سلول تست تقسیم، لیتیوم{0}}هوا و جامد{1}}لوازم باتری حالت

نویسنده: Dany Huang, Ph.D.

مدیر عامل و رهبر تحقیق و توسعه، TOB New Energy

با دکتر هوانگ در لینکدین ارتباط برقرار کنید

خلاصه اجرایی و نکات کلیدی

سلول های سکه استاندارد برای الکترولیت های مایع و مهر و موم های فشار کم ساخته شده اند. باتری های هوا و الکترولیت های حالت جامد این فرضیات را از پنجره بیرون می اندازند. تجهیزات تست تخصصی مشکلات انتقال گاز، فشار مکانیکی بالا و قابلیت استفاده مجدد الکترود را حل می کند که سلول های سکه به سادگی نمی توانند از عهده آن برآیند.

• تقسیم سلول های آزمایشیامکان تعویض سریع الکترود و تماس کنترل‌شده با نیروی کم{0}}برای تشخیص مایعات تکرارپذیر و ژل الکترولیت بسیار مهم است.
• وسایل لیتیوم هوالایه‌های انتشار گاز، مسیرهای جریان اکسیژن و آب‌بندهای هرمتیک را ادغام کنید تا از رطوبت و CO2 جلوگیری کنید و در عین حال اجازه دهید اکسیژن به کاتد برسد.
• گیره های حالت جامدفشار یکنواخت و قابل تنظیم را از 1 مگاپاسکال تا بیش از 100 مگاپاسکال اعمال کنید و به طور مستقیم مقاومت سطحی جامد و جامد را کاهش دهید.
• انتخاب سلول آزمایشی اشتباه باعث ایجاد مصنوعات می شود: مقاومت در برابر تماس بالا، خشک شدن الکترولیت، یا گرسنگی اکسیژن که به عنوان خرابی مواد ظاهر می شود.

اولین باری که یک محقق سعی می کند کاتد لیتیوم-هوا را در یک CR2032 آزمایش کند، واقعیت در عرض چند ساعت مشخص می شود. الکترولیت از طریق مهر و موم چین تبخیر می شود. اکسیژن هرگز به کاتالیزور نمی رسد زیرا قوطی سلول سکه یک جعبه فولادی بسته است. OCV قابل قبول به نظر می رسد، اما ظرفیت تخلیه صفر است. سلول از کار افتاد-سخت‌افزار آزمایشی شکست خورد.

باتری‌های هوا و حالت جامد دو نقطه‌ی نهایی مهندسی سلول آزمایشی را نشان می‌دهند. یکی نیاز به جریان گاز جاری و حذف مطلق آلاینده های جوی دارد. دیگری نیاز به نیروی مکانیکی بالا برای تغییر شکل فلزات دارد که به طور یکنواخت روی یک دیسک سرامیکی شکننده اعمال می شود. هیچ یک از این الزامات توسط دنیای پرس و چروک سلول های سکه برآورده نمی شود.

درک اصول طراحی پشت سلول‌های آزمایشی تخصصی، آزمایش‌های هدر رفته را حذف می‌کند و نشان می‌دهد که آیا مشکل در ماده وجود دارد یا در فیکسچر.

چرا سلول‌های سکه استاندارد برای سیستم‌های هوا و حالت جامد شکست می‌خورند؟

CR2032 و برادرانش اختراعات درخشانی برای کاری هستند که برای انجام آن طراحی شده‌اند: یک سلول کوچک الکترولیت مایع را با یک گیره یک بار مصرف آب بندی کنند. محدودیت های آنها به محض تغییر شیمی به موانع فنی سخت تبدیل می شوند.

• بدون تعویض گازیک سلول سکه به صورت هرمتیک بسته است. باتری های لیتیوم-هوا و باتری های لیتیوم-اکسیژن به یک منبع اکسیژن در کاتد نیاز دارند. سلول سکه یک قوطی فولادی مهر و موم شده ارائه می دهد که نیمه واکنش را خفه می کند.
• فشار پشته کنترل نشدهفنر موج در داخل سلول سکه شاید 0.1-0.2 مگاپاسکال، به طور غیر یکنواخت اعمال می شود. الکترولیت‌های حالت جامد به 5 تا 100 مگاپاسکال برای ایجاد رسانایی معقول لیتیوم-یون در سراسر مرزهای دانه نیاز دارند. نیروی فنر با دو مرتبه قدر خاموش است.
• نوسانات الکترولیت.کاتدهای تنفس هوا اغلب از حلال هایی مانند DMSO یا تتراگلیم استفاده می کنند که در طول زمان تمایل زیادی به فرار دارند. مهر و موم واشر فشرده سلول سکه که برای کربنات کافی است، ظرف چند روز این حلال ها را نشت می کند.
• بدون دسترسی پس از مرگباز کردن یک سلول سکه چین دار، مجموعه الکترود را از بین می برد و هوا وارد می شود. سلول‌های آزمایشی تقسیم‌بندی و طرح‌های مبتنی بر فیکسچر امکان جداسازی غیرمخرب را می‌دهند که یک ضرورت عملی برای تجزیه و تحلیل خرابی است.

هر یک از این نکات الزامات مهندسی خاصی را تعریف می‌کند که سلول‌های تست تخصصی که در زیر مورد بحث قرار گرفته‌اند، به آن رسیدگی می‌کنند.

سلول تست اسپلیت: پایه ای برای تشخیص الکتروشیمیایی

یک سلول آزمایش تقسیم-که سلول آزمایش جداشدنی یا دو الکترودی نیز نامیده می‌شود-از دو نیمه بدنه فولادی ضد زنگ، یک غلاف عایق (PTFE یا PEEK)، مهر و موم حلقه‌های O و پیستون‌های جمع‌کننده جریان تشکیل شده است که با الکترودها تماس برقرار می‌کنند. نیمه ها توسط پیچ یا یک حلقه رزوه ای به هم چسبیده می شوند و یک شکاف داخلی و نیروی آب بندی قابل تکرار ایجاد می کنند.

طراحی سه هدف را دنبال می کند.

• غربالگری سریع الکترودالکترودها و جداکننده ها با دست قرار می گیرند. هیچ ابزار چین یا پرس سلول سکه ای وجود ندارد. این یک فرآیند مونتاژ سلول سکه 10 دقیقه ای را به یک عملیات 2 دقیقه ای تبدیل می کند، با مزیت اضافی بازرسی بصری قبل از بسته شدن. برای آزمایشگاه هایی که ده ها فرمول کاتدی را در هفته آزمایش می کنند، افزایش توان عملیاتی قابل توجهی است.
• فشار تماس مشخص و قابل تنظیمبرخلاف سلول سکه ای، که در آن نیروی فنر ثابت است، یک سلول آزمایش تقسیم می تواند به یک نیروی سفت کننده خاص گشتاور شود یا با یک پشته فنر کالیبره شده نصب شود. فشار انباشته حاصل-معمولاً 0.05-0.5 مگاپاسکال برای سیستم‌های الکترولیت مایع{4}}یکنواخت‌تر است، زیرا حلقه O-Ring تحمل مکانیکی را جذب می‌کند در حالی که صفحه پیستون در برابر الکترود صاف می‌ماند.
• سازگاری با الکترولیت های مایع و ژل.آستر PTFE از نظر شیمیایی نسبت به همه حلال های رایج باتری بی اثر است. بدنه سلولی را می توان به اندازه کافی در برابر گاز محفوظ کرد تا تبخیر حلال را در طی روزهای چرخه مهار کند، مشروط بر اینکه حلقه های O به طور دوره ای جایگزین شوند.

برای سلول های تمام حالت جامد، سلول آزمایش تقسیم پایه کافی نیست زیرا نمی تواند سطوح نیروی مورد نیاز را ایجاد کند. اما برای مطالعات نیمه سلولی الکترولیت مایع، به سخت افزار مرجع استاندارد تبدیل شده است و بسیاری از تامین کنندگان تجهیزات آن را به عنوان نقطه شروعی برای آزمایش خط آزمایشی ارائه می دهند.

وسایل تخصصی برای آزمایش باتری لیتیوم-هوا

آزمایش هوای لیتیوم لایه جدیدی از پیچیدگی را معرفی می کند: کاتد باید در معرض یک جریان گاز کنترل شده قرار گیرد در حالی که آند در یک محیط بدون هوا باقی می ماند. این بدان معناست که فیکسچر فقط یک سلول نیست-بلکه یک راکتور مینیاتوری است.

• مسیر انتشار گازسمت کاتد فیکسچر دارای یک لایه انتشار گاز (GDL)-معمولاً کاغذ کربن یا نیکل متخلخل- است که توسط یک محفظه گاز پشتیبانی می‌شود. درگاه های ورودی و خروجی به یک منبع اکسیژن یا هوای مصنوعی با کنترل جریان جرم متصل می شوند. GDL باید به اندازه کافی آبگریز باشد تا از سیل الکترولیت جلوگیری کند و در عین حال امکان انتقال گاز را فراهم کند. طراحی فیکسچر باید اطراف GDL را بدون خرد کردن یا ایجاد نشتی بای‌پس مهر و موم کند.
• هرمتیک در برابر آب و CO2.فلز لیتیوم به شدت با آب واکنش می دهد و با CO2 غیرفعال می شود. مهر و موم بست های آزمایشی باید نرخ نشتی کمتر از 10-6 mbar·L/s داشته باشد و همه حلقه های O برای قرار گرفتن در معرض حلال ها و اکسیژن تهاجمی درجه بندی شده باشند. مواد معمولاً اورینگ های فولادی ضد زنگ 316L، PTFE و FFKM (Kalrez) هستند. حتی افزایش 50 ppm در بخار آب داخلی می تواند محصول تخلیه را از Li2O2 به Li2CO3 تغییر دهد و آزمایش را باطل کند.
• کنترل فشار.سلول های لیتیوم هوا معمولاً در فشار اکسیژن بین 0.5 تا 2 بار (مطلق) کار می کنند. دستگاه تست باید این فشار را به طور ایمن نگه دارد و در عین حال جریان مداوم را فراهم کند. سنسورهای فشار و تنظیم‌کننده‌های فشار معکوس در خط گاز، نه خود سلول، یکپارچه شده‌اند، اما سلول باید دارای اتصالات ضد فشار باشد که برای حداکثر فشار آزمایشی درجه بندی شده‌اند.
• مدیریت الکترولیتطرح‌های کاتد باز ذاتاً الکترولیت را در معرض جریان گاز قرار می‌دهند. یک وسیله با طراحی ضعیف باعث تسریع تبخیر می شود. بهترین طرح‌ها شامل یک مخزن عمیق الکترولیت در سمت آند و استفاده از جداکننده‌های مرطوب‌شونده است که الکترولیت را با عمل مویرگی به سطح لیتیوم می‌کشد و GDL کاتد را به اندازه کافی خشک می‌کند.

تجهیزات استاندارد تست لیتیوم-هوا از سازندگان معتبر، همه این ویژگی ها را در یک مجموعه گیره دار که می تواند به اتصالات گاز استاندارد Swagelok یا VCR متصل شود، ترکیب می کند. این ماژولار بودن اجازه می دهد تا از همان وسیله در جعبه دستکش برای مونتاژ استفاده شود و سپس برای دوچرخه سواری به ایستگاه تغذیه گاز منتقل شود.

تجهیزات تست باتری حالت جامد: فشار همه چیز است

الکترولیت‌های حالت جامد-سولفیدها، اکسیدها و پلیمرها-همگی یک مشکل اساسی دارند: انتقال یونی در سطح مشترک الکترود-جامد-الکترولیت نیاز به تماس نزدیک در مقیاس اتمی دارد. تنها راه دستیابی و حفظ این تماس اعمال فشار مکانیکی خارجی است. فشار لازم به سیستم مواد بستگی دارد:

• الکترولیت های سولفید (به عنوان مثال، Li6PS5Cl)نسبتا نرم هستند و می توانند تحت فشار تک محوری 50 تا 150 مگاپاسکال به صورت پلاستیک تغییر شکل دهند و مطابق با سطح الکترود باشند.
• الکترولیت های اکسید (به عنوان مثال، LLZO)سرامیک های سفت هستند فشار 100-500 مگاپاسکال اغلب برای کاهش حفره های سطحی مورد نیاز است، اما حتی در این صورت حذف کامل مقاومت چالش برانگیز است. فشار زیاد باعث شکستگی پلت می شود.
• الکترولیت های پلیمریمعمولاً به فشار متوسط ​​(1-10 مگاپاسکال) برای اطمینان از چسبندگی و حفظ یکپارچگی فیلم نیاز دارند.

تجهیزات تست حالت جامد حول یک هندسه پیستون-سیلندر ساخته شده اند. گلوله یا غشای الکترولیت بین دو پیستون جمع‌کننده جریان قرار می‌گیرد که از دیواره سیلندر توسط یک غلاف PEEK یا سرامیکی عایق شده‌اند. نیرو از طریق یک مکانیسم پیچ، یک محرک پنوماتیک یا یک پشته فنری اعمال می شود. ویژگی های کلیدی مهندسی عبارتند از:

• توزیع یکنواخت نیروصفحه پیستون باید صاف و موازی باشد. گزینه های اتصال توپی از ناهماهنگی که می تواند الکترولیت را ترک کند جلوگیری می کند.
• اندازه گیری فشار در محلیک لودسل ادغام شده در زیر پیستون یا در قاب گیره داده‌های نیروی لحظه‌ای را ارائه می‌دهد و به اپراتور اجازه می‌دهد فشار دقیقی را تنظیم کند و هرگونه آرامش را در طول زمان نظارت کند.
• سازگاری با دماسلول های حالت جامد اغلب در دماهای بالا (60 تا 120 درجه) برای کاهش امپدانس آزمایش می شوند. مواد ثابت و هر روان کننده باید این دماها را بدون خروج گاز یا از دست دادن قدرت تحمل کنند.
• عایق برق.پیستون باید از قاب عایق الکتریکی باشد تا امکان اندازه گیری دو الکترود (یا سه الکترود) بدون اتصال کوتاه فراهم شود.

از آنجایی که فشار اعمال شده مستقیماً رفتار الکتروشیمیایی را تغییر می‌دهد، وسایل استانداردی که نیروی ثابتی را در طول روز حفظ می‌کنند-از طریق کنترل پنوماتیکی فعال یا فنری-داده‌های تکرارپذیرتری نسبت به گیره‌های پیچ‌دار ساده تولید می‌کنند که نیروی آنها با شل شدن سلول تغییر می‌کند. این یک حالت شکست رایج در ادبیات منتشر شده است که از آچار گشتاور استفاده می کند و به بهترین ها امیدوار است.

جدول مقایسه: سلول های تست تخصصی برای باتری های نسل بعدی

انتخاب سلول آزمایشی مناسب برای شیمی

درخت تصمیم کوتاه اما نابخشودنی است.

اگر کاتد به واکنش‌دهنده‌های گازی نیاز دارد، سلول باید یک فیکسچر جریان گاز باشد. هیچ تلاشی با سلول سکه یا سلول آزمایش تقسیم شده باعث نمی شود که اکسیژن در محل واکنش ظاهر شود.

اگر الکترولیت جامد باشد، فیکسچر باید فشار بالا را وارد و حفظ کند. یک سلول آزمایش تقسیم یا گیره دستی بدون اندازه‌گیری نیرو، داده‌هایی را تولید می‌کند که به طور چشمگیری از یک مجموعه به مجموعه دیگر متفاوت است.

اگر الکترولیت مایع یا ژل باشد و نیازی به تغذیه گاز نباشد، سلول آزمایش تقسیم سریع‌ترین مسیر را برای الکتروشیمی معنی‌دار از نظر آماری فراهم می‌کند زیرا مونتاژ و مونتاژ مجدد را استاندارد می‌کند.

در هر دسته، همه وسایل با هم برابر نیستند. محدوده نیروی موجود و پایداری آن، سازگاری شیمیایی مواد آب بندی با حلال الکترولیت خاص، و اینکه آیا هندسه با سرنخ های پتانسیواستات موجود و درگاه های جعبه دستکش مطابقت دارد را در نظر بگیرید.

تهیه سلول‌های آزمایشی از یک تامین‌کننده کلید در دست که طیف کاملی از-سلول‌های تقسیم‌شده، وسایل تنفس هوا، و گیره‌های حالت جامد را ارائه می‌دهد-زمان یکپارچه‌سازی را کاهش می‌دهد و تضمین می‌کند که سخت‌افزارهای کمکی، مانند خطوط گاز و سلول‌های بار، در سراسر آزمایشگاه سازگار هستند. این رویکرد همچنین تامین قطعات یدکی و پشتیبانی گارانتی را یکپارچه می کند.

سوالات متداول

چرا نمی توانم به سادگی یک سوراخ در سلول سکه ای برای آزمایش هوای لیتیوم ایجاد کنم؟
یک سوراخ سلول سکه را از یک سیستم مهر و موم شده به یک سیستم باز تغییر می دهد، اما هیچ کاری برای مدیریت جریان گاز یا جلوگیری از تبخیر الکترولیت انجام نمی دهد. سلول خشک می شود و لیتیوم با رطوبت محیط واکنش نشان می دهد. یک فیکسچر هوای لیتیومی ساخته شده شامل یک حفره گاز اختصاصی، لایه انتشار، و درب هرمتیکی مهر و موم شده است.

چه فشاری برای باتری های حالت جامد سولفیدی نیاز دارم؟
فشارهای اعمال شده معمولی بین 30 تا 150 مگاپاسکال برای گلوله های سولفید فشرده سرد است. مقدار دقیق به اندازه ذرات و محتوای چسب بستگی دارد. یک دستگاه با یک لودسل یکپارچه به کاربر این امکان را می دهد که کمترین فشاری را که حفظ ظرفیت قابل قبولی را ارائه می دهد، تعیین کند، سپس آن را به عنوان استاندارد فرآیند تنظیم کند.

آیا می توان از سلول تست تقسیم به عنوان یک فیکسچر حالت جامد استفاده کرد؟
به طور کلی خیر سلول های تست تقسیم می توانند از طریق گشتاور پیچ نیرو اعمال کنند، اما نیرو کم است و قابل اندازه گیری نیست. آنها برای الکترولیت های مایع و ژل در نظر گرفته شده اند. آزمایش حالت جامد به وسایلی نیاز دارد که برای تحمل بارهای تک محوری بالا بدون تغییر شکل بدنه سلول طراحی شده باشند.

اورینگ ها در دستگاه تست لیتیوم-هوا چه مدت دوام خواهند داشت؟
حلقه های FFKM که در معرض اکسیژن خشک و حلال های معمولی قرار می گیرند، معمولاً صدها چرخه مونتاژ را قبل از سخت شدن یا متورم شدن دوام می آورند. یک برنامه تعویض محتاطانه هر 50 سیکل یا هر زمان که بررسی نشت نشان دهنده نرخ پوسیدگی فشار بالاتر از آستانه پذیرش (معمولاً 1 میلی‌بار در دقیقه) باشد، است.

بهترین منبع برای تجهیزات تست کامل کلید در دست کجاست؟
منبع یابی مستقیم از یک سازنده تجهیزات تخصصی که وسایل را در داخل طراحی، ماشین آلات و مونتاژ می کند، کنترل دقیق تحمل و دسترسی به پشتیبانی مهندسی برنامه را تضمین می کند. این مدلی است که TOB New Energy از کارخانه Xiamen خود کار می‌کند و تجهیزات جریان گاز، گیره‌های حالت جامد و سلول‌های آزمایش تقسیم را تحت یک سیستم کیفیت تامین می‌کند.