Drei-Elektroden-Münze Zelle Vorbereitung und Galvanisierung Analytics für Lithium-Ionen-Batterien

Obwohl der Ursprung von Lithium-Batterien beliebig weit in die Vergangenheit, die groß angelegte Produktion und Vermarktung von vielen der heutigen häufig zurückführen lassen begann gefundenen Lithium-Ionen-Batterien in den 1980er Jahren. Viele Materialien entwickelt während dieser Ära, zum Beispiel Lithium-Cobalt-oxid (LiCoO₂), sind noch im Einsatz heute¹verbreitet. Viele aktuelle Studien konzentrierten sich auf die Entwicklung der verschiedenen anderen Metall-Oxid-Strukturen, mit einigem Nachdruck gelegt zu reduzieren oder zu eliminieren die Verwendung von Kobalt anstelle von anderen kostengünstiger und umweltfreundlicher gutartige Metalle, wie z. B. Mangan oder Nickel². Die ständig wechselnde Landschaft von Materialien in Lithium-Ionen-Batterien erfordert eine effektive und genaue Methode der Charakterisierung ihrer Leistung und Sicherheit. Da der Betrieb der Akku die gekoppelte elektrochemische Reaktion der positiven und negativen Elektroden verbunden ist, zurückbleiben typisch zwei Elektroden Batterien in der Lage, selbständig die Elektroden zu charakterisieren. Schlechte Charakterisierung und das anschließende Unverständnis führen dann zu gefährlichen Situationen oder schlechte Gesamtleistung Batterie wegen des Vorhandenseins des Abbaus Phänomene. Die bisherige Forschung hat abzielen, Standardisierung der Verarbeitungstechniken für typische zwei-Elektroden-Zellen³. Eine Methode, die auf die Mängel der Standardzelle Konfigurationen verbessert ist die drei-Elektroden-Zelle.

Eine drei-Elektroden-Setup ist eine Methode, um die beiden Elektroden Antworten zu entkoppeln und bieten einen besseren Einblick in die grundlegende Physik der Akku-Betrieb. In einem drei-Elektroden-Setup ist eine Referenzelektrode neben der Kathode und Anode eingeführt. Diese Referenzelektrode wird dann verwendet, um das Potenzial der Anode und Kathode dynamisch während des Betriebs zu messen. Kein Strom wird durch die Bezugselektrode geleitet und bietet daher eine singular und im Idealfall stabile Spannung. Mithilfe von einem drei-Elektroden-Setup können die volle Zellspannung, das Potential der Kathode und Anode Potenzial gleichzeitig während des Betriebs erhoben. Neben den möglichen Messungen können die Impedanz-Beiträge der Elektroden in Abhängigkeit von den Zellstatus kostenlos⁴charakterisiert werden.

Drei-Elektroden-Setups sind sehr nützlich für das Studium Abbau Phänomene in Lithium-Ionen-Batterien, wie die Galvanisierung von lithiummetall, auch bekannt als Lithium-Beschichtung. Andere Gruppen haben vorgeschlagen, drei-Elektroden-Setups^{5,6,7,8,9,10,11,12, 13} aber sie oft inhärent instabil lithiummetall als Referenz verwenden und Benutzerdefiniert, schwer zu Setups führt zu verringerte Zuverlässigkeit zu montieren. Lithium-Beschichtung erfolgt bei statt in der Host-Elektrodenstruktur verschuppen, Lithium lagert sich auf der Oberfläche der Struktur. Diese Einlagen übernehmen häufig die Morphologie der entweder eine (relativ) einheitliche metallische Schicht (Beschichtung) oder kleine dendritischen Strukturen. Beschichtung kann Auswirkungen von Sicherheitsfragen zu behindern, Radfahren Leistung verursacht haben. Aus Sicht der phänomenologischen tritt Lithium Beschichtung aufgrund einer Unfähigkeit von Lithium, effektiv in der Host-Elektrodenstruktur einzulagern. Überzug neigt dazu, bei niedrigen Temperaturen, hohe Aufladung Rate, hohe Elektrode Zustand der Aufladung (SOC) oder eine Kombination dieser drei Faktoren¹²auftreten. Bei niedrigen Temperaturen ist die Solid-State-Diffusion im Inneren der Elektrode durch die Arrhenius diffusivität Abhängigkeit von Temperatur reduziert. Die unteren Solid-State-Diffusion führt zu einer Ansammlung von Lithium an der Elektrode-Elektrolyt-Schnittstelle und eine anschließende Ablagerung von Lithium. Bei einem hohen Ladestrom tritt ein ähnliches Phänomen. Das Lithium versucht, sehr schnell in der Elektrodenstruktur einzulagern aber nicht und so ist vernickelt. Bei einer höheren SOC gibt es im Durchschnitt weniger Speicherplatz für das Lithium in die Struktur einzulagern, und somit günstiger, auf der Oberfläche ablagern.

Lithium Dendriten sind von besonderer Bedeutung aufgrund von Sicherheitsbedenken, die sie verursachen. Dendriten in einer Zelle zu bilden, gibt es ein Potential für sie zu wachsen, den Separator durchbohren und verursachen einen internen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode. Dieser interne Kurzfilm kann zu sehr hohen lokalisiert Temperaturen in den brennbaren Elektrolyten, was häufig in thermischen Instabilität und sogar in einer Explosion der Zelle führen. Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit Dendrit Bildung ist die vergrößerte Oberfläche der reaktiven Lithium. Neu hinterlegte Lithium reagiert mit dem Elektrolyten und verursachen erhöhte festen Elektrolyt Interphase (SEI) Bildung, was zu erhöhten Kapazitätsverlust und Radsport Leistungseinbußen führt.

Ein Problem mit dem Design eines drei-Elektroden-Systems ist die Auswahl der geeigneten Bezugselektrode. Logistik in Bezug auf die Position und Größe des Verweises, können positive und negative Elektroden spielen eine wichtige Rolle beim Erwerb von genaue Ergebnisse aus dem System. Ein Beispiel dafür ist, dass die Fehlausrichtung der positiven und negativen Elektroden während der Zelle-Bau und die daraus resultierende Randeffekte Fehler in der Referenz lesen^14,15einführen kann. In Bezug auf die Materialauswahl sollte die Bezugselektrode haben eine stabile und zuverlässige Spannung und eine hohe nicht-Polarisierbarkeit. Lithiummetall, das oft als Referenzelektrode durch viele Forschungsgruppen verwendet wird, hat ein Potenzial, das hängt von der passiven oberflächenfilm. Dies kann Fragen zu produzieren, weil gereinigt und im Alter von Lithium Elektroden zeigen unterschiedliche Potenziale¹⁶. Dies wird zum Problem, wenn langfristige Alterungseffekte studiert werden. Forschung durch Solchenbach Et Al. hat versucht, einige dieser Instabilität Probleme durch Legierungsmetall Gold mit Lithium und benutze es als ihre Referenz¹¹zu beseitigen. Andere Forschung hat schaute auf verschiedenen Materialien einschließlich Lithium-Titanat, das wurde experimentell untersucht und zeigt eine große elektrochemische Plateau Potentialbereich rund um 1,5-1,6 V¹⁷ (~ 50 % SOC). Dieses Plateau hilft, um eine stabile Potenzial, vor allem im Falle einer zufälligen Störung an der Elektrode Staat unentgeltlich zu halten. Die mögliche Stabilität des LTO, einschließlich Kohlenstoff basierenden leitfähige Additive, bleibt auch bei verschiedenen C-Preise und Temperaturen. ¹⁸ ist es wichtig zu betonen, die die Auswahl der Bezugselektrode ein wichtiger Schritt in der drei-Elektrode Zellendesign ist.

Viele Forschungsgruppen haben experimentelle drei-Elektroden-Zelle Setup vorgeschlagen. Dolle Et Al. verwendet dünne Kunststoff Zellen mit einer Lithium-Titanat Kupferdraht Referenzelektrode, um Veränderungen der Impedanz durch Radfahren und Lagerung bei hohen Temperaturen¹⁹zu studieren. McTurk Et Al. verwendet eine Technik, wobei ein Lithium vergoldet Kupferdraht in einer kommerziellen Beutel-Zelle mit dem wichtigsten Ziel, zu zeigen, wie wichtig es ist, nicht-invasive Einfügung Techniken⁹eingefügt wurde. Solchenbach Et al. verwendet eine modifizierte Swagelok-Typ T-Zelle und gold Mikro-Referenzelektrode (erwähnt) für Impedanz und möglichen Messungen. ¹¹ Waldmann Et Al. Elektroden aus kommerziellen Zellen geerntet und ihre eigenen drei-Elektroden-Pouch-Zellen für den Einsatz im Studium Lithium Ablagerung¹²rekonstruiert. Costard Et Al. entwickelt eine eigene experimentelle drei-Elektroden-Zelle Gehäuse um die Wirksamkeit der verschiedenen Referenz-Elektrode Materialien und Konfigurationen¹³zu testen.

Die meisten dieser Forschungsgruppen verwenden reines lithiummetall als Referenz, die Bedenken mit Stabilitäts- und SEI haben kann, besonders bei Langzeitanwendung. Andere Themen beinhalten komplizierte und zeitraubende Änderungen an bestehenden oder kommerziellen Installationen. In diesem Papier wird eine zuverlässige und kostengünstige Technik für den Bau von drei-Elektrode Lithium-Ionen-Knopfzellen für elektrochemische Tests vorgestellt, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieses drei-Elektroden-Setup kann mit standard-Münze Zellbestandteile, Kupferdraht und Lithium-Titanat-basierte Referenzelektrode (siehe Abbildung 2) konstruiert werden. Diese Methode erfordert spezielle Ausrüstung oder aufwendigen Modifikationen und folgt standardlabor Skala elektrochemische Verfahren und Materialien von kommerziellen Anbietern.