетки установки, с помощью архитектуры 2032-таблетка, которая легко производить, надежным и экономически эффективным.
Introduction
Хотя происхождение литий батареи можно проследить произвольно далеко в прошлое, крупномасштабное производство и коммерциализация многих из сегодняшних часто найдены литий ионные батареи началось в 1980-х. Многие из материалов, разработанных в эту эпоху, одним из примеров является оксид лития кобальта (LiCoO2), до сих пор обычно встречаются в использовании сегодня1. Многие текущие исследования были сосредоточены на пути развития других структур окиси металла, с некоторым акцентом на пути сокращения или прекращения использования кобальта вместо других более низкая стоимость и более экологически безопасные металлов, таких как 2марганца или никель. Постоянно меняющегося ландшафта материалов, используемых в литий ионные аккумуляторы требует метод эффективной и точной характеризации их производительность и безопасность. Потому что операция любого аккумулятора включает спаренных электрохимические реакции положительные и отрицательные электроды, типичный два электрода аккумуляторов соответствуют возможность характеризовать электроды самостоятельно. Бедных характеристику и последующее отсутствие понимания может привести к опасным ситуациям или бедных производительность батареи вследствие наличия деградации явлений. Предыдущие исследования были направлены на стандартизацию методов обработки для типичных клеток двух электрод3. Один из методов, который улучшает недостатки стандартной ячейки конфигурации является ячейкой тремя электродами.
3 электродный установки является одним из способов отделить ответы двух электродов и обеспечить более глубокое понимание фундаментальной физики работы батареи. В трех электрод установки электрод сравнения вводится в дополнение к катод и анод. Затем этот электрод сравнения используется для измерения потенциал анода и катода динамически во время операции. Не ток проходит через электрод сравнения и следовательно, он обеспечивает единственное и идеально стабильным, напряжение. С помощью программы установки 3 электрод, полное напряжение, потенциал катода и анода потенциал может быть собрана одновременно во время операции. Помимо возможных измерений вклад импеданс электродов можно охарактеризовать как функция состояния клеток, бесплатно4.
3 электрод установок являются очень полезными для изучения деградации явлений в литий ионных батарей, таких электроосаждения лития, также известный как литий покрытие. Другие группы предложили три электрод установок5,6,,78,9,10,11,12, 13 но они часто используют нестабильным литий-металлические как ссылка и включают в себя пользовательские, трудно собрать установок, ведущих к снижения надежности. Литий покрытия происходит когда вместо вставочный в структуру узла электрода, литий осаждается на поверхности структуры. Эти отложения часто предполагают морфологии (относительно) универсальный металлический слой (покрытие) или небольших дендритных структур. Покрытие может иметь последствия, начиная от вызывают вопросы безопасности для противодействия Велоспорт производительности. С точки зрения феноменологической литий хромирование происходит из-за неспособности лития вставлять в структуре электрода принимающей эффективно. Покрытие, как правило, происходят при низкой температуре, высокие зарядки скорость, высокий электрода состояние заряда (SOC) или сочетание этих трех факторов12. При низкой температуре твердотельные диффузии внутри электрода уменьшается, вследствие Аррениуса температуропроводности зависимость от температуры. Более низкие результаты твердотельных диффузии в накопление лития на интерфейсе электрод электролит и последующее осаждение лития. Высокой скоростью зарядки аналогичное явление происходит. Литий пытается вставлять в структуре электрода очень быстро, но не может и таким образом является покрытием. В выше SOC составляет в среднем менее доступное пространство для лития вставлять в структуру, и таким образом она становится более благоприятным для депозита на поверхности.
Литий дендритов имеют особенно важное значение ввиду озабоченность по безопасности, которые они вызывают. Если дендритов образуют внутри клетки, есть потенциал для них, чтобы расти, проткнуть сепаратор и вызвать внутреннего короткого между анодом и катодом. Этот внутренний короткий может привести к очень высокой локализованных температур в легковоспламеняющиеся электролита, часто приводит к тепла и даже к взрыву ячейки. Другой вопрос связан с образованием дендритов является увеличение площади поверхности реактивной лития. Недавно на хранение литий будет реагировать с электролитом и вызывают увеличение твердого электролита межфазовые изолирующие (ИУЭ) образование, которое приведет к увеличению потенциала потери и производительность Велоспорт.
Один вопрос, связанный с тремя электродами системы является выбор соответствующей ссылки электрода. Логистики, касающимся расположения и размера ссылкой положительные и отрицательные электроды могут играть важную роль в получении точных результатов из системы. Одним из примеров является, что рассогласование положительных и отрицательных электродов при строительстве клеток и в результате воздействия края можно ввести ошибка в ссылке на чтение14,15. С точки зрения выбор материала электрод сравнения должны иметь стабильные и надежные напряжения и имеют высокий не поляризуемость. Лития, который часто используется как электрод сравнения многих исследовательских групп, имеет потенциал, который зависит от пассивного поверхности пленку. Это может производить вопросы, потому что очищены и возрасте литий электроды отображать различные потенциалы16. Это становится проблемой, когда изучаются долгосрочные эффекты старения. Исследования Solchenbach et al. была предпринята попытка устранить некоторые из этих вопросов нестабильности, сплава золота с литий и использовать его как их ссылки11. Другие исследования посмотрел на различные материалы, включая титаната лития, который экспериментально изучено и показывает большой электрохимический потенциал плато диапазон вокруг 1.5-1.6 V17 (~ 50% SOC). Это плато помогает поддерживать стабильный потенциал, особенно в случае случайного возмущений электрода состояние заряда. Потенциальные стабильность LTO, включая проводящих добавки на основе углерода, поддерживается даже на различных C-тарифы и температуры. 18 важно подчеркнуть, что выбор электрод сравнения представляет собой важный шаг в дизайн 3 электрод клеток.
Многие исследовательские группы предложили экспериментальной тремя электродами клетки установки. Долле et al. используются тонкие пластиковые клетки с электродом ссылка медной проволоки титаната лития для изучения изменений в сопротивление из-за Велоспорт и хранения при высокой температуре19. McTurk et al. работает техника, whereby литий покрытием медной проволоки был вставлен в ячейку коммерческих мешочек с главной целью продемонстрировать важность методов неинвазивной вставки9. Solchenbach и др. для модифицированных Swagelok тип Т-клеток и золото микро ведения электрода (упоминалось ранее) импеданс и возможных измерений. 11 Waldmann et al. собирают электродов от коммерческих клеток и реконструирован собственных клеток тремя электродами мешочек для использования в изучении литий осаждения12. Costard et al. разработали жилищного строительства собственных экспериментальных тремя электродами ячейки для проверки эффективности различных справочных электродных материалов и конфигураций13.
Большинство из этих исследовательских групп использовать чистый лития как ссылку, которая может иметь проблемы со стабильностью и SEI роста, особенно при длительном применении. Другие вопросы связаны с сложным и трудоемким модификации существующих или коммерческих установок. В настоящем документе представлена надежной и экономически эффективной техники для строительства 3 электрод Li-ion монета клетки для электрохимических тестов, как показано на рисунке 1. Это три электрод установки могут быть построены с использованием стандартных монета клеточных компонентов, медная проволока и электрод сравнения, на основе титаната лития (см. Рисунок 2). Этот метод не требует какого-либо специализированного оборудования или сложные модификации и следует стандартных лабораторных масштабах электрохимических процедур и материалов от коммерческих поставщиков.
Protocol
Representative Results
Discussion
Клетки, Давление опрессовки играет важную роль в успеха как подготовки, так и работы клеток. Если ячейка гофрированные при слишком высоком давлении (> 800 psi), электрод сравнения может стать соединены с крышкой клеток из-за ссылки крышку и прокладку проволоки промежуточное положение. Обра?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансовая поддержка от Texas Instruments (TI) университета исследования партнерской программы с благодарностью. Авторы также с благодарностью признаем помощи Чэнь Цзянь-вентилятор от энергетики и транспорта наук лаборатории, Машиностроение, Техас A & M университет, на начальном этапе этой работы.
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
- Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chemical Reviews. 104 (10), 4271-4301 (2004).
- Schipper, F., Aurbach, D. A Brief Review: Past, Present and Future of Lithium Ion Batteries. Russian Journal of Electrochemistry. 52 (12), 1095-1121 (2016).
- Stein, M., Chen, C. F., Robles, D. J., Rhodes, C., Mukherjee, P. P. Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells. Journal of Visualized Experiments. (108), e53490 (2016).
- Juarez-Robles, D., Chen, C. F., Barsoukov, Y., Mukherjee, P. P. Impedance Evolution Characteristics in Lithium-Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 164 (4), 837-847 (2017).
- Wu, Q. W., Lu, W. Q., Prakash, J. Characterization of a commercial size cylindrical Li-ion cell with a reference electrode. Journal of Power Sources. 88 (2), 237-242 (2000).
- Wu, M. S., Chiang, P. C. J., Lin, J. C. Electrochemical investigations on advanced lithium-ion batteries by three-electrode measurements. Journal of the Electrochemical Society. 152 (1), 47-52 (2005).
- Jansen, A. N., Dees, D. W., Abraham, D. P., Amine, K., Henriksen, G. L. Low-temperature study of lithium-ion cells using a LiySn micro-reference electrode. Journal of Power Sources. 174 (2), 373-379 (2007).
- Belt, J. R., Bernardi, D. M., Utgikar, V. Development and Use of a Lithium-Metal Reference Electrode in Aging Studies of Lithium-Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 161 (6), 1116-1126 (2014).
- McTurk, E., Birkl, C. R., Roberts, M. R., Howey, D. A., Bruce, P. G. Minimally Invasive Insertion of Reference Electrodes into Commercial Lithium-Ion Pouch Cells. Ecs Electrochemistry Letters. 4 (12), 145-147 (2015).
- Garcia, G., Schuhmann, W., Ventosa, E. A Three-Electrode, Battery-Type Swagelok Cell for the Evaluation of Secondary Alkaline Batteries: The Case of the Ni-Zn Battery. Chemelectrochem. 3 (4), 592-597 (2016).
- Solchenbach, S., Pritzl, D., Kong, E. J. Y., Landesfeind, J., Gasteiger, H. A. A Gold Micro-Reference Electrode for Impedance and Potential Measurements in Lithium Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 163 (10), 2265-2272 (2016).
- Waldmann, T., et al. Interplay of Operational Parameters on Lithium Deposition in Lithium-Ion Cells: Systematic Measurements with Reconstructed 3-Electrode Pouch Full Cells. Journal of the Electrochemical Society. 163 (7), 1232-1238 (2016).
- Costard, J., Ender, M., Weiss, M., Ivers-Tiffee, E. Three-Electrode Setups for Lithium-Ion Batteries II. Experimental Study of Different Reference Electrode Designs and Their Implications for Half-Cell Impedance Spectra. Journal of the Electrochemical Society. 164 (2), 80-87 (2017).
- Dees, D. W., Jansen, A. N., Abraham, D. P. Theoretical examination of reference electrodes for lithium-ion cells. Journal of Power Sources. 174 (2), 1001-1006 (2007).
- Ender, M., Weber, A., Ivers-Tiffee, E. Analysis of Three-Electrode Setups for AC-Impedance Measurements on Lithium-Ion Cells by FEM simulations. Journal of the Electrochemical Society. 159 (2), 128-136 (2012).
- La Mantia, F., Wessells, C. D., Deshazer, H. D., Cui, Y. Reliable reference electrodes for lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications. 31, 141-144 (2013).
- Nakahara, K., Nakajima, R., Matsushima, T., Majima, H. Preparation of particulate Li4Ti5O12 having excellent characteristics as an electrode active material for power storage cells. Journal of Power Sources. 117 (1-2), 131-136 (2003).
- Shi, Y., Wen, L., Li, F., Cheng, H. M. Nanosized Li4Ti5O12/graphene hybrid materials with low polarization for high rate lithium ion batteries. Journal of Power Sources. 196 (20), 8610-8617 (2011).
- Dolle, M., Orsini, F., Gozdz, A. S., Tarascon, J. M. Development of reliable three-electrode impedance measurements in plastic Li-ion batteries. Journal of the Electrochemical Society. 148 (8), 851-857 (2001).
- Zaghib, K., Simoneau, M., Armand, M., Gauthier, M. Electrochemical study of Li4Ti5O12 as negative electrode for Li-ion polymer rechargeable batteries. Journal of Power Sources. 81, 300-305 (1999).
- 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), 1253-1260 (2014).
