وصفنا تصميم وبناء خلية كهروكيميائية لفحص المواد الكهربائي باستخدام الموقعي حيود النيوترونات مسحوق (NPD) في. نحن أعلق بإيجاز على بديل تصاميم خلية NPD في الموقع ومناقشة أساليب لتحليل المقابلة بيانات NPD الموقع المنتجة باستخدام هذه الخلية في.
وتستخدم بطاريات ليثيوم أيون على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، وتعتبر من المرشحين واعدة لتطبيقات طاقة أعلى مثل السيارات الكهربائية. 1،2 ومع ذلك، العديد من التحديات، مثل كثافة الطاقة والبطارية عمر، لا بد من التغلب عليها قبل هذا الخصوص يمكن تطبيق تكنولوجيا البطاريات على نطاق واسع في مثل هذه التطبيقات. 3 هذا البحث هو أمر صعب، ونحن الخطوط العريضة لطريقة لمعالجة هذه التحديات باستخدام NPD في الموقع للتحقيق في التركيب البلوري للأقطاب تمر الدراجات الكهروكيميائية (تهمة / التفريغ) في البطارية. تساعد بيانات NPD تحديد آلية الهيكلية الكامنة المسؤولة عن مجموعة من الخصائص الكهربائي، وهذه المعلومات يمكن توجيه تطوير الأقطاب وبطاريات أفضل.
نستعرض بإيجاز ستة أنواع من بطارية تصاميم للتجارب NPD وبالتفصيل طريقة لبناء "ترحيل" الخلية التي لدينا حسب الطلباستخدمت بنجاح على كثافة عالية أداة NPD، الومبت، في منظمة العلوم والتكنولوجيا النووية الاسترالية (ANSTO). وتناقش اعتبارات التصميم والمواد المستخدمة لبناء الخلايا بالتزامن مع جوانب التجربة الفعلية NPD الموقع والاتجاهات الأولية في وتعرض على كيفية تحليل هذه البيانات المعقدة في الموقع.
قابلة للشحن بطاريات ليثيوم أيون توفر الطاقة المحمولة للإلكترونيات الحديثة وهامة في تطبيقات الطاقة العالية مثل السيارات الكهربائية وأجهزة تخزين الطاقة كما لجيل واسع النطاق للطاقة المتجددة. 3-7 وهناك عدد من التحديات التي لا تزال لتحقيق انتشار استخدام القابلة لإعادة الشحن البطاريات في المركبات واسعة النطاق التخزين، بما في ذلك كثافة الطاقة والسلامة. استخدام في طرق الموقع للتحقيق وظيفة البطارية الذرية والجزيئية على نطاق وأثناء العملية أصبحت شائعة على نحو متزايد لأن المعلومات المكتسبة في مثل هذه التجارب يمكن أن توجه أساليب لتحسين المواد البطارية الحالية، مثلا عن طريق تحديد آليات الفشل المحتملة، 8-10 وخلال الكشف هياكل الكريستال التي يمكن النظر فيها للجيل القادم من مواد. 11
والهدف الأساسي من NPD في الموقع هو للبحث في تطور التركيب البلوري للعناصر داخل البطاريةبوصفها وظيفة من تهمة / التفريغ. من أجل قياس تطور التركيب البلوري يجب أن تكون المكونات البلورية، والتي تركز هذه الدراسات على أقطاب أمر crystallographically. هو في الأقطاب أن الناقل تهمة (الليثيوم) تم إدراج / استخراج وتتبع هذه التغييرات من قبل الحزب الوطني الديمقراطي. وفي الوضع الطبيعي NPD توفر إمكانية "تتبع" ليس فقط تطور آلية رد الفعل والمعلمة شعرية من الأقطاب، ولكن أيضا الإدراج / استخراج الليثيوم من الأقطاب الكهربائية. أساسا الناقل مسؤولا في بطاريات ليثيوم أيون يمكن اتباعها. وهذا يعطي نظرة محورها الليثيوم وظيفة البطارية ووقد تجلى مؤخرا في عدد قليل من الدراسات. 11-13
NPD هو تقنية مثالية لفحص المواد المحتوية على الليثيوم وبطاريات ليثيوم أيون. ذلك لأن الحزب الوطني الديمقراطي يعتمد على التفاعل بين شعاع النيوترون والعينة. على عكس الأشعة السينية مسحوق حيود (XRD)، حيث تفاعلمن إشعاع الأشعة السينية في الغالب مع الإلكترونات من العينة، وبالتالي يختلف خطيا مع العدد الذري، في الحزب الوطني الديمقراطي وبوساطة التفاعل من خلال التفاعلات النيوترونية أنويتها التي تؤدي إلى الاختلاف أكثر تعقيدا ويبدو عشوائي مع العدد الذري. وهكذا، في الموقع NPD واعدة خاصة لدراسة المواد بطارية ليثيوم أيون بسبب عوامل مثل حساسية تجاه NPD ذرات الليثيوم في وجود عناصر أثقل، والتفاعل غير المدمرة من النيوترونات مع البطارية، وارتفاع عمق الاختراق من النيوترونات تمكين فحص بالجملة الكريستال بنية مكونات البطارية ضمن البطاريات كلها من الحجم المستخدمة في الأجهزة التجارية. لذا، في الموقع NPD مفيد بشكل خاص لدراسة بطاريات ليثيوم أيون نتيجة لهذه المزايا. على الرغم من هذا، فقد كان الإقبال على التجارب في NPD الموقعي من قبل المجتمع بطارية لبحث محدود، وهو ما يمثل فقط 25 المنشورات الخطيئةم التقرير الأول من استخدام الموقع NPD للأبحاث في البطارية في عام 1998. 14 امتصاص محدود هو بسبب بعض العقبات التجريبية الكبرى، مثل الحاجة لحساب-النيوترون نثر غير متماسكة شريحة كبيرة من الهيدروجين في الحلول بالكهرباء وفاصل في البطارية، وهو أمر يضر إشارة NPD. غالبا ما يتم التغلب على هذا عن طريق استبدال مع بالديوتيريوم (2 H) حلول بالكهرباء واستبدال الفاصل مع بديل مجانا الهيدروجين أو مواد رديئة. 15 عقبة أخرى هي الحاجة إلى وجود عينة كافية في شعاع النيوترون، وهو الشرط الذي غالبا ما يتطلب استخدام أقطاب سمكا والذي بدوره يحد من الحد الأقصى للشحن / تفريغ المعدل الذي يمكن تطبيقه على البطارية. وهناك قلق أكثر العملي هو عدد صغير نسبيا من diffractometers على مستوى العالم النيوترون قريبة diffractometers الأشعة السينية، وقدراتها – مثل الوقت ودقة زاوية. كما جديدة النيوترون diffractomeوتأتي النسب على الانترنت والتغلب على العقبات المذكورة أعلاه، في الموقع تجارب NPD قد نمت في العدد.
هناك خياران لإجراء التجارب في NPD الموقع، باستخدام خلايا تجارية أو مبنية خصيصا. وقد أظهرت خلايا تجارية للكشف عن المعلومات الهيكلية، بما في ذلك تطور محتوى الليثيوم والتوزيع في الأقطاب. 8-11،16-20 ومع ذلك، باستخدام خلايا تجارية يحد من عدد من الأقطاب الكهربائية التي يمكن دراستها لتلك بالفعل متوفرة تجاريا، وأين وتشارك الشركات المصنعة أو المرافق البحثية المختارة لإنتاج خلايا من النوع التجاري مع المواد حتى الآن من الامم المتحدة وتجاريا. إنتاج الخلايا من النوع التجاري يعتمد على توافر كميات كافية من المواد الكهربائي لتصنيع الخلية، وعادة من أجل من كجم وبشكل كبير أعلى من تلك المستخدمة في البحوث البطارية، والتي يمكن أن تكون عائقا أمام إنتاج خلايا. خلايا تي واي تجاريةميزة pically قطبين أن تتطور خلال تهمة / التفريغ وسيتم القبض على تطور كل من الأقطاب الكهربائية في أنماط الحيود الناتجة عن ذلك. وذلك لأن شعاع النيوترون هو اختراق للغاية ويمكن أن تخترق خلايا ليثيوم أيون واحد (على سبيل المثال، وحدة التخزين بالكامل من خلايا 18650). تطور القطبين يمكن أن تجعل من تحليل بيانات معقدة، ولكن إذا لوحظ انعكاسات براج كافية من كل من أقطاب هذه يمكن أن تكون على غرار باستخدام أساليب مسحوق نمط بأكملها. مع ذلك، وخلايا نصف مصنوعة خصيصا يمكن بناؤها في القطب الذي هو واحد الليثيوم، وينبغي ألا تتغير هيكليا خلال تهمة / التفريغ، وبالتالي بمثابة (أو آخر) معيار الداخلية. هذا يترك القطب واحد فقط ينبغي أن يحمل التغيير الهيكلي، وتبسيط تحليل البيانات. كما يجب الحرص على التأكد من أن جميع الأفكار القطب المصالح ليست متداخلة مع انعكاسات من المكونات الأخرى التي تمر بمرحلة تغير هيكلي في الخلية. الإعلاننظر خلية حسب الطلب هو أن المكونات يمكن تبديل لتغيير المواقف انعكاس في أنماط الحيود. وعلاوة على ذلك، وخلايا حسب الطلب تسمح للباحثين خيار، من حيث المبدأ، وتحسين نسب الإشارة إلى الضوضاء والتحقيق في المواد التي تتم على دفعات البحوث على نطاق أصغر، وبالتالي السماح لفي الموقع دراسة NPD من طائفة واسعة من المواد.
حتى الآن كانت هناك ستة تصاميم خلية كهروكيميائية لفي الدراسات NPD الموقع المبلغ عنها، بما في ذلك ثلاثة تصاميم أسطواني، 14،15،21،22 اثنين عملة من نوع التصاميم خلية 23-26 وتصميم خلية الحقيبة. 12،27 لخلايا اسطوانية الأولى تم تصميم محدودة في استخدام منخفض جدا للشحن / تفريغ معدلات نظرا لكميات كبيرة من المواد المستخدمة الكهربائي. 14،21 تصميم ترحيل 15 المفصلة أدناه، ونسخة معدلة من خلايا اسطوانية الشكل الأصلي، 22 والتغلب على كثير من المشاكل المرتبطة رانه تصميم أسطواني أولا، ويمكن استخدامها لربط موثوق بنية المواد الكهربائي مع الكيمياء الكهربائية الخاصة بهم. تصاميم عملة خلية للفي NPD الموقع يسمح أيضا كميات مماثلة من مواد الكهربائي ليتم سبر نسبة إلى ترحيل خلية، في حين يضم الفروق الدقيقة من حيث البناء، وأسعار الشحن المطبقة، والتكلفة. 15 على وجه الخصوص، الخلوية المصغرة وأفادت التقارير مؤخرا إلى نوع تم إنشاؤها باستخدام سبائك الزنك تي كمادة غلاف (خالية المصفوفة) التي تنتج أي إشارة في أنماط NPD. 26 وهذا مشابه لاستخدام علب الفاناديوم في تصميم ترحيل موضح أدناه . ومن العوامل الرئيسية التي يمكن أن تؤثر تهمة ينطبق / معدلات التفريغ (والاستقطاب) هو سمك القطب، حيث تتطلب الأقطاب عادة سمكا تطبيق التيار السفلي. تصاميم الخلايا التي أصبحت الآن أكثر شعبية هي الخلايا الحقيبة مع صحائف من الخلايا الفردية متعددة متصلة على التوازي، أو ورقةS التي توالت بطريقة مماثلة لبناء بطاريات ليثيوم أيون وجدت في الإلكترونيات المحمولة. 12،27 هذه الخلية هو مستطيل (الحقيبة) التي يمكن أن تعمل على ارتفاع معدلات تهمة / التفريغ من ترحيل أو عملة من نوع الخلايا. في هذا العمل، ونحن نركز على "ترحيل" تصميم الخلية، مما يدل على بناء الخلية، والاستخدام، وبعض النتائج باستخدام خلية.
إعداد الكهربائي للبطاريات تصميم ترحيل مماثل عمليا لإعداد الكهربائي لاستخدامها في بطاريات الخلوية المصغرة التقليدية. يمكن أن يلقي القطب على جامع الحالي من قبل الطبيب blading، مع أكبر الفرق هو أن القطب يجب أن تمتد أبعاد أكبر من 35 × 120-150 ملم. وهذا يمكن أن يكون من الصعب بشكل موحد معطف مع كل مادة القطب. يتم ترتيب طبقات من القطب على جامع الحالي، فاصل، والليثيوم معدن احباط على جامع الحالي، وتوالت، وإدراجها في علب الفاناديوم. استخدام بالكهرباءد هو LiPF 6، واحدة من الأكثر استخداما الأملاح في بطاريات ليثيوم أيون مع بالديوتيريوم كربونات الاثيلين وكربونات ثنائي ميثيل بالديوتيريوم. وقد استخدمت هذه الخلية بنجاح في اربع دراسات نشرت وسيتم وصفها بمزيد من التفصيل أدناه. 15،28-30
عند تصميم وإجراء تجربة في الموقع، إما مع "ترحيل" خلية حيود النيوترونات أو تصميم آخر، هناك عدد من الجوانب التي يجب أن تسيطر عليها بعناية لضمان تجربة ناجحة. وتشمل هذه اختيار دقيق لنوع وكمية مكونات الخلية، والتأكد من أن القطب استعداد وخلية شيدت النهائية هي ذات…
The authors have nothing to disclose.
We thank AINSE Ltd for providing support through the research fellowship and postgraduate award scheme.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Slurry Preparation | |||
PVDF | MTI Corporation | EQ-Lib-PVDF | http://www.mtixtl.com/PVDFbinderforLi-ionbatteryelectrodes80g/bag-EQ-Lib-PVDF.aspx |
Active Electrode Material | Researcher makes* | This is dependent on the electrode under investigation, typically made in-house by the researcher and varies every time | |
Carbon black | MTI Corporation | EQ-Lib-SuperC65 | http://www.mtixtl.com/TimicalSUPERC65forLithium-IonBatteries80g/bag-EQ-Lib-SuperC65.aspx |
NMP | MTI Corporation | EQ-Lib-NMP | http://www.mtixtl.com/N-Methyl-2-pyrrolidoneNMPsolventforPVDF 250g/bottleLib-NMP.aspx |
Magnetic stirrer | IKA | C-MAG HS 7 IKAMAG | http://www.ika.in/owa/ika/catalog.product_detail?iProduct=3581200 |
Electrode Fabrication | |||
Doctor blade (notch bar) | DPM Solutions Inc. | 100, 200, 300 & 400 micron 4-Sided Notch Bar | |
Al or Cu current collectors | MTI Corporation | EQ-bcaf-15u-280 | http://www.mtixtl.com/AluminumFoilforBatteryCathodeSub strate-EQ-bcaf-15u-280.aspx |
Vacuum Oven | Binder | e.g. VD 53 | http://www.binder-world.com/en/vacuum-drying-oven/vd-series/vd-53/ |
Flat-plate press | MTI Corporation | EQ-HP-88V-LD | http://www.mtixtl.com/25THydraulicFlat HotPress-EQ-HP-88V.aspx |
Roll-over cell construction | |||
V can | |||
electrode on Al/Cu | MTI Corporation | EQ-bcaf-15u-280 | http://www.mtixtl.com/AluminumFoilforBatteryCathodeSub strate-EQ-bcaf-15u-280.aspx |
polyethylene-based or PVDF membrane | MTI Corporation | EQ-bsf-0025-400C | http://www.mtixtl.com/separatorfilm-EQ-bsf-0025-400C.aspx |
LiPF6 | Sigma-Aldrich | 450227 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/450227?lang=en®ion=AU |
deuterated dimethyl carbonate | Cambridge Isotopes | DLM-3903-PK | http://shop.isotope.com/productdetails.aspx?id=10032379&itemno=DLM-3903-PK |
deuterated ethylene carboante | CDN Isotopes | D-5489 | https://www.cdnisotopes.com/as/products/specifications/D-5489.php?ei=YWVraWmjoJ1i0lZ7nkr0RpwHr Hxc9ornu14O4WUtZKbZWZrcq6j55 G0lOab3Wi0dMZ7xc+0Yse1leWVtZ LnrGKvta7v591o4JrnkbRowHt/r |
Li metal foil | MTI Corporation | Lib-LiF-30M | http://www.mtixtl.com/Li-Foil-30000mmL-35mmW-0.17mm Th.aspx |
Rubber stopper cut to size | generic eraser | cut a generic eraser to size | |
dental wax | Ainsworth Dental | AIW042 | http://www.ainsworthdental.com.au/catalogue/Ainsworth-Modelling-Wax-500g.html |
Copper wire (insulated) | generic | sheathed Cu wire that can be cut to size | |
Aluminium rod (<2mm diameter) | generic | cut to size as required | |
Glovebox | Mbraun | UNILab | http://www.mbraun.com/products/glovebox-workstations/unilab-glovebox/ |
Scissors | generic | ||
Soldering iron | generic | ||
In situ NPD | |||
Appropriate neutron diffractometer | ANSTO | Wombat | http://www.ansto.gov.au/ResearchHub/Bragg/Facilities/Instruments/Wombat/ |
Potentiostat/galvanostat | Autolab | PGSTAT302N | http://www.ecochemie.nl/Products/Echem/NSeriesFolder/PGSTAT302N |
Connections to battery from potentiostat/galvanostat | generic | ||
Training of NPD instrument and use | |||
Data analysis | |||
Data visualisation and peak fitting, .e.g. LAMP suite | ILL | LAMP | http://www.ill.eu/instruments-support/computing-for-science/cs-software/all-software/lamp/ |
Rietveld analysis software, e.g. GSAS | APS | GSAS | https://subversion.xray.aps.anl.gov/trac/EXPGUI |