Osztott tesztcella, Li-levegős és szilárd-állapotú akkumulátor rögzítők

Szerző: Dany Huang, Ph.D.

A TOB New Energy vezérigazgatója és kutatás-fejlesztési vezetője

Lépjen kapcsolatba Dr. Huanggal a LinkedIn-en

Vezetői összefoglaló és legfontosabb tudnivalók

A szabványos érmecellák folyékony elektrolitokhoz és alacsony nyomású tömítésekhez készültek. A levegő akkumulátorok és a szilárdtest elektrolitok kidobják ezeket a feltételezéseket az ablakon. A speciális tesztberendezések megoldják a gázszállítás, a nagy mechanikai nyomás és az elektródák újrafelhasználhatóságának problémáit, amelyeket az érmecellák egyszerűen nem tudnak kezelni.

• A tesztsejtek felosztásalehetővé teszi a gyors elektródacserét és az ellenőrzött kis erejű érintkezést,-kritikus a reprodukálható folyadék- és gél-elektrolit diagnosztikához.
• Lítium-levegő szerelvényekintegrálja a gázdiffúziós rétegeket, az oxigénáramlási útvonalakat és a hermetikus tömítéseket, hogy kizárja a nedvességet és a CO₂-t, miközben hagyja, hogy az oxigén elérje a katódot.
• Szilárdtest bilincsekegyenletes, állítható nyomást alkalmazzon 1 MPa és 100 MPa között, közvetlenül csökkentve a szilárd-szilárd felületi ellenállást.
• A rossz tesztcella kiválasztása műtermékeket eredményez: nagy érintkezési ellenállás, elektrolit kiszáradás vagy oxigénhiány, amelyek anyaghibának álcázzák magukat.

Amikor egy kutató először megpróbálja tesztelni a lítium-levegő katódot egy CR2032-ben, a valóság órákon belül bejön. Az elektrolit a krimptömítésen keresztül elpárolog. Az oxigén soha nem jut el a katalizátorhoz, mert az érmecella egy zárt acéldoboz. Az OCV hihetőnek tűnik, de a kisütési kapacitás nulla. A cella nem hibásodott meg,{5}}a teszthardver igen.

A levegő- és szilárdtest-akkumulátorok a tesztcellák tervezésének két végletét képviselik. Egy áramló gázáramot és a légköri szennyeződések teljes kizárását követeli meg. A másik elég nagy mechanikai erőt igényel a fémek deformálásához, egyenletesen alkalmazva a törékeny kerámia korongon. Egyik követelményt sem elégíti ki az érmecellák préselés és krimpelés világa.

A speciális tesztcellák mögött meghúzódó tervezési elvek megértése kiküszöböli az elpazarolt kísérleteket, és felfedi, hogy a probléma az anyagban vagy a lámpatestben van-e.

Miért hibásodnak meg a szabványos érmecellák levegős és szilárdtest-rendszerekben?

A CR2032 és testvérei zseniális találmányok arra a célra, amire tervezték őket: egy kis folyékony elektrolit cellát egyszer használatos krimpelővel lezárnak. Korlátaik kemény technikai akadályokká válnak, amint megváltozik a kémia.

• Nincs gázcsere.Az érmecella hermetikusan zárva van. Lítium-levegő és lítium-oxigén akkumulátorok oxigénellátást igényelnek a katódon; az érmecella egy lezárt acéldobozt kínál, amely elfojtja a félreakciót.
• Szabályozatlan veremnyomás.Az érmecellában lévő hullámrugó talán 0,1–0,2 MPa erőt fejt ki, nem egyenletesen. A szilárdtest elektrolitoknak 5–100 MPa-ra van szükségük az ésszerű lítium-ion vezetőképesség kialakításához a szemcsehatárokon. A rugóerő két nagyságrenddel kisebb.
• Az elektrolit illékonysága.A levegőt belélegző katódok gyakran használnak olyan oldószereket, mint a DMSO vagy a tetraglim, amelyek hajlamosak idővel kiszivárogni. Egy érmecella préselt tömítésű tömítése, amely elegendő a karbonátokhoz, napokon belül kiszivárogtatja ezeket az oldószereket.
• Nincs post mortem hozzáférés.A krimpelt érmecella kinyitása tönkreteszi az elektródaszerelvényt és levegőt vezet be. Az osztott tesztcellák és a rögzítőelem-alapú kialakítások lehetővé teszik a roncsolásmentes szétszerelést, ami praktikus szükségesség a meghibásodások elemzéséhez.

Ezen pontok mindegyike egy speciális műszaki követelményt határoz meg, amelyet az alábbiakban tárgyalt speciális tesztcellák teljesítenek.

Az osztott tesztcella: az elektrokémiai diagnosztika alapja

Az osztott tesztcella-leszedhető vagy kételektródos tesztcellának is nevezik-két rozsdamentes acél testfélből, egy szigetelő hüvelyből (PTFE vagy PEEK), O-gyűrűs tömítésekből és az elektródákkal érintkező áramgyűjtő dugattyúból áll. A feleket csavarokkal vagy menetes gyűrűvel rögzítik egymáshoz, megismételhető belső hézagot és tömítőerőt hozva létre.

A tervezés három célt szolgál.

• Gyors elektródák szűrése.Az elektródákat és az elválasztókat kézzel helyezik el; nincs krimpelő szerszám vagy gombelemes prés. Ez a 10 perces érmecella összeszerelési folyamatot 2 perces műveletté változtatja, a bezárás előtti szemrevételezéssel. A hetente több tucat katódkészítményt tesztelő laboratóriumok esetében az áteresztőképesség növekedése jelentős.
• Meghatározott, állítható érintkezési nyomás.Ellentétben az érmecellával, ahol a rugóerő rögzítve van, az osztott tesztcellát meg lehet húzni egy meghatározott meghúzási erőre, vagy fel lehet szerelni egy kalibrált rugóköteggel. Az így kapott kötegnyomás -folyékony-elektrolit rendszerek esetén jellemzően 0,05–0,5 MPa- egyenletesebb, mivel a tömítő O-gyűrű elnyeli a mechanikai tűrést, miközben a dugattyú felülete az elektródához képest simán marad.
• Kompatibilitás folyékony és gél elektrolitokkal.A PTFE bélés kémiailag inert az összes általános akkumulátor oldószerrel szemben. A cellatestet elég gáztömörré lehet tenni ahhoz, hogy az oldószer párolgását több napos ciklus alatt megakadályozza, feltéve, hogy az O-gyűrűket rendszeresen cserélik.

A teljesen szilárdtest cellák esetében az alap osztott tesztcella nem elegendő, mert nem tudja előállítani a szükséges erőszinteket. A folyékony-elektrolit félcellás vizsgálatoknál azonban ez vált a szabványos referenciahardverré, és sok berendezés-beszállító kínálja kiindulópontként a kísérleti tesztekhez.

Speciális szerelvények a lítium-levegő akkumulátorok teszteléséhez

A lítium-levegő tesztelés új komplexitási réteget vezet be: a katódot szabályozott gázáramnak kell kitenni, miközben az anód légmentes környezetben marad. Ez azt jelenti, hogy a berendezés nem csak egy cella,{1}}hanem egy miniatűr reaktor.

• Gáz diffúziós út.A lámpatest katódoldala gázdiffúziós réteget (GDL) -jellemzően szénpapírból vagy porózus nikkelből- tartalmaz, amelyet egy gázkamra támaszt alá. A bemeneti és kimeneti nyílások tömegárammal szabályozott oxigén- vagy szintetikus levegőellátáshoz csatlakoznak. A GDL-nek elég hidrofóbnak kell lennie ahhoz, hogy megakadályozza az elektrolit elöntését, miközben lehetővé teszi a gázszállítást. A lámpatest kialakításának tömítenie kell a GDL körül anélkül, hogy összetörné, vagy megkerülő szivárgás keletkezne.
• Hermeticitás vízzel és CO₂-val szemben.A lítium fém hevesen reagál vízzel és passzivál CO₂-val. A teszttartó tömítéseinek 10⁻⁶ mbar·L/s alatt kell tartaniuk a szivárgási sebességet, az összes O-gyűrűt agresszív oldószereknek és oxigénnek való kitettségre tervezték. Az anyagok jellemzően rozsdamentes acél 316L, PTFE és FFKM (Kalrez) O-gyűrűk. Még a belső vízgőz 50 ppm-es emelkedése is eltolja a kibocsátott terméket Li2O2-ról Li2CO3-ra, érvénytelenítve a tesztet.
• Nyomásszabályozás.A lítium-levegő cellák általában 0,5 és 2 bar (abszolút) közötti oxigénnyomáson működnek. A vizsgálóberendezésnek biztonságosan kell tartania ezt a nyomást, miközben lehetővé teszi a folyamatos áramlást. A nyomásérzékelők és az ellennyomás-szabályozók a gázvezetékbe vannak beépítve, nem magába a cellába, de a cellának nyomásálló szerelvényekkel kell rendelkeznie, amelyek a maximális próbanyomásra vannak méretezve.
• Elektrolit kezelés.A nyitott katódú kialakítások az elektrolitot a gázáramnak teszik ki. A rosszul megtervezett szerelvény felgyorsítja a párolgást. A legjobb kivitelek közé tartozik egy mély elektrolit tartály az anód oldalán, és nedvesíthető szeparátorokat használnak, amelyek kapillárisan felszívják az elektrolitot a lítium felületére, így a GDL katód megfelelően szárazon marad.

A bejáratott gyártók szabványosított lítium-levegő tesztkészülékei mindezeket a funkciókat egyetlen szorítószerelvénybe foglalják, amely szabványos Swagelok vagy VCR gázszerelvényekhez csatlakoztatható. Ez a modularitás lehetővé teszi, hogy ugyanazt a szerelvényt kesztyűtartóban használhassák összeszereléshez, majd átvigyék egy gázellátó állomásra kerékpározáshoz.

Szilárdtest-akkumulátor tesztberendezések: A nyomás minden

A szilárdtest-elektrolitok-szulfidok, oxidok és polimerek-egy alapvető probléma: a szilárd-szilárd elektród-elektrolit határfelületen keresztül történő iontranszport bensőséges érintkezést igényel az atomi léptékben. Ezt az érintkezést csak külső mechanikai nyomással lehet elérni és fenntartani. A szükséges nyomás az anyagrendszertől függ:

• Szulfid elektrolitok (pl. Li₆PS5Cl)viszonylag puhák és 50-150 MPa egytengelyű nyomás alatt plasztikusan deformálódhatnak, alkalmazkodva az elektróda felületéhez.
• Oxid elektrolitok (pl. LLZO)merev kerámiák. Gyakran 100–500 MPa nyomásra van szükség a határfelületi üregek csökkentésére, de még ekkor is kihívást jelent az ellenállás teljes megszüntetése. A túl nagy nyomás eltöri a pelletet.
• Polimer elektrolitokjellemzően mérsékelt nyomást igényelnek (1–10 MPa), hogy biztosítsák a tapadást a film integritásának megőrzése mellett.

A szilárdtest tesztkészülékek a dugattyús henger geometriája köré épülnek. Az elektrolit pellet vagy membrán két áramgyűjtő dugattyú között helyezkedik el, amelyeket PEEK vagy kerámia hüvely szigetel el a henger falától. Az erőt egy csavaros mechanizmus, egy pneumatikus működtető vagy egy rugós köteg fejti ki. A legfontosabb műszaki jellemzők a következők:

• Egyenletes erőeloszlás.A dugattyú felületének síknak és párhuzamosnak kell lennie. A gömbcsuklós opciók megakadályozzák az elektrolit megrepedését okozó eltolódást.
• In-situ nyomásmérés.A dugattyú alá vagy a bilincskeretbe integrált erőmérő cella valós idejű erőadatokat szolgáltat, lehetővé téve a kezelő számára, hogy pontos nyomást állítson be, és figyelemmel kísérje az esetleges ellazulást az idő múlásával.
• Hőmérséklet-kompatibilitás.A szilárdtest cellákat gyakran magasabb hőmérsékleten (60–120 fok) tesztelik az impedancia csökkentése érdekében. A rögzítési anyagoknak és a kenőanyagoknak ki kell állniuk ezeknek a hőmérsékleteknek anélkül, hogy kilépnének vagy elveszítenék erejét.
• Elektromos szigetelés.A dugattyút elektromosan el kell szigetelni a kerettől, hogy lehetővé tegye a kételektródos (vagy háromelektródos) mérést rövidzárlat nélkül.

Mivel az alkalmazott nyomás közvetlenül megváltoztatja az elektrokémiai viselkedést, a szabványosított rögzítőelemek, amelyek napokig állandó erőt tartanak fenn -rugós vagy aktív pneumatikus vezérléssel-, sokkal több megismételhető adatot állítanak elő, mint az egyszerű csavaros bilincsek, amelyek ereje a cella ellazulásával eltolódik. Ez egy gyakori meghibásodási mód a publikált irodalomban, amely nyomatékkulcsot használ, és a legjobbat reméli.

Összehasonlító táblázat: Speciális tesztcellák a következő generációs akkumulátorokhoz

A megfelelő tesztcella kiválasztása a kémiához

A döntési fa rövid, de megbocsáthatatlan.

Ha a katódhoz gáznemű reagensek szükségesek, a cellának gázáramú szerelvénynek kell lennie. Semmilyen erőkifejtés egy gombos cellával vagy osztott tesztcellával nem eredményez oxigén megjelenését a reakció helyén.

Ha az elektrolit szilárd, a szerelvénynek magas nyomást kell szállítania és fenn kell tartania. Egy osztott tesztcella vagy kézi bilincs erőmérés nélkül olyan adatokat generál, amelyek összeállításonként drámaian változnak.

Ha az elektrolit folyékony vagy gél, és nincs szükség gázadagolásra, az osztott tesztcella biztosítja a leggyorsabb utat a statisztikailag értelmes elektrokémiához, mert szabványosítja az összeszerelést és az újra összeszerelést.

Az egyes kategóriákon belül nem minden berendezés egyenlő. Vegye figyelembe a rendelkezésre álló erőtartományt és annak stabilitását, a tömítőanyagok kémiai kompatibilitását az adott elektrolit oldószerrel, valamint azt, hogy a geometria illeszkedik-e a rendelkezésre álló potenciosztát vezetékekhez és kesztyűtartó portokhoz.

A tesztcellák beszerzése egyetlen kulcsrakész beszállítótól, amely a teljes választékot kínálja -osztott cellák, légbeszívó szerelvények és szilárdtest bilincsek-, csökkenti az integrációs időt, és biztosítja, hogy a kiegészítő hardverek, például a gázvezetékek és az erőmérő cellák kompatibilisek legyenek a laboratóriumban. Ez a megközelítés az alkatrészellátást és a garanciális támogatást is megszilárdítja.

Gyakran Ismételt Kérdések

Miért nem tudok egyszerűen lyukat fúrni egy érmecellába a lítium-levegő teszteléshez?
Egy lyuk az érmecellát zárt rendszerről nyitottra változtatja, de semmi sem szabályozza a gázáramlást vagy megakadályozza az elektrolit elpárolgását. A cella kiszárad, és a lítium reakcióba lép a környezeti nedvességgel. Egy erre a célra épített lítium-levegő szerelvény külön gázüreget, diffúziós réteget és hermetikusan lezárt fedelet tartalmaz.

Milyen nyomásra van szükségem szilárdtest-szulfid akkumulátorokhoz?
A tipikus alkalmazott nyomás 30 és 150 MPa között van hidegen sajtolt szulfidpelleteknél. A pontos érték a szemcsemérettől és a kötőanyag-tartalomtól függ. Az integrált mérőcellával rendelkező szerelvény lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy meghatározza azt a legalacsonyabb nyomást, amely elfogadható kapacitástartást biztosít, majd ezt állítsa be folyamatszabványként.

Használható egy osztott tesztcella szilárdtest lámpatestként?
Általában nem. Az osztott tesztcellák a csavar nyomatékával erőt tudnak kifejteni, de az erő kicsi és nem mérhető. Folyékony és gél elektrolitokhoz készültek. A szilárdtest-teszthez olyan szerelvényekre van szükség, amelyeket úgy terveztek, hogy nagy egytengelyű terheléseket kezeljenek anélkül, hogy a cella testét deformálnák.

Mennyi ideig bírják az O-gyűrűk egy lítium-levegő tesztberendezésben?
A száraz oxigénnek és közönséges oldószereknek kitett FFKM O-gyűrűk általában több száz összeszerelési cikluson át kitartanak, mielőtt megkeményednének vagy megduzzadnának. A körültekintő csere ütemezése 50 ciklusonként történik, vagy minden olyan esetben, amikor a szivárgásellenőrzés az elfogadási küszöbérték (általában 1 mbar/perc) feletti nyomáscsökkenést jelez.

Hol található a legjobb forrás a kulcsrakész tesztkészülékekhez?
A lámpatesteket házon belül megtervező, megmunkáló és összeszerelő speciális berendezésgyártó közvetlen beszerzése biztosítja a szigorú tolerancia-ellenőrzést és az alkalmazásmérnöki támogatáshoz való hozzáférést. Ez az a modell, amelyet a TOB New Energy a hsziameni gyárából üzemeltet, és egyetlen minőségbiztosítási rendszer keretében szállít gázáram-szerelvényeket, szilárdtest bilincseket és osztott tesztcellákat.