אלקטרודה הפניה Lithiated באתרו: אלקטרודה ארבע עיצוב עבור ספקטרוסקופיה עכבה בבית-operando

הביקוש צפיפות אנרגיה גבוהה ממצברי ליטיום (לאימייל) הוא נוהג מחקר להבנת גורמי היסוד המגבילות Li-ion תאים ביצועים¹. מתח גבוה הפעולה של תאים המכילים דור חדש של מתכות מעבר בשכבות תחמוצת cathodes, גרפיט אנודות ואלקטרוליטים קרבונט אורגני משויכת תגובות טפיליות מספר^2,3. חלק תגובות אלו צורכים Li – יון המלאי, לעיתים קרובות לגרום עלייה משמעותית אימפדנס של^6,75,4,תא. אובדן של Li-ion תוצאות גם משמרת נטו של הפוטנציאל משטח של אלקטרודות. ניטור של שינויי מתח על אלקטרודה בודדים בתא מלא לעומת אלקטרודה הפניה (RE) ניתן לבצע גם מסחרי 3-אלקטרודה תא עיצובים^{8,9,10,11 , 12 , 13 , 14}. מידע המתייחס מתח פרופילים והשינויים עכבה על גבי אלקטרודות בודדות מקדמת הבנה עמוקה יותר של מנגנונים השפלה הבסיסית ליב. קונבנציונלי 3-אלקטרודה התאים מכילים Li מתכת כמו אלקטרודה הפניה, המאפשרת הבנה ברורה של תהליכי אלקטרוכימי-כל אלקטרודה. Li-מטאל עם אלקטרוליט אורגני עובר שינוי פני השטח ספונטנית ולא התרומה של שכבת פני השטח הזה ב- Li ניתן כימות¹⁵. 3-אלקטרודה מספר תצורות כגון (א) T-מודל, (b) מיקרו-RE באופן מוחלט קואקסיאליים העבודה והן האלקטרודה מונה, (ג) תא מטבע עם RE מאחורי הדלפק אלקטרודה, וכו ‘ יש כבר הציע מוקדם יותר. רוב תצורות תאים אלה יש את RE ממוקם הרחק הכריך תא, יצירת להיסחף משמעותית בנתוני עכבה עקב מוליכות נמוכה של האלקטרוליט. הוכח כי מחדש עם פוטנציאל יציבה לאורך כל המדידה חייבת תוצבו במרכז הכריך כדי להבטיח שהנתונים עכבה אמין.

על מנת לטפל סתירות אלה, עיצבנו מלכודת תא מעורבים הרביעי RE¹⁶. כבל Cu דקים Sn מצופה דחוקה בין האלקטרודות של סוללה כי ניתן electrochemically lithiated בחיי עיר לטופס של סגסוגת Sn_xLi. Sn עובר lithiation, המתח של החוט הפניה טיפות, חוט לחלוטין lithiated יש פוטנציאל קרוב 0 V vs. משה גאנו Li⁺¹⁷. ההרכב lithiated יש לנו את היכולת להשוות Li מתכת ולהקל סגסוגות והשלמת אורווה פוטנציאליים במהלך תקופת זמן המדידה. מתכת Li נחשפים האלקטרוליט הוא נוטה מוצרים פירוק אלקטרוליטי ויוצרים שכבות פני השטח. מדידה EIS כדי לחקור את אימפדנס של אלקטרודות בודדות על-ידי איסוף ספקטרה אחת האלקטרודות בין ההפניה מתכת Li כפי מצמידים לא היו אמינים בשל תרומתה של שכבות אלה על עכבה. למרות הפחתת אלקטרוליט הוא נמנע גם על פני השטח Li-Sn, כבל הפניה lithiated בחיי עיר יש את היתרונות הבאים: (א) אין אלקטרוליט קבוע פירוק מוצרים כמו המתח הוא תמיד מעל הפוטנציאל הפירוק של האלקטרוליט אלא אם כן lithiated, רומז ללא אובדן של Li המלאי במערכת לשכבות פנים; (ב) השכבות נוצרו במהלך lithiation של חוט Sn הן על פני שטח קטן מאוד, מתן תרומה זניחה הנתונים EIS; ו (ג) יצרו המוצרים לבזות החוט Sn מאבד Li ואת הפוטנציאל של גדל תיל, וכתוצאה מכך lithiation של חוט Sn טריים במהלך כל lithiation, וכך היווצרות שכבות פנים דק מאוד בכל פעם במקום עובי מוגברת של אלה שכבות. ספקטרה הקליט עם סגסוגות אלה כהפניה מספקים נתונים יותר מדויקות ואמינות של עכבה האלקטרודה. ערכנו בדיקות עם תקן 2032-סוג מטבע תאים ו- 4-אלקטרודה RE תאים כדי לאמת את העיצוב שלנו. תוצאות בדיקות אלה והפרשנות שלנו של הנתונים ישמש כתוצאה מכך נציג כדי להסביר את היעילות של פרוטוקול שלנו. V 3-4.4 רכיבה על אופניים בעקבות פרוטוקול סטנדרטי, אשר כללה מחזורים היווצרות הזדקנות מחזורים, מדידות עכבה AC תקופתיים במהלך רכיבה על אופניים. המדידות תא מטבע לספק מידע רב ערך על הפרמטרים כגון מחזור החיים, קיבולת השמירה, שינויים עכבה AC, תאים RE וכו לאפשר שינויים מתח ניטור עכבה לעלות על גבי אלקטרודות בודדות. להבנתנו מכניסטית לתוך העלייה לדעוך, עכבה קיבולת יכול לספק קווים מנחים לפיתוח מערכות אלקטרוליט ולהבין תרומות עבור קיבולת אובדן של כל אלקטרודה במבצע תא מתח גבוה.

התאים שלנו הכיל Li-_1.03 (Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)-_0.97O-₂ (מסומן כאן בתור NMC532)-בסיס אלקטרודות חיובית, אלקטרודות שלילי מבוססת-גרפיט (מסומן כאן כמו Gr) ופתרון 1.2 מ’ של LiPF₆ ב Fluoroethylene קרבונט (FEC): אתיל מתיל קרבונט (EMC) (5:95 w/w) בתור האלקטרוליט. האלקטרודות השתמשו במחקר זה הם סטנדרטיים אלקטרודות מפוברק תא ניתוח, דוגמנות, מתקן טיפוס (מחנה) Argonne National Laboratory. האלקטרודה החיובית מורכב NMC532, מוספים מוליך פחמן (C-45), polyvinylidene בינדר פלואוריד (PVdF) על יחס משקל של 90:5:5 ב- 20 מיקרומטר Al עבה אספן הנוכחי. האלקטרודה השלילית מורכב גרפיט, מעורבב עם C-45, PVdF בינדר על יחס משקל של 92:2:6 ב- 10 מיקרומטר עבה Cu הנוכחי אספן. דיסקים מעגלית של 5.08 ס מ קוטר היו אגרוף מ הלוגן אלקטרודה ואגרופים המפרידים היו עם קוביה 7.62 ס”מ לשימוש בפרזול עם הקוטר הפנימי 7.62 ס מ. האלקטרודות היו יבשים-120 ° C ו המפרידים ב 75 מעלות צלזיוס בתנור ואקום במשך לפחות 12 שעות לפני האסיפה התא. ייצוג סכמטי של העיצוב מקבע מיוצג באיור1. אלקטרודות ואביזרי גדול להבטיח מינימום inhomogeneities בהתפלגויות הנוכחי ליחידת שטח, לפיכך, מתן את העיוותים לפחות ספקטרום עכבה. V 3-4.4 רכיבה על אופניים בעקבות פרוטוקול סטנדרטי, שכלל שני מחזורים היווצרות בקצב C/20, 100 הזדקנות מחזורים בקצב C/3 ומחזורי אבחון שני ב- C/20. כל סוללת הבדיקות נערכו ב- 30 ° C. נתונים אופניים אלקטרוכימי נמדדה באמצעות הצנטרפוגה של הסוללה, ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימי (EIS) מתבצעת באמצעות מערכת potentiostat.