Die Autoren erkennen finanziellen Unterstützung durch das US Department of Energy, Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien.

(1) Abisolieren von Kabeln Kupfer/Zinn
<ol><li>Wärme gewonnen kommerziell abstreifenden Lösung.<ol>
<li>Gießen Sie kommerzielle Industriequalität Abisolieren Lösung in einen Edelstahl-Becher (7,6 cm im Durchmesser und 8,5 cm Höhe) bis zu einer Tiefe von ca. 5 mm von unten. Stellen Sie den Becher auf einer heißen Platte. Beginnen Sie Heizung einer langsamen Rate von ca. 5 ° C/min.</li>
		<li>Tauchen Sie ein tragbares Thermoelement in die Lösung genau zu überwachen die temperaturrampe der Lösung und stellen die Heizrate von der heißen Platte auf die gewünschte Aufheizgeschwindigkeit zu halten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Einrichten des Cu/Sn Drahtes auf der Vorrichtung für die Zubereitung von Referenz Drähten.<ol>
<li>Wickeln Sie einen dicken Kupferdraht in Form von einer Spannvorrichtung (4 cm breit und 7 cm lang). Berg der kommerziellen Cu/Sn (oder reine Cu) Draht (25,4 µm im Durchmesser), überzogen mit einer dünnen Schicht von Sn und elektronisch isoliert mit einer Polyurethan-Beschichtung) auf der Vorrichtung, wie in Figur 1adargestellt. Hinweis: Diese Drähte sind extrem empfindlich und können brechen, wenn grob behandelt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Abstreifen des Polymers<ol>
<li>Sobald die Temperatur der stripping-Lösung etwa 85 ° C auf das Thermoelement liest, die Heizlösung zu stoppen und die Draht montiert-Vorrichtung in die Lösung eintauchen.</li>
		<li>Verlassen die Vorrichtung im Inneren die Lösung für 15 s und abspülen der Spannvorrichtung in DI für weitere 15 Wasser s, überschüssige abstreifenden Lösung adsorbiert auf den Draht zu waschen.</li>
		<li>Überprüfen Sie den Draht für exponierte Sn (erscheint als silbrig weiße Farbe) und wiederholen Sie Schritt 1.3.2 bis das Polymer vollständig ausgezogen ist. Vorsicht: Langfristige Exposition des Drahtes zu entkleiden Lösung kann Ätzen entfernt Sn-Beschichtung und setzen einen rötlich-braune-Cu-Draht unter. Wenn die Drähte für die Impedanz Spektroskopie Analyse vorbereitet werden, ist das Vorhandensein von Sn-Beschichtung notwendig.</li>
		<li>Die Jig in VE-Wasser spülen und Trocknen an der Luft bei Raumtemperatur (25 ° C).</li>
		<li>Schneiden Sie die Drähte in der Mitte die abisolierten Regionen Drähte mit den beiden Enden mit exponierten Sn (oder Cu über überschüssige abisolierte Drähte) zu erhalten. Die Größe jedes Drahtes ist ca. 10 cm.</li>
	</ol>
</li>
</ol>(2) Referenz Draht Vorbereitung
<ol><li>Um die Referenz Draht Kontakte knüpfen, verbinden Sie die Drähte mit einem elektrischen Draht und Löten Sie die Kreuzung.<ol>
<li>Von einer Rolle des elektrischen Stromkreises Drähte Zuschnitte von 10 cm und Streifen die Isolierung Abdeckung von beiden Enden um ca. 2 cm aus Metall verfügbar zu machen.</li>
		<li>Montieren Sie ein Ende des Drahtes auf das Ende des freiliegenden elektrischen Drahtes Polymer abgestreift und Verlöten der Kreuzung um einen elektrischen Kontakt zwischen den Drähten zu bilden.</li>
		<li>Messen Sie den Widerstand zwischen dem exponierten Sn (oder Cu) Draht und der freiliegende elektrische Draht. Hinweis: Die typische Widerstandswerte sind zwischen 6 bis 8 Ω.</li>
		<li>Ein Draht mit Sn ausgesetzt und mit Cu ausgesetzt in einem Argon gefüllt Glovebox für die Montage in eine Zelle zu übertragen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montieren Sie eine gedrückte und abgeflachte Li Metallfolie, die Cu ausgesetzt Draht zu verweisen<ol>
<li>Schneiden Sie ein kleines Stück Li Metall (nicht mehr als 5 x 5 mm) aus einer großen Li-Folie in das Handschuhfach. Hinweis: Verwenden Sie spezielle Ausrüstung für den Kontakt mit Li Metall und Store innerhalb der Glovebox Kreuzkontamination und anschließende Mikro-Kurzschluss zu verhindern.</li>
		<li>Ein Roller mit einem Polymer-Band (um zu vermeiden, Kleben des Metalls auf den metallischen Walzenoberfläche Li), bedeckt mit Rollen das Metallstück Li auf einer Teflon-Plattform unter AR.</li>
		<li>Weiter Rollen um eine Folie Dicke von etwa 25 µm. Check die Dicke mit einer Schraube Lehre zu erreichen.</li>
		<li>Nach Erhalt der gewünschten Dicke der Li Metall-Folie, biegen Sie die Folie in der Mitte, eine U-Form bilden. Ort der Cu ausgesetzt Draht zwischen der Kurve so dass Cu steht in Kontakt mit dem Li-Metall und drücken Sie die Klappe Cu Kapseln zwischen den beiden Schichten der Li Draht. Hinweis: Behalten Sie extreme Vorsicht während Verkapselung Cu Draht um alle exponierten Tipp zu gewährleisten. Cu ist für elektronische Leitfähigkeit nur und Kontakt Cu zu den Elektrolyten führt ein gemischtes Oberfläche Potential generieren falsche Spannungswerte in den Daten zu lesen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Handy-Montage und Datenerfassung
<ol><li>Legen Sie die Li-Metall-Referenz und Sn Referenz Drähten zwischen den Lithium-Ionen-Zelle Montage.<ol>
<li>Legen Sie die negative Elektrode in der Halterung so, dass das Zentrum der Elektrode von der Mitte der Halterung leicht verschoben wird. Fügen Sie 400 µL des Elektrolyten (1.2M LiPF6 in Fluoroethylene Carbonat (FEC): Ethyl Methyl-Karbonat EMC (5:95 w/w)), die gesamte Elektrode nass.</li>
		<li>Legen Sie ein Trennzeichen am Anfang der Elektrode und mit einem Organophobic Sweep, eingeschlossene Luftblasen zwischen den Separator und Elektrode sanft beseitigen. Passen Sie die Platzierung des Separators, Rundlauf mit der Vorrichtung völlig isolieren die Basis der Halterung von der positiven Elektrode und vermeiden elektrische kurze innerhalb der Zelle zu gewährleisten. Hinweis: Große Elektroden tendenziell Lufteinschlüsse zwischen den Separator und den Elektroden zu fangen, wie sie bei Zugabe von Elektrolyten krümmen. Diese Lufteinschlüsse müssen entfernt werden, um einen richtigen Kontakt des Separators mit den Elektroden sicherzustellen. Die Luftblasen die Impedanz der Zelle zu erhöhen und Ionen-Transfer zu hemmen.</li>
		<li>Fügen Sie zwei Tropfen (ca. 10 µL) Elektrolyt, jeweils 2 mm entfernt von der Zelle-Sandwich und ein weiteres in der Mitte der Elektrode. Positionieren Sie die Sn ausgesetzt-Spitze von den Referenz-Draht in der Mitte der Elektrode und der Li Metallfolie (gekapselt auf Cu-Draht) auf das Drop-Weg von der Elektrode. Die Oberflächenspannung zwischen den Metallen und den Elektrolyt-Tropfen die Drähte in Position halten.</li>
		<li>Fügen Sie einen weiteren Tropfen (ca. 10 µL) des Elektrolyten auf die Li-Metall nach Platzierung des Drahts in Position.</li>
		<li>Entfernen Sie zusätzliche Luftblasen zwischen den Li-Folie und das Trennzeichen mit Teflon-Sweep. Fügen Sie eine weitere 400 µL des Elektrolyten.</li>
		<li>Legen Sie einen zweite Separator an das erste Trennzeichen ausgerichtet, so dass beide die Referenz Drähten zwischen den zwei Separatoren eingeklemmt sind. Jede zusätzliche Luftblasen zu entfernen. Vorsicht: Während des Einsetzens des zweite Separators, kann übermäßige Spannung brechen die Referenz-Kabel. Lassen Sie extra Draht im Inneren der Zelle, Spannung in der Leitung zu reduzieren.</li>
		<li>Befeuchten Sie die positive Elektrode mit 400 µL des Elektrolyten. Ort der Elektrode mit der negativen Elektrode auf die zweite Separator ausgerichtet.</li>
		<li>Legen Sie die Edelstahl-Abstandhalter auf die positive Elektrode sorgfältig durch, um die Ausrichtung der Zellen-Stack nicht stören. Hinweis: Falsch ausgerichtete Elektroden inhomogene Stromverteilungen und reduzierten Zelle Kapazität aufgrund eingeschränkter Zugang der aktiven Zelle Bereich führen.</li>
		<li>Platz zwei Edelstahl Welle Federn auf den Puck für Zelle Volumenänderungen unterzubringen und Druck aufbauen die richtigen elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden und die Halterung Klemmen zu gewährleisten. Schließen Sie das Gerät. Da das Setup nicht hermetisch abgeriegelt ist, sind die Tests in der Glove-Box in inerter Atmosphäre durchgeführt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Notieren Sie die Daten aus dem Li-Metall Referenz-Draht für einzelne Elektrode Spannung profile<ol>
<li>Schließen Sie zusätzliche Referenz-Terminal von der Cycler an Li Metall, während die positiven und negativen Elektrode-Terminals von der Cycler mit den entsprechenden Elektroden verbunden sind. Hinweis: Während des Fahrens der Zelle liest der Cycler die Potentialdifferenz zwischen den Pluspol und die RE Aux1 Ausgabe und die negative Elektrode sowie der Verweis als Aux2. Während der Li Metalldraht verbunden ist, sind Aux1 und Aux2 die Potenziale der einzelnen Elektroden in Bezug auf Li-Metall.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Lithiate die Sn Draht in Situ Rekord elektrochemische Impedanz-Spektroskopie (EIS).<ol>
<li>Einem konstanten Strom von 5 µA für 6 h zwischen der positiven Elektrode und der Sn-Draht mit einer oberen Spannung Cutoff von 4 V auf elektrochemisch lithiate Sn anwenden. Das Potenzial der so gebildeten Li/Sn-Legierung liegt in der Nähe von Li-Metall. Trennen Sie die Klemmen und lassen Sie den Draht in 2 h equilibrate. Hinweis: Stellen Sie sicher extrem niedrigen Strom (in der Nähe von 0 A) im Stromkreis, komplette Lithiation von der Sn-Draht zu bestätigen.</li>
		<li>Cycler Verbindungen zu Li Metall zum auxiliary Terminal von der Cycler und Sn-Kabel an den Minuspol der Cycler verändern und sorgen für die Lektüre der Aux2 nahe 0 V. Eine lithiated Phase von Sn ergibt, als LiXSn bezeichnet.</li>
		<li>Verbinden Sie die positiven und negativen Terminals der Cycler an den jeweiligen Elektroden der Zelle und dem auxiliary Terminal, LiXSn Draht.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Rekord EIS für (i) Kathode undAnode, Kathode (Ii) vs. lithiated Sn Draht und (Iii) Anode vs. lithiated Sn. Die Impedanz des (i) ist die Summe der Impedanzen erwarb (Ii) und (Iii). Die potentiostaten besteht aus zwei Terminals, die Spannungen aufzunehmen und zwei für Stromausgänge für jede Elektrode.<ol>
<li>Um die vollständige Zelle Spektren zu erhalten, schließen Sie Spannung und Stromklemmen an die entsprechenden positiven und negativen Elektroden der Zelle.</li>
		<li>Für die positive Elektrode Impedanz zu verbinden, die Spannung und die aktuellen positiven Terminals (auch bekannt als Arbeitselektrode, WE), die positive Elektrode und die negativen Klemmen (auch bekannt als Gegenelektrode, CE), LiXSn Referenzelektrode.</li>
		<li>Für die negative Elektrode Impedanz die WE-Klemmen an der negativen Elektrode und verbinden Sie den CE-Terminals mit LiXSn Bezugselektrode.</li>
		<li>Um das EIS zu erfassen, liefern Wechselströme oder unterschiedliche Frequenzen, um den elektrochemischen Paar zwischen einem kleinen Spannungsamplitude Zyklus (5 mV) und zeichnen die Impedanz-Antwort als imaginäre Komponente vs. die realen Bauteil.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Abbildung 2a ist der Spannungsverlauf der vollständige Zelle während Abbildung 2 b und 2 c zeigen Spannung Profile, die Positive und die negative Elektrode Vs Li/Li+ paar entspricht, während die vollständige Zelle 3 bis 4,4 V Gefahren ist. Es ist ersichtlich, dass da die vollständige Zelle 3 bis 4,4 V scannt, die positive Elektrode Spannungen zwischen 3,65 V und 4,45 V und die negative Elektrode zwischen 0,65 V und 0,05 V Vs<...

Die Nachfrage nach hohen Energiedichten von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) treibt die Forschung zum Verständnis der grundlegenden Faktoren, die Li-Ionen-Zelle Leistung1zu begrenzen. Hochspannungsbetrieb der Zellen, die eine neue Generation von geschichteten Übergang Metall-Oxid-Kathoden, Graphit Anoden und organische Carbonate Elektrolyte enthalten ist mehrere parasitäre Reaktionen2,3zugeordnet. Einige dieser Reaktionen verbrauchen Li - Ionen-Inventar und oft führen zu erheblichen Impedanz Aufstieg der Zelle4,5,6,7. Verlust von Li-Ionen führt auch in einer net Schicht der Oberfläche Potenziale der Elektroden. Überwachung von Spannungsänderungen auf einer einzelnen Elektrode in eine vollständige Zelle gegen eine Referenzelektrode kann (RE) in kommerziellen 3-Elektroden-Zelle Designs8,9,10,11 durchgeführt werden , 12 , 13 , 14. Informationen über Spannung Profile und die Impedanz-Änderungen an den einzelnen Elektroden fördert ein tieferes Verständnis für die grundlegenden Abbau-Mechanismen der eine LIB. Konventionelle 3-Elektroden-Zellen enthalten Li Metall als Referenzelektrode, die unterschiedliche Verständnis der elektrochemischen Prozesse an jede Elektrode erleichtert. Li-Metall in Kontakt mit den organischen Elektrolyten erfährt spontane Oberflächenmodifizierung und der Beitrag der diese Oberflächenschicht auf Li nicht quantifizierte15. Mehrere 3-Elektroden-Konfigurationen wie (a) T-Modell, (b) eine Mikro-RE Koaxial zu den Arbeits- und Gegenelektrode positioniert, (c) eine Knopfzelle mit einem RE auf der Rückseite der Gegenelektrode usw. vorgeschlagen wurden früher. Die meisten dieser Zelle Konfigurationen haben die RE Weg von der Zelle Sandwich positioniert generieren erhebliche Drift in der Impedanz-Daten durch geringe Leitfähigkeit des Elektrolyten. Es ist erwiesen, dass eine erneute mit einem stabilen Potential während der Messung in der Mitte des Sandwich zu gewährleisten zuverlässige Impedanz stationiert werden muss.
Um diese Unterschiede zu begegnen, haben wir eine Zelle-Setup mit einer vierten RE16entworfen. Ein Ultra-dünne Sn vernickelt Cu Draht ist eingeklemmt zwischen den Elektroden einer Batterie, die elektrochemisch lithiated vor Ort sein können, um eine Li-X-Sn-Legierung zu bilden. Wie Sn Lithiation unterzogen wird, sinkt die Spannung des Drahtes Referenz und ein völlig lithiated Draht hat ein Potential in der Nähe von 0 V Vs. +Li Li17. Die lithiated Zusammensetzung hat ein Potenzial vergleichbar mit Li Metall und die metastabilen Legierungen erleichtern eine stabile potenzielle während des Zeitraums der Messung. Eine Li-Metall ausgesetzt, der Elektrolyt ist anfällig für Elektrolyt Zersetzungsprodukte bilden Oberflächenschichten. Eine EIS-Messung, die Impedanz der einzelnen Elektroden Sonde durch das Sammeln von Spektren zwischen eine der Elektroden und der Li-Metall-Referenz, wie gekoppelt wurden nicht zuverlässig durch den Beitrag dieser Schichten auf die Impedanz. Obwohl Elektrolyt Reduktion auch auf der Li-Sn-Oberfläche unvermeidlich ist, ein in Situ lithiated Referenz Draht hat folgende Vorteile: (a) keine Konstante Elektrolyt Zersetzungsprodukte wie die Spannung ist immer über das Potenzial der Zersetzung des der Elektrolyt, es sei denn lithiated, was bedeutet keinen Verlust von Li Inventar im System an Grenzflächen Schichten; (b) Schichten gebildet während Lithiation von der Sn-Draht sind über einen sehr kleinen Bereich, Bereitstellung von unbedeutenden Beitrag zu den EIS-Daten; und (c) gebildeten Produkte beeinträchtigen, wie die Sn-Draht Li und das Potenzial der Draht erhöht, was zu Lithiation von frischen Sn Draht während jedes Lithiation und somit die Bildung von sehr dünnen Schichten Grenzflächen jedes Mal anstatt erhöhte Dicke dieser verliert Schichten. Spektren aufgezeichnet mit dieser Legierungen als Referenz liefern genaue und zuverlässige Daten der Elektrode Impedanz. Wir haben Tests durchgeführt mit standard 2032-Art Münze Zellen und 4-Elektrode RE Zellen um unser Design zu überprüfen. Ergebnisse aus diesen Tests und unsere Interpretation der Daten werden als ein repräsentatives Ergebnis verwendet werden, um die Wirksamkeit unserer Protokoll zu erklären. Die 3-4,4 V Radfahren folgte ein Standardprotokoll, inklusive Bildung Zyklen, Alterung Zyklen und periodische AC Impedanz Messungen während dem Radfahren. Die Münze Zelle Messungen liefern wertvolle Informationen über die Parameter wie Kapazität Aufbewahrung, AC Impedanz Änderungen, Lebensdauer, etc. RE Zellen ermöglichen Überwachung Spannungsänderungen und Impedanz steigen auf einzelnen Elektroden. Unser mechanistische Verständnis in das Kapazität werden verblassen und Impedanz kann Leitlinien für die Entwicklung von Elektrolytsystemen und Beiträge für Kapazitätsverlust von jeder Elektrode während des Betriebs der Hochvolt-Zelle verstehen.
Unsere Zellen enthalten Li1.03 (Ni0,5Co0,2Mn0,3)0,97O2 (bezeichnet hier als NMC532)-basierte positiven Elektroden, Graphit-basierte negative Elektroden (bezeichnet hier als Gr) und eine 1,2 M Lösung des LiPF6 in Fluoroethylene Carbonat (FEC): Ethyl Methyl-Karbonat (EMV) (5:95 w/w) als Elektrolyt. In dieser Studie verwendeten Elektroden sind Standardelektroden fabriziert in der Zelle Analyse, Modellierung und Prototyping (CAMP) Anlage am Argonne National Laboratory. Die positive Elektrode besteht aus NMC532, Additiv leitfähigen Kohlenstoff (c-45) und Polyvinylidene Fluorid (PVdF) Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von 90:5:5 auf einem 20 µm Dicke Al Stromabnehmer. Die negative Elektrode besteht aus Graphit, gemischt mit c-45 und PVdF-Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von 92:2:6 auf einem 10 µm dicken Cu Stromabnehmer. Kreisscheiben von 5,08 cm Durchmesser wurden aus der Elektrode Laminate gestanzt und die Separatoren wurden mit einem 7,62 cm Würfel für den Einsatz in Leuchten mit 7,62 cm Innendurchmesser gestanzt. Diese Elektroden wurden bei 120 ° C und die Trennzeichen bei 75 ° C in einem Vakuumofen für mindestens 12 h vor der Zelle Montage getrocknet. Eine schematische Darstellung der Armatur Design wird in Abbildung 1dargestellt. Große Geräte und Elektroden sorgen für minimale Inhomogenitäten in aktuellen Distributionen pro Flächeneinheit, so bietet die geringsten Verzerrungen in der Impedanz-Spektren. Die 3-4,4 V Radfahren folgte ein Standardprotokoll, inklusive zwei Bildung Zyklen mit einer C/20 Rate 100 Zyklen mit einer c/3-Rate und zwei diagnostische Zyklen bei C/20 Altern. Alle Batterietests wurden bei 30 ° c durchgeführt. Elektrochemische Radsport Daten wurde mit einem Batterie-Cycler gemessen und die elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS) erfolgt mit einem potentiostaten System.

<table><tbody><tr><td>Insulstrip 220</td><td>Ambion Corporation</td><td>081607-1</td><td></td></tr><tr><td>Sodium Hydroxide (23 wt%)</td><td>Ambion Corporation</td><td>1310-73-2</td><td>Contents of Insulstrip 220</td></tr><tr><td>Furfuryl Alcohol (10 wt%)</td><td>Ambion Corporation</td><td>98-00-0</td><td>Contents of Insulstrip 220</td></tr><tr><td>NCM523</td><td>TODA America</td><td>NM4100</td><td></td></tr><tr><td>C-45&amp;nbsp;</td><td>Timcal Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>polyvinylidene fluoride (PVdF)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>427152</td><td></td></tr><tr><td>Sn over Cu wire</td><td>Kanthal</td><td>MELT # 24633</td><td>Custom ordered</td></tr><tr><td>Battery cycler</td><td>Maccor USA</td><td>Series 2300&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat</td><td>Solartron Analytical</td><td>1470 E</td><td></td></tr></tbody></table>

in situ lithiated reference electrode: four electrode design for in-operando impedance spectroscopy

Betriebsspannung von Lithium-Ionen-Batterien führt zu höheren Energieertrag Erweitern von diesen Geräten. Hohe Spannungen können auslösen oder mehrere Prozesse verantwortlich für langfristige Leistung Zerfall zu beschleunigen. Angesichts der Komplexität der physikalischen Vorgänge in der Zelle, ist es oft schwierig, um ein umfassendes Verständnis der grundlegenden Ursachen für dieses Leistungsabfall zu erreichen. Diese Schwierigkeit ergibt sich teilweise aus der Tatsache, dass eine elektrochemische Messung einer Batterie der gemeinsame Beitrag aller Komponenten in der Zelle zurück. Einbeziehung der Referenzelektrode kann Teil des Problems, lösen, da die elektrochemischen Reaktionen der Kathode und Anode, einzeln untersucht werden können. Eine Variation im Spannungsbereich von der Kathode erlebt kann z. B. Änderungen im Pool des Fahrradweges Lithium-Ionen in der voll-Zelle angeben. Die strukturelle Entwicklung der vielen Grenzschichten, die bestehende in der Batterie kann auch überwacht werden, durch die Beiträge jeder Elektrode auf die gesamte Zelle Impedanz messen. Solche Fülle von Informationen verstärkt die diagnostische Analyse in Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen und bietet wertvolle Anregungen zur Optimierung der einzelnen Zellbestandteile. In dieser Arbeit stellen wir das Design einer Test-Zelle in der Lage, mehrere Referenzelektroden unterzubringen und vorliegenden Referenzelektroden, die geeignet sind für jede spezifische Art von Messung, Detaillierung der Versammlung verarbeiten, um die Genauigkeit zu maximieren die experimentellen Ergebnisse.

Abbildung 2 zeigt eine repräsentative Profil der Spannungen der einzelnen Elektroden mit 1,2 M LiPF6 in (FEC): EMC (5:95 w/w) als Elektrolyt während der ersten und zweiten Zyklen von Bildung. Abbildung 3 zeigt die EIS-Spektren der Zelle nach drei Zyklen der Bildung und am Ende des Zyklus Leben Altern Protokolls. Die Möglichkeit, Re-lithiate Änderungen in einzelnen Elektrode RE EIS Daten Aids in präzise Verfolgung ...

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In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Die Einbeziehung von Referenzelektroden in einem Lithium-Ionen-Akku liefert wertvolle Informationen um Abbau-Mechanismen bei hohen Spannungen zu erhellen. In diesem Artikel präsentieren wir ein Zelldesign, die beherbergt mehrere Referenzelektroden, zusammen mit der Montageschritte für maximale Genauigkeit der elektrochemischen Messungen gewonnenen Daten zu gewährleisten.

In Situ Lithiated Referenzelektrode: Vier Elektrodenkonstruktion bei Operando Impedanz Spektroskopie

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate ...

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JoVE Journal

Chemistry

8.7K Aufrufe.  Argonne National Laboratory. Die Einbeziehung von Referenzelektroden in einem Lithium-Ionen-Akku liefert wertvolle Informationen um Abbau-Mechanismen bei hohen Spannungen zu erhellen. In diesem Artikel präsentieren wir ein Zelldesign, die beherbergt mehrere Referenzelektroden, zusammen mit der Montageschritte für maximale Genauigkeit der elektrochemischen Messungen gewonnenen Daten zu gewährleisten.

Serie: In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Forschung

Ingenieurwesen

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric vehicles.1,2 However, many challenges, such as energy density and battery lifetimes, need to be overcome before this particular battery technology can be widely implemented in such applications.3 This research is challenging, and we outline a method to address these challenges using in situ NPD to probe the crystal structure of electrodes undergoing electrochemical cycling (charge/discharge) in a battery. NPD data help determine the underlying structural mechanism responsible for a range of electrode properties, and this information can direct the development of better electrodes and batteries.
We briefly review six types of battery designs custom-made for NPD experiments and detail the method to construct the &#8216;roll-over&#8217; cell that we have successfully used on the high-intensity NPD instrument, WOMBAT, at the Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). The design considerations and materials used for cell construction are discussed in conjunction with aspects of the actual in situ NPD experiment and initial directions are presented on how to analyze such complex in situ data.

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

We describe the design and construction of an electrochemical cell for the examination of electrode materials using in situ neutron powder diffraction (NPD). We briefly comment on alternate in situ NPD cell designs and discuss methods for the analysis of the corresponding in situ NPD data produced using this cell.

In Situ Neutronenpulver Mit Maßgeschneiderte Lithium-Ionen-Batterien

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis

Boron doped diamond (BDD) electrodes have shown considerable promise as an electrode material where many of their reported properties such as extended solvent window, low background currents, corrosion resistance, etc., arise from the catalytically inert nature of the surface. However, if during the growth process, non-diamond-carbon (NDC) becomes incorporated into the electrode matrix, the electrochemical properties will change as the surface becomes more catalytically active. As such it is important that the electrochemist is aware of the quality and resulting key electrochemical properties of the BDD electrode prior to use. This paper describes a series of characterization steps, including Raman microscopy, capacitance, solvent window and redox electrochemistry, to ascertain whether the BDD electrode contains negligible NDC i.e. negligible sp2 carbon. One application is highlighted which takes advantage of the catalytically inert and corrosion resistant nature of an NDC-free surface i.e. stable and quantifiable local proton and hydroxide production due to water electrolysis at a BDD electrode. An approach to measuring the local pH change induced by water electrolysis using iridium oxide coated BDD electrodes is also described in detail.

Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis

A protocol is described for the characterization of the key electrochemical parameters of a boron doped diamond (BDD) electrode and subsequent application for in situ pH generation experiments.

Beurteilung der bordotierten Diamantelektrode Qualität und Anwendung auf<em&gt; In-situ-</em&gt; Änderung des Local pH durch Elektrolyse von Wasser

Boron doped diamond (BDD) electrodes have shown considerable promise as an electrode material where many of their reported properties such as extended ...

Chemie

Metal Corrosion and the Efficiency of Corrosion Inhibitors in Less Conductive Media

Material corrosion can be a limiting factor for different materials in many applications. Thus, it is necessary to better understand corrosion processes, prevent them and minimize the damages associated with them. One of the most important characteristics of corrosion processes is the corrosion rate. The measurement of corrosion rates is often very difficult or even impossible especially in less conductive, non-aqueous environments such as biofuels. Here, we present five different methods for the determination of corrosion rates and the efficiency of anti-corrosion protection in biofuels: (i) a static test, (ii) a dynamic test, (iii) a static test with a reflux cooler and electrochemical measurements (iv) in a two-electrode arrangement and (v) in a three-electrode arrangement. The static test is advantageous due to its low demands on material and instrumental equipment. The dynamic test allows for the testing of corrosion rates of metallic materials at more severe conditions. The static test with a reflux cooler allows for the testing in environments with higher viscosity (e.g., engine oils) at higher temperatures in the presence of oxidation or an inert atmosphere. The electrochemical measurements provide a more comprehensive view on corrosion processes. The presented cell geometries and arrangements (the two-electrode and three-electrode systems) make it possible to perform measurements in biofuel environments without base electrolytes that could have a negative impact on the results and load them with measurement errors. The presented methods make it possible to study the corrosion aggressiveness of an environment, the corrosion resistance of metallic materials, and the efficiency of corrosion inhibitors with representative and reproducible results. The results obtained using these methods can help to understand corrosion processes in more detail to minimize the damages caused by corrosion.

The testing of processes associated with material corrosion can often be difficult especially in non-aqueous environments. Here, we present different methods for short-term and long-term testing of corrosion behavior of non-aqueous environments such as biofuels, especially those containing bioethanol.

Metallkorrosion und die Effizienz von Korrosionsinhibitoren in weniger leitfähigen Medien

Material corrosion can be a limiting factor for different materials in many applications. Thus, it is necessary to better understand corrosion processes, ...

Umwelt

Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). In the case of fast reversible electrochemical processes, current is predominantly affected by the rate of diffusion, which is the slowest and limiting stage. EIS is a powerful technique that allows separate analysis of stages of charge transfer that have different AC frequency response. The capability of the method was used to extract the value of charge transfer resistance, which characterizes the rate of charge exchange on the electrode-solution interface. The application of this technique is broad, from biochemistry up to organic electronics. In this work, we are presenting the method of analysis of organic compounds for optoelectronic applications.

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of species that undergo reversible oxidation or reduction in solution was used for determination of rate constants of oxidation or reduction.

Elektrochemische Impedanz Spektroskopie als Instrument zur elektrochemischen Rate Konstanten Schätzung

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). ...

Using Cyclic Voltammetry, UV-Vis-NIR, and EPR Spectroelectrochemistry to Analyze Organic Compounds

Cyclic voltammetry (CV) is a technique used in the analysis of organic compounds. When this technique is combined with electron paramagnetic resonance (EPR) or ultraviolet-visible and near-infrared (UV-Vis-NIR) spectroscopies, we obtain useful information such as electron affinity, ionization potential, band-gap energies, the type of charge carriers, and degradation information that can be used to synthesize stable organic electronic devices. In this study, we present electrochemical and spectroelectrochemical methods to analyze the processes occurring in active layers of an organic device as well as the generated charge carriers.

In this article, we describe electrochemical, electron paramagnetic resonance, and ultraviolet-visible and near-infrared spectroelectrochemical methods to analyze organic compounds for application in organic electronics.

Mithilfe von zyklischer Voltammetrie, UV-Vis-NIR und EPR Spectroelectrochemistry organische Verbindungen analysieren

Cyclic voltammetry (CV) is a technique used in the analysis of organic compounds. When this technique is combined with electron paramagnetic resonance ...

A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various precursor noble metal ions with reducing agents in a 1:1 (v/v) ratio results in the formation of metal gels within seconds to minutes compared to much longer synthesis times for other techniques such as sol-gel. Conducting the reduction step in a microcentrifuge tube or small volume conical tube facilitates a proposed nucleation, growth, densification, fusion, equilibration model for gel formation, with final gel geometry smaller than the initial reaction volume. This method takes advantage of the vigorous hydrogen gas evolution as a by-product of the reduction step, and as a consequence of reagent concentrations. The solvent accessible specific surface area is determined with both electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. After rinsing and freeze drying, the resulting aerogel structure is examined with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, and nitrogen gas adsorption. The synthesis method and characterization techniques result in a close correspondence of aerogel ligament sizes. This synthesis method for noble metal aerogels demonstrates that high specific surface area monoliths may be achieved with a rapid and direct reduction approach.

A rapid, direct solution-based reduction synthesis method to obtain Au, Pd, and Pt aerogels is presented.

Eine schnelle Synthese-Methode für Au, Pd und Pt-Aerogelen über lösungsorientierte Direktreduktion

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and subsequent safety issues becomes increasingly important. In a Li-ion cell setup, the voltage measurement across the positive and negative terminals inherently includes the effect of the cathode and anode which are coupled and sum to the total cell performance. Accordingly, the ability to monitor the degradation aspects associated with a specific electrode is extremely difficult because the electrodes are fundamentally coupled. A three-electrode setup can overcome this problem. By introducing a third (reference) electrode, the influence of each electrode can be decoupled, and the electrochemical properties can be measured independently. The reference electrode (RE) must have a stable potential that can then be calibrated against a known reference, for example, lithium metal. The three-electrode cell can be used to run electrochemical tests such as cycling, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three-electrode cell EIS measurements can elucidate the contribution of individual electrode impedance to the full cell. In addition, monitoring the anode potential allows the detection of electrodeposition due to lithium plating, which can cause safety concerns. This is especially important for the fast charging of Li-ion batteries in electric vehicles. In order to monitor and characterize the safety and degradation aspects of an electrochemical cell, a three-electrode setup can prove invaluable. This paper aims to provide a guide to constructing a three-electrode coin cell setup using the 2032-coin cell architecture, which is easy to produce, reliable, and cost-effective.

Three-electrode cells are useful in studying the electrochemistry of lithium-ion batteries. Such an electrochemical setup allows the phenomena associated with the cathode and anode to be decoupled and examined independently. Here, we present a guide for construction and use of a three-electrode coin cell with emphasis on lithium plating analytics.

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

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...

Electrochemical Roughening of Thin-Film Platinum Macro and Microelectrodes

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries of the metal. Using this method, a crack free, thin-film macroelectrode surface with up to 40 times increase in active surface area was obtained. The roughening is easy to do in a standard electrochemical characterization laboratory and incudes the application of voltage pulses followed by extended application of a reductive voltage in a perchloric acid solution. The protocol includes the chemical and electrochemical preparation of both a macroscale (1.2 mm diameter) and microscale (20 &#181;m diameter) platinum disc electrode surface, roughening the electrode surface and characterizing the effects of surface roughening on electrode active surface area. This electrochemical characterization includes cyclic voltammetry and impedance spectroscopy and is demonstrated for both the macroelectrodes and the microelectrodes. Roughening increases electrode active surface area, decreases electrode impedance, increases platinum charge injection limits to those of titanium nitride electrodes of same geometry and improves substrates for adhesion of electrochemically deposited films.

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries. The electrochemical techniques of cyclic voltammetry and impedance spectroscopy are demonstrated to characterize these electrode surfaces.

ElektrochemischeS Schruppen von Dünnschicht-Platinmakro und Mikroelektroden

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries ...

A Salt-Templated Synthesis Method for Porous Platinum-based Macrobeams and Macrotubes

The synthesis of high surface area porous noble metal nanomaterials generally relies on time consuming coalescence of pre-formed nanoparticles, followed by rinsing and supercritical drying steps, often resulting in mechanically fragile materials. Here, a method to synthesize nanostructured porous platinum-based macrotubes and macrobeams with a square cross section from insoluble salt needle templates is presented. The combination of oppositely charged platinum, palladium, and copper square planar ions results in the rapid formation of insoluble salt needles. Depending on the stoichiometric ratio of metal ions present in the salt-template and the choice of chemical reducing agent, either macrotubes or macrobeams form with a porous nanostructure comprised of either fused nanoparticles or nanofibrils. Elemental composition of the macrotubes and macrobeams, determined with x-ray diffractometry and x-ray photoelectron spectroscopy, is controlled by the stoichiometric ratio of metal ions present in the salt-template. Macrotubes and macrobeams may be pressed into free standing films, and the electrochemically active surface area is determined with electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. This synthesis method demonstrates a simple, relatively fast approach to achieve high-surface area platinum-based macrotubes and macrobeams with tunable nanostructure and elemental composition that may be pressed into free-standing films with no required binding materials.

A synthesis method to obtain porous platinum-based macrotubes and macrobeams with a square cross section through chemical reduction of insoluble salt-needle templates is presented.

Eine salzgemusterte Synthesemethode für poröse Platin-basierte Makrostrahlen und Makroröhren

The synthesis of high surface area porous noble metal nanomaterials generally relies on time consuming coalescence of pre-formed nanoparticles, followed ...