Подготовка клетки тремя электродами монет и электроосаждение аналитика для литий ионных батарей

Хотя происхождение литий батареи можно проследить произвольно далеко в прошлое, крупномасштабное производство и коммерциализация многих из сегодняшних часто найдены литий ионные батареи началось в 1980-х. Многие из материалов, разработанных в эту эпоху, одним из примеров является оксид лития кобальта (LiCoO₂), до сих пор обычно встречаются в использовании сегодня¹. Многие текущие исследования были сосредоточены на пути развития других структур окиси металла, с некоторым акцентом на пути сокращения или прекращения использования кобальта вместо других более низкая стоимость и более экологически безопасные металлов, таких как ²марганца или никель. Постоянно меняющегося ландшафта материалов, используемых в литий ионные аккумуляторы требует метод эффективной и точной характеризации их производительность и безопасность. Потому что операция любого аккумулятора включает спаренных электрохимические реакции положительные и отрицательные электроды, типичный два электрода аккумуляторов соответствуют возможность характеризовать электроды самостоятельно. Бедных характеристику и последующее отсутствие понимания может привести к опасным ситуациям или бедных производительность батареи вследствие наличия деградации явлений. Предыдущие исследования были направлены на стандартизацию методов обработки для типичных клеток двух электрод³. Один из методов, который улучшает недостатки стандартной ячейки конфигурации является ячейкой тремя электродами.

3 электродный установки является одним из способов отделить ответы двух электродов и обеспечить более глубокое понимание фундаментальной физики работы батареи. В трех электрод установки электрод сравнения вводится в дополнение к катод и анод. Затем этот электрод сравнения используется для измерения потенциал анода и катода динамически во время операции. Не ток проходит через электрод сравнения и следовательно, он обеспечивает единственное и идеально стабильным, напряжение. С помощью программы установки 3 электрод, полное напряжение, потенциал катода и анода потенциал может быть собрана одновременно во время операции. Помимо возможных измерений вклад импеданс электродов можно охарактеризовать как функция состояния клеток, бесплатно⁴.

3 электрод установок являются очень полезными для изучения деградации явлений в литий ионных батарей, таких электроосаждения лития, также известный как литий покрытие. Другие группы предложили три электрод установок^{5,6,,78,9,10,11,12, 13} но они часто используют нестабильным литий-металлические как ссылка и включают в себя пользовательские, трудно собрать установок, ведущих к снижения надежности. Литий покрытия происходит когда вместо вставочный в структуру узла электрода, литий осаждается на поверхности структуры. Эти отложения часто предполагают морфологии (относительно) универсальный металлический слой (покрытие) или небольших дендритных структур. Покрытие может иметь последствия, начиная от вызывают вопросы безопасности для противодействия Велоспорт производительности. С точки зрения феноменологической литий хромирование происходит из-за неспособности лития вставлять в структуре электрода принимающей эффективно. Покрытие, как правило, происходят при низкой температуре, высокие зарядки скорость, высокий электрода состояние заряда (SOC) или сочетание этих трех факторов¹². При низкой температуре твердотельные диффузии внутри электрода уменьшается, вследствие Аррениуса температуропроводности зависимость от температуры. Более низкие результаты твердотельных диффузии в накопление лития на интерфейсе электрод электролит и последующее осаждение лития. Высокой скоростью зарядки аналогичное явление происходит. Литий пытается вставлять в структуре электрода очень быстро, но не может и таким образом является покрытием. В выше SOC составляет в среднем менее доступное пространство для лития вставлять в структуру, и таким образом она становится более благоприятным для депозита на поверхности.

Литий дендритов имеют особенно важное значение ввиду озабоченность по безопасности, которые они вызывают. Если дендритов образуют внутри клетки, есть потенциал для них, чтобы расти, проткнуть сепаратор и вызвать внутреннего короткого между анодом и катодом. Этот внутренний короткий может привести к очень высокой локализованных температур в легковоспламеняющиеся электролита, часто приводит к тепла и даже к взрыву ячейки. Другой вопрос связан с образованием дендритов является увеличение площади поверхности реактивной лития. Недавно на хранение литий будет реагировать с электролитом и вызывают увеличение твердого электролита межфазовые изолирующие (ИУЭ) образование, которое приведет к увеличению потенциала потери и производительность Велоспорт.

Один вопрос, связанный с тремя электродами системы является выбор соответствующей ссылки электрода. Логистики, касающимся расположения и размера ссылкой положительные и отрицательные электроды могут играть важную роль в получении точных результатов из системы. Одним из примеров является, что рассогласование положительных и отрицательных электродов при строительстве клеток и в результате воздействия края можно ввести ошибка в ссылке на чтение^14,15. С точки зрения выбор материала электрод сравнения должны иметь стабильные и надежные напряжения и имеют высокий не поляризуемость. Лития, который часто используется как электрод сравнения многих исследовательских групп, имеет потенциал, который зависит от пассивного поверхности пленку. Это может производить вопросы, потому что очищены и возрасте литий электроды отображать различные потенциалы¹⁶. Это становится проблемой, когда изучаются долгосрочные эффекты старения. Исследования Solchenbach et al. была предпринята попытка устранить некоторые из этих вопросов нестабильности, сплава золота с литий и использовать его как их ссылки¹¹. Другие исследования посмотрел на различные материалы, включая титаната лития, который экспериментально изучено и показывает большой электрохимический потенциал плато диапазон вокруг 1.5-1.6 V¹⁷ (~ 50% SOC). Это плато помогает поддерживать стабильный потенциал, особенно в случае случайного возмущений электрода состояние заряда. Потенциальные стабильность LTO, включая проводящих добавки на основе углерода, поддерживается даже на различных C-тарифы и температуры. ¹⁸ важно подчеркнуть, что выбор электрод сравнения представляет собой важный шаг в дизайн 3 электрод клеток.

Многие исследовательские группы предложили экспериментальной тремя электродами клетки установки. Долле et al. используются тонкие пластиковые клетки с электродом ссылка медной проволоки титаната лития для изучения изменений в сопротивление из-за Велоспорт и хранения при высокой температуре¹⁹. McTurk et al. работает техника, whereby литий покрытием медной проволоки был вставлен в ячейку коммерческих мешочек с главной целью продемонстрировать важность методов неинвазивной вставки⁹. Solchenbach и др. для модифицированных Swagelok тип Т-клеток и золото микро ведения электрода (упоминалось ранее) импеданс и возможных измерений. ¹¹ Waldmann et al. собирают электродов от коммерческих клеток и реконструирован собственных клеток тремя электродами мешочек для использования в изучении литий осаждения¹². Costard et al. разработали жилищного строительства собственных экспериментальных тремя электродами ячейки для проверки эффективности различных справочных электродных материалов и конфигураций¹³.

Большинство из этих исследовательских групп использовать чистый лития как ссылку, которая может иметь проблемы со стабильностью и SEI роста, особенно при длительном применении. Другие вопросы связаны с сложным и трудоемким модификации существующих или коммерческих установок. В настоящем документе представлена надежной и экономически эффективной техники для строительства 3 электрод Li-ion монета клетки для электрохимических тестов, как показано на рисунке 1. Это три электрод установки могут быть построены с использованием стандартных монета клеточных компонентов, медная проволока и электрод сравнения, на основе титаната лития (см. Рисунок 2). Этот метод не требует какого-либо специализированного оборудования или сложные модификации и следует стандартных лабораторных масштабах электрохимических процедур и материалов от коммерческих поставщиков.