Name: in situ lithiated reference electrode: four electrode design for in-operando impedance spectroscopy
Uploaded: 2018-09-12T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy at JoVE.com

Авторы признают финансовую поддержку от министерства энергетики США, Управление по обеспечению энергоэффективности и возобновляемых источников энергии.

1. зачистки провода медь/олово
<ol><li>Тепла коммерчески получил зачистки раствора.<ol>
<li>Залейте коммерческого промышленного класса, зачистки раствора в стакан из нержавеющей стали (7,6 см в диаметре и 8,5 см в высоту) на глубину около 5 мм от дна. Поместите стакан на горячей плите. Начните, Ото?...

<ol>
	<li>Ma, D., Cao, Z., Hu, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Si-Based+Anode+Materials+for+Li-Ion+Batteries:+A+Mini+Review.">Si-Based Anode Materials for Li-Ion Batteries: A Mini Review.</a> Nano-Micro Letters. 6 (4), (2014).</li><li>Jung, S. -. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+the+Degradation+Mechanisms+of+LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2+Cathode+Material+in+Lithium+Ion+Batteries.">Understanding the Degradation Mechanisms of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 Cathode Material in Lithium Ion Batteries.</a> Advanced Energy Materials. 4 (1), 1300787 (2014).</li><li>Streipert, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+LiPF6+on+the+Aluminum+Current+Collector+Dissolution+in+High+Voltage+Lithium+Ion+Batteries+after+Long-Term+Charge/Discharge+Experiments.">Influence of LiPF6 on the Aluminum Current Collector Dissolution in High Voltage Lithium Ion Batteries after Long-Term Charge/Discharge Experiments.</a> Journal of The Electrochemical Society. 164 (7), A1474-A1479 (2017).</li><li>Gilbert, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cycling+Behavior+of+NCM523/Graphite+Lithium-Ion+Cells+in+the+3-4.4+V+Range:+Diagnostic+Studies+of+Full+Cells+and+Harvested+Electrodes.">Cycling Behavior of NCM523/Graphite Lithium-Ion Cells in the 3-4.4 V Range: Diagnostic Studies of Full Cells and Harvested Electrodes.</a> Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A6054-A6065 (2017).</li><li>Shim, J., Kostecki, R., Richardson, T., Song, X., Striebel, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+analysis+for+cycle+performance+and+capacity+fading+of+a+lithium-ion+battery+cycled+at+elevated+temperature.">Electrochemical analysis for cycle performance and capacity fading of a lithium-ion battery cycled at elevated temperature.</a> Journal of Power Sources. 112 (1), 222-230 (2002).</li><li>Peled, E., Menkin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review-SEI:+Past,+Present+and+Future.">Review-SEI: Past, Present and Future.</a> Journal of The Electrochemical Society. 164 (7), A1703-A1719 (2017).</li><li>Nadimpalli, S. P. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+capacity+loss+due+to+solid-electrolyte-interphase+layer+formation+on+silicon+negative+electrodes+in+lithium-ion+batteries.">Quantifying capacity loss due to solid-electrolyte-interphase layer formation on silicon negative electrodes in lithium-ion batteries.</a> Journal of Power Sources. 215, 145-151 (2012).</li><li>Ender, M., Weber, A., Ellen, I. -. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+Three-Electrode+Setups+for+AC-Impedance+Measurements+on+Lithium-Ion+Cells+by+FEM+simulations.">Analysis of Three-Electrode Setups for AC-Impedance Measurements on Lithium-Ion Cells by FEM simulations.</a> Journal of The Electrochemical Society. 159 (2), A128-A136 (2011).</li><li>Zhou, J., Notten, P. H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+Reliable+Lithium+Microreference+Electrodes+for+Long-Term+In+Situ+Studies+of+Lithium-Based+Battery+Systems.">Development of Reliable Lithium Microreference Electrodes for Long-Term In Situ Studies of Lithium-Based Battery Systems.</a> Journal of The Electrochemical Society. 151 (12), A2173-A2179 (2004).</li><li>Klink, S., H&#246;che, D., La Mantia, F., Schuhmann, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=FEM+modelling+of+a+coaxial+three-electrode+test+cell+for+electrochemical+impedance+spectroscopy+in+lithium+ion+batteries.">FEM modelling of a coaxial three-electrode test cell for electrochemical impedance spectroscopy in lithium ion batteries.</a> Journal of Power Sources. 240 (Supplement C), 273-280 (2013).</li><li>B&#252;nzli, C., Kaiser, H., Nov&#225;k, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Important+Aspects+for+Reliable+Electrochemical+Impedance+Spectroscopy+Measurements+of+Li-Ion+Battery+Electrodes.">Important Aspects for Reliable Electrochemical Impedance Spectroscopy Measurements of Li-Ion Battery Electrodes.</a> Journal of The Electrochemical Society. 162 (1), A218-A222 (2015).</li><li>Delacourt, C., Ridgway, P. L., Srinivasan, V., Battaglia, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurements+and+Simulations+of+Electrochemical+Impedance+Spectroscopy+of+a+Three-Electrode+Coin+Cell+Design+for+Li-Ion+Cell+Testing.">Measurements and Simulations of Electrochemical Impedance Spectroscopy of a Three-Electrode Coin Cell Design for Li-Ion Cell Testing.</a> Journal of The Electrochemical Society. 161 (9), A1253-A1260 (2014).</li><li>Hoshi, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+reference+electrode+position+in+a+three-electrode+cell+for+impedance+measurements+in+lithium-ion+rechargeable+battery+by+finite+element+method.">Optimization of reference electrode position in a three-electrode cell for impedance measurements in lithium-ion rechargeable battery by finite element method.</a> Journal of Power Sources. 288 (Supplement C), 168-175 (2015).</li><li>La Mantia, F., Wessells, C. D., Deshazer, H. D., Cui, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliable+reference+electrodes+for+lithium-ion+batteries.">Reliable reference electrodes for lithium-ion batteries.</a> Electrochemistry Communications. 31 (Supplement C), 141-144 (2013).</li><li>Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., Teller, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+short+review+of+failure+mechanisms+of+lithium+metal+and+lithiated+graphite+anodes+in+liquid+electrolyte+solutions.">A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions.</a> Solid State Ionics. 148 (3), 405-416 (2002).</li><li>Klett, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrode+Behavior+RE-Visited:+Monitoring+Potential+Windows,+Capacity+Loss,+and+Impedance+Changes+in+Li1.03(Ni0.5Co0.2Mn0.3)0.97O2/Silicon-Graphite+Full+Cells.">Electrode Behavior RE-Visited: Monitoring Potential Windows, Capacity Loss, and Impedance Changes in Li1.03(Ni0.5Co0.2Mn0.3)0.97O2/Silicon-Graphite Full Cells.</a> Journal of The Electrochemical Society. 163 (6), A875-A887 (2016).</li><li>Zhang, W. -. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+the+electrochemical+performance+of+alloy+anodes+for+lithium-ion+batteries.">A review of the electrochemical performance of alloy anodes for lithium-ion batteries.</a> Journal of Power Sources. 196 (1), 13-24 (2011).</li><li>Klett, M., Gilbert, J. A., Pupek, K. Z., Trask, S. E., Abraham, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Layered+Oxide,+Graphite+and+Silicon-Graphite+Electrodes+for+Lithium-Ion+Cells:+Effect+of+Electrolyte+Composition+and+Cycling+Windows.">Layered Oxide, Graphite and Silicon-Graphite Electrodes for Lithium-Ion Cells: Effect of Electrolyte Composition and Cycling Windows.</a> Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A6095-A6102 (2017).</li><li>Ma, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Guide+to+Ethylene+Carbonate-Free+Electrolyte+Making+for+Li-Ion+Cells.">A Guide to Ethylene Carbonate-Free Electrolyte Making for Li-Ion Cells.</a> Journal of The Electrochemical Society. 164 (1), A5008-A5018 (2017).</li><li>Michan, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluoroethylene+Carbonate+and+Vinylene+Carbonate+Reduction:+Understanding+Lithium-Ion+Battery+Electrolyte+Additives+and+Solid+Electrolyte+Interphase+Formation.">Fluoroethylene Carbonate and Vinylene Carbonate Reduction: Understanding Lithium-Ion Battery Electrolyte Additives and Solid Electrolyte Interphase Formation.</a> Chemistry of Materials. 28 (22), 8149-8159 (2016).</li><li>Rahmoun, A., Loske, M., Rosin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+the+Impedance+of+Lithium-ion+Batteries+Using+Methods+of+Digital+Signal+Processing.">Determination of the Impedance of Lithium-ion Batteries Using Methods of Digital Signal Processing.</a> Energy Procedia. 46, 204-213 (2014).</li><li>Jiang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+Impedance+Spectra+for+Lithium-ion+Battery+Ageing+Considering+the+Rate+of+Discharge+Ability.">Electrochemical Impedance Spectra for Lithium-ion Battery Ageing Considering the Rate of Discharge Ability.</a> Energy Procedia. 105, 844-849 (2017).</li><li>Andre, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+high-power+lithium-ion+batteries+by+electrochemical+impedance+spectroscopy.+I.+Experimental+investigation.">Characterization of high-power lithium-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy. I. Experimental investigation.</a> Journal of Power Sources. 196 (12), 5334-5341 (2011).</li><li>Li, S. E., Wang, B., Peng, H., Hu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+electrochemistry-based+impedance+model+for+lithium-ion+batteries.">An electrochemistry-based impedance model for lithium-ion batteries.</a> Journal of Power Sources. 258, 9-18 (2014).</li></ol>

Рисунок 2a напряжение профиль полностью ячейки во время Рисунок 2b и 2 c Показать профили напряжения соответствует положительный и отрицательный электрод против пара Li/Li+ , в то время как полная ячейка циклическое между 3 и 4.4 V. Можно увидеть, ?...

Спрос на высокой плотности энергии от литий-ионных батарей (LIBs) ведет исследования в направлении понимания фундаментальных факторов, которые ограничивают производительность ячейки Li иона1. Высокого напряжения работы клеток, содержащих нового поколения слоистых переходный металл оксид катодов, графитовых анодов и органические карбоната электролитов ассоциируется с несколько паразитарных реакции2,3. Некоторые из этих реакций потребляют Li - Ион инвентаризации и часто приводят к росту значительное сопротивление клетки4,5,6,7. Потеря Li-иона также приводит к чистой смены поверхности потенциалов электродов. Мониторинг изменения напряжения на отдельных электродов в ячейке полное сравнение электрод сравнения (RE) могут выполняться в коммерческих ячейка 3-электрод конструкции8,9,10,11 , 12 , 13 , 14. Информация, касающаяся изменений импеданса на отдельных электродов и напряжения профили способствует более глубокое понимание фундаментальных деградации механизмов LIB. Обычные 3-электрод клетки содержат ли металла как электрод сравнения, который облегчает понимание различных электрохимических процессов на каждый электрод. Li металла при контакте с органическими электролит проходит самопроизвольно модификации поверхности и вклад этого поверхностного слоя на Li нельзя количественных15. Ряд 3-электрод конфигурации например ()-модель T, (b микро RE позиционируется как рабочих, так и Счетчик Электрод коаксиальный, ранее были предложены (c таблетка с RE задней части счетчика электрода и т.д. . Большинство из этих конфигураций ячейки имеют RE, расположены вдали от клеток сэндвич, генерации значительное Смещение в данных сопротивление из-за низкой проводимости электролита. Было доказано, что RE с стабильный потенциал всей измерения должны быть размещены в центре сэндвич для обеспечения надежной импеданс данных.
Для того, чтобы устранить эти расхождения, мы разработали мобильные установки с участием четвертый RE16. Ультра-тонкий провод Cu Sn покрытием зажата между электродов батареи, которые могут быть электрохимически lithiated в situ сформировать сплава SnxLi. Как Sn подвергается lithiation, падения напряжения провода ссылку и полностью lithiated провод имеет потенциал близко к 0 V против. Li+/Li17. Lithiated состав имеет потенциал, сопоставимы ли металла и метастабильного сплавов содействия стабильной потенциал в течение периода времени измерения. Li металл подвергается электролит подвержен продукты разложения электролита, образуя поверхностных слоев. EIS измерения зонда сопротивление отдельных электродов, собирая спектры между один из электродов и металлических ссылка на Li как совокупности не были надежным благодаря вкладу этих слоев на сопротивление. Хотя сокращение электролита неизбежно также на поверхности Li-Sn, провод lithiated ссылку на месте имеет следующие преимущества: () не продукты разложения постоянной электролита как напряжение будет всегда выше разложения потенциал электролит если lithiated, подразумевая без потери ли Инвентаризация в системе межфазного слоя; (b) слоев, образующихся при lithiation Sn провода находятся на очень небольшой площади, обеспечивая незначительный вклад данных EIS; и (c) сформировано продуктов деградации как Sn проволока теряет ли и потенциал провода увеличивается, привело lithiation свежие Sn провода во время каждого lithiation и, таким образом, формирование очень тонких межфазного слоя каждый раз вместо того, чтобы увеличение толщины этих слои. Спектры, записанный с этих сплавов как ссылки предоставляют более точные и надежные данные импеданс электродов. Мы провели испытания с стандартным 2032-тип монеты клетки и RE 4-электрод клетки для проверки нашего дизайна. Результаты этих испытаний и нашей интерпретации данных будет использоваться как представитель результат объяснить эффективность нашего протокола. V 3-4.4 Велоспорт следуют стандартный протокол, который включал формирования циклов, циклов старения и периодические измерения переменного тока импеданса в Велоспорт. Габариты клетки монета обеспечивают ценную информацию о параметрах цикла жизни, сохранения потенциала, переменного тока импеданса изменения, и т.д. RE клетки включить мониторинг изменения напряжения и сопротивления подниматься на отдельных электродов. Наш механистический понимания в способности исчезают и импеданс рост может обеспечить руководящие принципы для разработки систем электролита и понять вклад для потери емкости от каждого электрода во время операции высоковольтные ячейки.
Наши клетки содержатся ли1.03 (Co0,2МН0,30,5Ni)0,97O2 (обозначается здесь как NMC532)-на основе положительных электродов, на основе графита отрицательные электроды (обозначается как Gr) и 1,2 М раствором LiPF6 в Fluoroethylene карбонат (FEC): этиловый метил карбонат (EMC) (5: 95 w/w) как электролит. Электроды, используемые в данном исследовании являются стандартные электроды изготовлены в клеточный анализ, моделирование и прототипирование (лагерь) объекта в Аргоннской национальной лаборатории. Положительный электрод состоит из NMC532, проводящие углерод добавка (C-45) и винилидена фторида (PVdF) вяжущего в соотношении вес 90:5:5 на 20 мкм толщиной Аль токоприемник. Отрицательный электрод состоит из графита, смешанного с C-45 и PVdF вяжущего в соотношении вес 92:2:6 на 10 мкм толщиной Cu токоприемник. Круглые диски диаметром 5,08 см были кулаками из ламината электрода и разделители были кулаками с 7,62 см умереть для использования в Светильники с внутренним диаметром 7,62 см. Эти электроды сушили на 120 ° C и разделители при 75 ° C в вакуумной печи для по крайней мере за 12 ч до cell Ассамблеи. Схематическое представление светильник дизайн представлена на рисунке 1. Большие светильники и электроды обеспечивают минимальный неоднородностей в современных дистрибутивов на единицу площади, таким образом, обеспечивая наименее искажения в спектров импеданса. V 3-4.4 Велоспорт следовать стандартным протоколом, которая включала два цикла формирования со скоростью C/20, 100 циклов со скоростью C/3 и два диагностических циклов в C/20 старения. Все батареи испытания были проведены на 30 ° C. Электрохимический Велоспорт данных была измерена с помощью батареи циклователь и электрохимических импедансной спектроскопии (EIS) осуществляется с помощью системы потенцио.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="645">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Insulstrip 220</td>
			<td style="width:143px;">Ambion Corporation</td>
			<td style="width:119px;">081607-1</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sodium Hydroxide (23 wt%)</td>
			<td style="width:143px;">Ambion Corporation</td>
			<td>1310-73-2</td>
			<td>Contents of Insulstrip 220</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Furfuryl Alcohol (10 wt%)</td>
			<td style="width:143px;">Ambion Corporation</td>
			<td style="width:119px;">98-00-0</td>
			<td>Contents of Insulstrip 220</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NCM523</td>
			<td>TODA America</td>
			<td style="width:119px;">NM4100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">C-45&#160;</td>
			<td>Timcal Inc.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">polyvinylidene fluoride (PVdF)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">427152</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sn over Cu wire</td>
			<td style="width:143px;">Kanthal</td>
			<td style="width:119px;">MELT # 24633</td>
			<td>Custom ordered</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Battery cycler</td>
			<td style="width:143px;">Maccor USA</td>
			<td style="width:119px;">Series 2300&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Potentiostat</td>
			<td style="width:143px;">Solartron Analytical</td>
			<td style="width:119px;">1470 E</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

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

Расширение рабочее напряжение Li-ion батареи приводит к более высокой выходной энергии от этих устройств. Высокого напряжения, однако, может вызвать или ускорить несколько процессов отвечает за долгосрочного спада производительности. Учитывая сложность физических процессов, происходящих внутри клетки, это часто сложно добиться полного понимания коренных причин этого снижения производительности. Эта проблема частично проистекает из того факта, что любой электрохимические измерения батареи будет возвращать комбинированных вклад всех компонентов в ячейке. Включение электрод сравнения можно решить часть проблемы, как это позволяет электрохимических реакций катода и анода индивидуально быть исследован. Колебания в диапазоне напряжения, испытываемых катод, например, можно указать изменения в бассейне ионов лития cyclable в полный клеток. Структурной эволюции многих интерфазы, существующих в батарея может также контролироваться, измерения вклада каждого электрода общего сопротивления ячейки. Такое богатство информации усиливает досягаемости диагностического анализа в литий-ионных батарей и обеспечивает ценный вклад в оптимизации отдельных клеточных компонентов. В этой работе мы представляем дизайн способны вместить несколько ссылку электроды испытательной камере, и настоящий справочник электродов, которые подходят для каждого конкретного типа измерения, детализируя Ассамблея процесс для того, чтобы максимизировать точность экспериментальные результаты.

Рисунок 2 – представитель профиль напряжений отдельных электродов с 1,2 М LiPF6 в (FEC): EMC (5: 95 w/w) как электролит во время первого и второго циклов формирования. Рисунок 3 показывает EIS спектры ячейки после трех циклов формирования и в кон...

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy at JoVE.com

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

Включение ведения электродов в литий-ионный аккумулятор обеспечивает ценную информацию для выяснения механизмов деградации при высоких напряжениях. В этой статье мы представляем клетки дизайн, который вмещает несколько ссылку электродов, наряду с Ассамблеей шаги для обеспечения максимальной точности данных, полученных в электрохимических измерений.

В Situ электрод Lithiated сравнения: Дизайн четыре электрода для-operando импедансной спектроскопии

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

The demand for better performing lithium ion batteries is driving research towards understanding factors causing degradation. The method described here can precisely guage the behavior of individual battery components. The wealth of information that this technique provides amplifies the reach of diagnostic analysis in lithium ion batteries, and provides valuable input into the optimization of individual cell components.To begin, obtain a four centimeter wide seven centimeter long jig made of two millimeter thick copper wire. With flat loops to stabilize the jig at one end, and a handle at the other end. Then, pour about 23 milliliters of industrial grade stripping solution into a 7.6 centimeter diameter stainless steel beaker to obtain a solution depth of about five millimeters.Immerse a thermo couple in the solution, keeping the tip away from the bottom of the beaker. Start heating the beaker on a hot plate to 85 degrees celsius. While the solution heats, carefully wind 60 centimeters of 25.4 micron polyurethane coated tin plated copper wire length wise around the jig.Gently tape the ends of the wire to the handles. Once the solution reaches 85 degrees celsius, turn off the heat and place the jig vertically in the solution to immerse one side of the wrapped wire. Leave the jig in the solution for 15 seconds, and then rinse the wire and jig in deionized water for 15 seconds.Inspect the wire for exposed tin, which will appear as a silvery white material. Repeat the immersion in stripping solution and rinsing until one side of the wrapped wire has been completely stripped to the tin layer. Be careful not to etch away the plated tin.Then, rinse the jig and wire in deionized water and allow them to dry in air at room temperature. Once dry, cut the wire in the center of each stripped area to obtain approximately 10 centimeter long wires with exposed tin plated ends. To begin preparing a reference wire, cut about 10 centimeters of insulated two millimeter wide electrical circuit wire.Strip about two centimeters of insulation from each end of the wire. Then, gently lay one stripped end of a tin plated copper wire on the stripped electrical wire. Solder the junction to form an electrical contact between the wires.Confirm that the resistance across the newly formed tin reference electrode is between six and eight ohms. Assemble a second reference electrode with an exposed copper end in the same way, and bring the wires into an argon filled glove box. Next, cut a piece of 200 micron thick lithium metal no larger than five millimeters by five millimeters, and place it on a PTFE platform.Use a roller covered with polymer tape to flatten the metal to 25 microns thick. Then, bend the metal into a U shape, and lay the exposed tip of the copper wire in the bend. Carefully press the lithium around the wire to completely encapsulate the exposed copper.This will be the lithium metal reference electrode. Place an anode in a lithium cell fixture so that the center of the electrode is slightly offset from the center of the fixture. Place an insulating separator made of a trilayer of polyethylene and polypropylene on the anode.Use a PTFE sweep to gently remove trapped air bubbles between the anode and the separator. Ensure that the separator is firmly seated in the fixture. Then, apply a 10 microliter drop of the electrolyte on the separator two millimeters form the edge of the anode.Apply a second drop over the center of the anode. Position the exposed tin plated tip of the tin reference electrode in the drop at the center of the anode. Position the tip of the lithium reference electrode in the drop two millimeters away from the anode.Apply another 10 microliter drop of electrolyte to the lithium encapsulated tip, and remove air bubbles between the lithium metal and the separator with the sweep. Then, apply 400 microliters of electrolyte to the separator. Place a second separator on the assembly so that the reference electrode wires are sandwiched between the separators.To avoid applying excessive tension to the wires, leave some slack in the wires between the separators. Remove air bubbles between the separators with the sweep. Then, wet a cathode with 400 microliters of the electrolyte solution.Place the cathode on the upper separator aligned with the anode. Carefully place a stainless steel spacer on the cathode without disturbing the alignment of the cell stack. Put two stainless steel wave springs on the spacer to accommodate cell volume changes and pressure build up, and then close the fixture.Connect the cathode and anode of the battery cell to the corresponding battery cycler terminals. Connect the lithium reference electrode to the auxiliary terminal. Generate voltage profiles for each electrode with respect to the lithium couple.Apply a constant current of five microamperes for six hours between the cathode and the tin reference electrode with an upper voltage cutoff of four volts to electrochemically lithiate the tin. When finished, disconnect the cell from the battery cycler terminals, and allow the lithiated wire to equilibrate for two hours. To confirm successful lithiation, connect the lithium reference electrode to the auxiliary terminal, and the lithiated tin electrode to the negative terminal.The potential difference between them should be close to zero volts. To obtain spectra for the full cell, first, connect the negative voltage and current terminals of a potentia stat to the anode, and the positive terminals to the cathode. Cycle the electrochemical couple over a small voltage amplitude below five millivolts using alternating current or varying frequencies, with the impedance response plotted as the imaginary component versus the real component.Next, switch the negative voltage and current terminals from the anode to the lithium tip alloy electrode, and acquire a spectrum of the cathode versus the lithium tin alloy electrode. Lastly, connect the negative voltage and current terminals to the anode, and the positive terminals to the lithium tin alloy electrode. Voltage profiles were obtained of the full cell, and of each electrode with respect to the lithium couple.The increasing potential of the positive electrode during charge indicated delithiation. And the decreasing potential of the negative electrode correspondingly indicated lithiation. Electrochemical impedance spectroscopy showed a significant increase in impedance of the positive electrode with respect to the lithiated tin reference electrode after the battery had been cycled 100 times, but a minimal increase in impedance of the negative electrode.This implied that the overall increase in impedance was predominantly driven by the increase in positive impedance. Cycling at extreme voltage conditions increases the chances of lithium plating onto the negative electrode, causing intense safety challenges. Additional experiments are under way to understand the occurrence of lithium plating by developing protocols to probe the onset of lithium deposition.This approach can be used to obtain insider information about electrode behavior during the aging of a battery. Align tin wire with metals such as sodium or magnesium can widen the application of this technique to new generation batteries.

Research

JoVE Journal

Chemistry

In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions

In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions

На месте SIMS и ИК спектроскопии Ну определенных поверхность, подготовленную мягкой посадки Масса выбранных ионов

Soft landing of mass-selected ions onto surfaces is a powerful approach for the highly-controlled preparation of materials that are inaccessible using ...

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

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

Оценка легированный бором алмазного электрода качества и применения к<em&gt; На месте</em&gt; Модификация местного рН электролиза воды

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

X-ray Powder Diffraction in Conservation Science: Towards Routine Crystal Structure Determination of Corrosion Products on Heritage Art Objects

Рентгеновская дифракция в порошок по сохранению науки: На пути к Обычной кристаллической структуры Определение продуктов коррозии на наследие предметов искусства

The crystal structure determination and refinement process of corrosion products on historic art objects using laboratory high-resolution X-ray powder ...

Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

Электрохимический импеданс спектроскопия как инструмент для электрохимических скорость постоянной оценки

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

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic чипы для In Situ кристалл рентгеновской дифракции и на месте Динамическое рассеяние света для последовательного кристаллографии

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

Rapid Nanoprobe Signal Enhancement by In Situ Gold Nanoparticle Synthesis

Rapid Nanoprobe Signal Enhancement by In Situ Gold Nanoparticle Synthesis

Быстрый Nanoprobe сигнала повышение синтеза наночастиц золота в Situ

The use of nanoprobes such as gold, silver, silica or iron-oxide nanoparticles as detection reagents in bioanalytical assays can enable high sensitivity ...

A Closed-Type Wireless Nanopore Electrode for Analyzing Single Nanoparticles

Закрытого типа беспроводных Нанопор электрод для анализа одного наночастиц

Measuring the intrinsic features of single nanoparticles by nanoelectrochemistry holds deep fundamental importance and has potential impacts in ...

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

На месте FTIR Spectroscopy как инструмент для исследования газа / твердого взаимодействия: Водно-улучшенная CO2 Адсорбция в UiO-66 Металл-органические рамки

In situ infrared spectroscopy is an inexpensive, highly sensitive, and selective valuable tool to investigate the interaction of polycrystalline solids ...

Characterizing Lewis Pairs Using Titration Coupled with In Situ Infrared Spectroscopy

Характеристика Льюис пары использованиетия титрации в сочетании с In Situ инфракрасной спектроскопии

Lewis acid-activation of carbonyl-containing substrates is a fundamental basis for facilitating transformations in organic chemistry. Historically, ...

Covalent Attachment of Single Molecules for AFM-based Force Spectroscopy

Ковалентное присоединение одиночных молекул для спектроскопии силы на основе AFM

Atomic force microscopy (AFM)-based single molecule force spectroscopy is an ideal tool for investigating the interactions between a single polymer and ...