إعداد الخلية عمله ثلاثة-القطب وتحليلات اليكتروديبوسيشن لبطاريات الليثيوم أيون

على الرغم من أن أصل بطاريات الليثيوم يمكن أن ترجع تعسفاً الآن إلى الماضي، بالإنتاج على نطاق واسع وإضفاء الطابع التجاري على كثير من اليوم عادة بطاريات ليثيوم أيون وجدت بدأ في الثمانينات. العديد من المواد التي وضعت خلال هذه الحقبة، منها على سبيل المثال “ليثيوم أكسيد الكوبالت” (ليكو₂)، تم العثور على لا تزال شائعة في استخدام اليوم¹. وقد تركزت العديد من الدراسات الحالية نحو التنمية لمختلف الهياكل الأخرى من أكسيد المعدن، مع بعض التركيز نحو الحد من أو القضاء على استخدام القشور بدلاً من أخرى أقل تكلفة وغير ضارة بيئياً أكثر من المعادن، مثل المنغنيز والنيكل أو². ويستلزم المتغيرة باستمرار للمواد المستخدمة في بطاريات ليثيوم أيون وسيلة فعالة ودقيقة لوصف كل من الأداء والسلامة. لتشغيل أي بطارية ينطوي رد الكهروكيميائية يزوج الأقطاب الإيجابية والسلبية على حد سواء، تقصر نموذجي القطب اثنين بطاريات يجري قادرة على توصيف أقطاب كهربائية بشكل مستقل. ثم وصف الفقراء وعدم فهم اللاحقة يؤدي إلى حالات خطرة أو سوء أداء البطارية نظراً لوجود ظواهر تدهور. البحوث السابقة تهدف إلى توحيد تقنيات معالجة نموذجية اثنين-القطب الخلايا³. هو الأسلوب الوحيد الذي يحسن بناء على أوجه قصور تكوينات الخلية القياسية الخلية ثلاثة-القطب.

إعداد ثلاثة-القطب أسلوب واحد لفصل الردود قطبين، وتوفير مزيد من تبصر في الفيزياء الأساسية لتشغيل البطارية. هو عرض قطب إشارة في إعداد الثلاثة–القطب، بالإضافة إلى الكاثود والانود. ثم يستخدم هذا القطب مرجعية لقياس إمكانات اﻷنود والكاثود بشكل حيوي أثناء العملية. الحالية لا يتم تمريرها عبر مسرى الإشارة ومن ثم يوفر جهد المفرد، ومستقرة من الناحية المثالية،. باستخدام إعداد الثلاثة–القطب، الجهد خلية كاملة وإمكانات الكاثود وإمكانات اﻷنود يمكن جمعها في وقت واحد خلال العملية. بالإضافة إلى القياسات المحتملة، يمكن وصف مساهمات مقاومة أقطاب كهربائية كوظيفة من وظائف الدولة خلية مقابل⁴.

الأجهزة الثلاثة-القطب مفيدة جداً لدراسة ظواهر تدهور في بطاريات ليثيوم أيون، مثل اليكتروديبوسيشن معدن الليثيوم، المعروف أيضا بالطلاء الليثيوم. مجموعات أخرى اقترحت الأجهزة الثلاثة-القطب^5،6،،من^{78،9،10،11،12، 13} لكنها غالباً ما تستخدم معدن الليثيوم غير المستقرة أصلاً كمرجع وتشمل مخصص، صعوبة في تجميع الأجهزة مما يؤدي إلى انخفاض الثبات. الليثيوم تصفيح يحدث عندما بدلاً من إينتيركالاتينج في الهيكل الكهربائي المضيف، تودع الليثيوم على سطح الهيكل. عادة تحمل هذه الودائع مورفولوجية طبقة معدنية (نسبيا) موحدة (الطلاء) أو هياكل الجذعية الصغيرة. يمكن أن يكون الطلاء آثار تتراوح بين التسبب في المسائل المتعلقة بالسلامة لإعاقة ركوب الدراجات الأداء. من منظور الظواهر، يحدث تصفيح الليثيوم سبب العجز عن الليثيوم إينتيركالاتي في الهيكل الكهربائي المضيف فعلياً. تصفيح تميل إلى الحدوث في درجة حرارة منخفضة، عالية فرض معدل أو الدولة القطب عالية مقابل (شركة نفط الجنوب)، أو مزيج من هذه العوامل الثلاثة¹². في درجة حرارة منخفضة، يتم تقليل نشر الحالة الصلبة داخل مسرى، نظراً لاعتماد أرينيوس الانتشارية على درجة الحرارة. انخفاض نتائج نشر الحالة الصلبة في تراكم الليثيوم في واجهة الكهربائي-الكهرباء وترسب لاحقة من الليثيوم. معدل شحن عالية، تحدث ظاهرة مماثلة. الليثيوم يحاول إينتيركالاتي في الهيكل الكهربائي بسرعة كبيرة ولكن غير قادر على وهو مطلي بالتالي. أعلى من شركة نفط الجنوب، توجد في المتوسط أقل مساحة متوفرة الليثيوم إينتيركالاتي في الهيكل، وبالتالي يصبح أكثر مواتاة لإيداع على السطح.

Dendrites الليثيوم ذات أهمية خاصة نظراً لأنها تسبب قلق السلامة. إذا كان النموذج dendrites داخل خلية، هناك إمكانية لكي تنمو، بيرس الفاصل، وتسبب اختصار داخلية بين اﻷنود والكاثود. يمكن أن يؤدي هذا قصيرة داخلية لدرجات حرارة عالية جداً المترجمة في الكهرباء القابلة للاشتعال، غالباً ما يؤدي إلى هارب الحرارية وحتى في انفجار الخلية. هناك مسألة أخرى تتصل بتشكيل تغصن هو زيادة المساحة السطحية من الليثيوم رد الفعل. الليثيوم المودعة حديثا سوف تتفاعل مع الكهرباء وتسبب تشكيل الطور البيني (معهد استوكهولم للبيئة) زيادة اﻻلكتروﻻيت الصلبة، مما سيؤدي إلى فقدان زيادة القدرة وضعف الأداء الدراجات.

إحدى القضايا المرتبطة بتصميم نظام الثلاث-القطب هو اختيار مسرى الإشارة المناسبة. السوقيات المتصلة بالموقع والحجم للإشارة، أقطاب الإيجابية والسلبية يمكن أن تلعب دوراً هاما في الحصول على نتائج دقيقة من النظام. مثال ذلك أن اختلالها أقطاب الإيجابية والسلبية أثناء تشييد الخلية وتأثيرات الحافة الناتجة يمكن إدخال خطأ في مرجع القراءة^14،15. من حيث اختيار المواد، ينبغي أن مسرى مرجع جهد مستقرة وموثوق بها ولها الاستقطابية غير عالية. إمكانات معدن الليثيوم، الذي غالباً ما يستخدم كقطب مرجع من قبل العديد من المجموعات البحثية، التي تعتمد على الفيلم سطح المبنى للمجهول. وهذا يمكن أن تنتج القضايا نظراً لتنظيفها واقطاب الليثيوم الذين تتراوح أعمارهم بين عرض إمكانيات مختلفة¹⁶. وهذا يصبح مشكلة عندما يتم دراسة الآثار الطويلة الأجل الناجمة عن الشيخوخة. حاول البحث من سولتشينباتش et al. للقضاء على بعض من هذه المسائل عدم الاستقرار بالذهب تسبيك مع الليثيوم واستخدامه ك مرجع على¹¹. بدأ أبحاث أخرى في مواد مختلفة، بما في ذلك تيتانات الليثيوم، التي درست تجريبيا ويبين نطاق هضبة محتملة الكهروكيميائية كبيرة حول 1.5-1.6 V¹⁷ (~ 50% شركة نفط الجنوب). هذه الهضبة يساعد على الحفاظ على إمكانات مستقرة، لا سيما في حالة اضطراب عرضي للدولة القطب المجان. هو الحفاظ على الاستقرار المحتملة في عفرتو، بما في ذلك إضافات موصلة المستندة إلى الكربون، حتى في ج-معدلات مختلفة ودرجات الحرارة. ¹⁸ من المهم التأكيد على اختيار مسرى المرجع هو خطوة هامة في تصميم ثلاث قطب الخلية.

وقد اقترح العديد من المجموعات البحثية الإعداد التجريبية الثلاثة-قطب الخلية. تستخدم دول et al. خلايا بلاستيكية رقيقة مع قطب إشارة أسلاك نحاسية تيتانات ليثيوم لدراسة التغيرات في مقاومة بسبب ركوب الدراجات والتخزين في درجات حرارة عالية¹⁹. مكتورك et al. تستخدم تقنية حيث أسلاك نحاسية ليثيوم مطلي تم إدراجه في خلية الحقيبة الدبلوماسية تجارية، مع أن الهدف الرئيسي الذي يجري لإثبات أهمية تقنيات الإدراج noninvasive⁹. سولتشينباتش et al. تستخدم تعديل سواجيلوك من نوع T-خلية ومسرى الصغرى-مرجع الذهب (المذكورة سابقا) لمقاومة والقياسات المحتملة. ¹¹ Waldmann et al. حصاد أقطاب من الخلايا التجارية وأعيد بناء الخلايا الحقيبة ثلاثة-القطب الخاصة بهم لاستخدامها في دراسة ترسب الليثيوم¹². وضع كوستارد et al. سكن داخل خلية ثلاثة-القطب تجريبية لاختبار فعالية مرجعية مختلفة القطب تكوينات ومواد¹³.

استخدام معظم هذه المجموعات البحثية معدن الليثيوم النقي كالمرجع، الذي يمكن أن يكون للشواغل المتعلقة بالاستقرار والنمو معهد استوكهولم للبيئة، وبخاصة مع الاستخدام على المدى الطويل. قضايا أخرى تشمل تعديلات على الأجهزة الموجودة أو تجارية معقدة وتستغرق وقتاً طويلاً. في هذه الورقة، هو عرض تقنية موثوقة وفعالة من حيث التكلفة لبناء ثلاثة-القطب ليثيوم أيون عمله الخلايا الكهروكيميائية الاختبارات، كما هو مبين في الشكل 1. يمكن تركيب هذه الإعداد الثلاثة-القطب باستخدام مكونات الخلية العملة الموحدة والأسلاك النحاسية والقطب المرجعية على أساس تيتانات الليثيوم (انظر الشكل 2). هذا الأسلوب لا يتطلب أي معدات متخصصة أو وضع التعديلات ويتبع الإجراءات المختبرية القياسية مقياس الكهروكيميائية والمواد من الموردين التجاريين.