3-אלקטרודה מטבע תא הכנה וניתוח Electrodeposition עבור סוללות ליתיום

למרות המקור של סוללות ליתיום יכול להיות נעוצים באורח שרירותי רחוק אל העבר, ייצור בקנה מידה גדול ואת המסחור של רבים של היום נפוץ סוללות ליתיום שנמצאו החל בשנות ה-80. רבים מן החומרים שפותחו במהלך תקופה זו, למשל להיות קובלט תחמוצת ליתיום (LiCoO₂), מצויים עדיין נפוץ השימוש היום¹. מחקרים רבים הנוכחי כבר התמקדו לקראת פיתוח שונות מבנים תחמוצת מתכת אחרים, עם כמה דגש לקראת צמצום או ביטול השימוש של קובלט במקום אחרים עלות נמוכה יותר, מתכות שפיר יותר לסביבה, כגון מנגן או ניקל². בנוף המשתנה ללא הרף של חומרים בשימוש בסוללות ליתיום מחייבת שיטה יעילה ומדויקת של אפיון שלהם ביצועים ובטיחות. כי הפעולה של הסוללה כל כרוך אלקטרוכימי התגובה בשילוב של שתי האלקטרודות חיוביים ושליליים, סוללות אלקטרודה שני טיפוסי נופל קצר של היכולת לאפיין את האלקטרודות באופן עצמאי. העדר הבנה עוקבות ואפיון עניים ואז עלול לגרום מצבים מסוכנים או העניים ביצועי הסוללה הכללית בשל נוכחותם של השפלה תופעות. מחקרים קודמים שמטרתן האחדת טכניקות עיבוד טיפוסי תאים שני-אלקטרודה³. שיטה אחת המשפרת על החסרונות של תצורות תא רגיל היא התא 3-אלקטרודה.

מלכודת 3-אלקטרודה היא שיטה אחת הזיווג שבין תגובות שתי אלקטרודות ולספק תובנות רבות יותר על הפיסיקה הבסיסיים של פעולת הסוללה. במלכודת 3-אלקטרודה, אלקטרודה הפניה הוא הציג בנוסף קטודית אנודת. אלקטרודה הפניה זה משמש לאחר מכן כדי למדוד את הפוטנציאל של אנודת ושל קטודית באופן דינמי במהלך המבצע. אין זרמי עבר דרך האלקטרודה הפניה ולפיכך, זה מספק יחיד ויציב אידיאלי, מתח. באמצעות מלכודת 3-אלקטרודה, מתח התא מלא, את הפוטנציאל קטודית, ואת הפוטנציאל אנודת ניתן לאסוף בו זמנית במהלך המבצע. בנוסף מדידות פוטנציאליים, ניתן לאפיין תרומות אימפדנס של האלקטרודות כפונקציה של מצב תא מטען⁴.

3-אלקטרודה setups שימושיים מאוד ללמוד השפלה תופעות בסוללות ליתיום יון, כגון electrodeposition ממתכת ליתיום, הידוע גם בשם ליתיום ציפוי. קבוצות אחרות יש הציע שלוש-אלקטרודה setups^{5,6,7,8,9,10,11,12, 13} אבל הם לעיתים קרובות להשתמש המתכת ליתיום יציב מטבעו כהפניה וכוללים מותאם אישית, קשה להרכיב setups שמוביל אמינות מופחת. ליתיום ציפוי מתקיים כאשר במקום intercalating לתוך מבנה אלקטרודה המארח, ליתיום נצבר על פני השטח של המבנה. הפקדות אלו בדרך כלל מניחים המורפולוגיה של שכבה מתכתי אחיד (יחסית) (ציפוי) או מבנים קטנים דנדריטים. ציפוי יכול להיות תופעות הנעות בין גרימת בעיות בטיחות הפגיעה רכיבה על אופניים ביצועים. מנקודת מבט הפנומנולוגי, ציפוי ליתיום מתרחש עקב יכולת של ליתיום intercalate לתוך מבנה אלקטרודה מארח ביעילות. ציפוי נוטה להתרחש בטמפרטורה נמוכה, גבוהה טעינה האלקטרודה גבוהה מדינה תשלום (SOC), קצב, או שילוב של שלושת הגורמים האלה¹². בטמפרטורה נמוכה, פעפוע של מצב מוצק בתוך האלקטרודה מופחת, עקב התלות diffusivity ארניוס טמפרטורה. פעפוע של מצב מוצק התחתונה התוצאה הצטברות של ליתיום-הממשק אלקטרודה-אלקטרוליט תצהיר עוקבות של ליתיום. בקצב ההטענה גבוה, מתרחשת תופעה דומה. ליתיום ניסיונות intercalate לתוך מבנה אלקטרודה מהר מאוד אבל לא הצליח, ובכך הוא מצופה. -ואת גבוהה יותר, יש בממוצע שטח קטן יותר עבור הליתיום intercalate לתוך המבנה, ובכך הוא הופך להיות נוח יותר להפקיד על פני השטח.

דנדריטים ליתיום יש חשיבות מיוחדת בשל חשש בטיחות שהם גורמים. אם דנדריטים טופס בתוך תא, קיים פוטנציאל להם לגדול, לנקב את המפריד, ולגרום של קצר פנימי בין אנודת הקתודה. זה קצר פנימי יכול להוביל טמפרטורות מאוד גבוהה מותאם לשפות אחרות האלקטרוליט דליק, שנרשמים runaway תרמי, אפילו פיצוץ של התא. בעיה נוספת הקשורה דנדריט היווצרות היא הגדלת שטח הפנים של ליתיום תגובתי. סוללת ליתיום לאחרונה הופקדו להגיב עם האלקטרוליט וגורמים היווצרות לאטמוספרה (סל) מוגבר אלקטרוליט מוצק, אשר יוביל אובדן יכולת מוגברת וביצועים אופניים המסכן.

סוגיה אחת הקשורים עם העיצוב של מערכת 3-אלקטרודה היא הבחירה של האלקטרודה ההתייחסות המתאימה. לוגיסטיקה הקשורים המיקום והגודל של ההפניה, אלקטרודות חיוביים ושליליים יכול לשחק תפקיד חשוב להשגת תוצאות מדויקות מן המערכת. דוגמה אחת היא כי אי-התאמות של האלקטרודות חיוביים ושליליים במהלך הבנייה התא ואת הקצוות המושפעים וכתוצאה מכך יכול להציג שגיאה בהפניה קריאה^14,15. מבחינת בחירת חומרים, האלקטרודה הפניה צריך יש מתח אמינה ויציבה ויש של גבוהה ללא-פולריזביליות. ליתיום מתכת, אשר משמש לעתים קרובות אלקטרודה הפניה על ידי קבוצות מחקר רבות, יש פוטנציאל זה תלוי בסרט משטח פסיבי. הדבר עלול ליצור בעיות כי ניקיתי ולהציג ליתיום בגילאי אלקטרודות פוטנציאל שונים¹⁶. זה הופך לבעיה כאשר השפעות ההזדקנות לטווח הארוך נלמדים. מחקר על-ידי. Solchenbach et al. ניסה לחסל חלק מהבעיות יציבות על ידי זהב alloying עם ליתיום ולהשתמש בו בתור שלהם הפניה¹¹. מחקר אחר הביט חומרים שונים כולל חומצה טיטנית ליתיום, אשר נחקרה השפעול ומראה אלקטרוכימי פוטנציאליים מישור טווח גדול סביב V 1.5-1.6¹⁷ (~ 50% SOC). מישור זה עוזר לשמור על פוטנציאל יציב, במיוחד במקרה של ההפרעות בשוגג למצב של האלקטרודה תשלום. יציבות פוטנציאליים LTO, כולל תוספים מוליך מבוססת על פחמן, נשמר אפילו ב C-תעריפים שונים וטמפרטורות. ¹⁸ . זה זה חשוב להדגיש הבחירה של האלקטרודה הפניה היא צעד חשוב בעיצוב התא 3-אלקטרודה

קבוצות מחקר רבות הציעו תא 3-אלקטרודה ניסיוני ההתקנה. . Dolle et al. להשתמש תאים פלסטיק דק עם אלקטרודה הפניה חוט הנחושת ליתיום חומצה טיטנית ללמוד לשינויים עכבה בשל רכיבה על אופניים, אחסון בטמפרטורות גבוהות¹⁹. . McTurk et al. המועסקים טכניקה לפיה חוט נחושת מצופה ליתיום הוכנס לתוך תא נרתיק מסחרי, עם המטרה העיקרית היא להדגים את חשיבותה של ההכנסה לא פולשנית טכניקות⁹. . Solchenbach et al. משמש T-cell ששונה Swagelok-סוג של אלקטרודות מיקרו-הפניה זהב (שהוזכרה לעיל) על עכבה ומדידות פוטנציאליים. ¹¹ . Waldmann ואח שנקטפו אלקטרודות מתאי מסחרי, שיחזר משלהם תאים 3-אלקטרודה נרתיק לשימוש בלימוד התצהיר ליתיום¹². . Costard et al. פיתחו של דיור תא 3-אלקטרודה ניסיוני שבאתר כדי לבדוק את האפקטיביות של התייחסות אחרת אלקטרודה חומרים ותצורות¹³.

רוב קבוצות מחקר אלה להשתמש מטאל טהור ליתיום כהפניה, אשר יכולה חששות עם יציבות וצמיחה סל, במיוחד עם שימוש ארוך טווח. בעיות אחרות כוללות שינויים מורכב ולגזול כיוונונים קיימים או מסחרי. בנייר זה, מוצגת שיטה אמינה וחסכונית עבור בניית שלוש-אלקטרודה li-ion תאים מטבע לבדיקות אלקטרוכימי, כפי שמוצג באיור1. ניתן לבנות תוכנית התקנה זו שלוש-אלקטרודה באמצעות רכיבים תא מטבע רגיל, חוטי נחושת, ליתיום מבוסס חומצה טיטנית הפניה אלקטרודה (ראה איור 2). בשיטה זו אינו דורש שום ציוד מיוחד או שינויים משוכלל, מלווה מעבדה סטנדרטיים סולם הליכים אלקטרוכימי וחומרים של ספקים מסחריים.