Pin thử nghiệm phân chia, thiết bị cố định pin trạng thái Li-không khí và rắn{1}}

Tác giả: Dany Huang, Ph.D.

CEO & Trưởng nhóm R&D, TOB New Energy

Kết nối với Tiến sĩ Huang trên LinkedIn

Tóm tắt điều hành & bài học chính

Pin đồng xu tiêu chuẩn được chế tạo cho chất điện phân lỏng và vòng đệm áp suất thấp. Pin không khí và chất điện phân thể rắn đã loại bỏ những giả định đó. Các thiết bị kiểm tra chuyên dụng giải quyết các vấn đề về cung cấp khí, áp suất cơ học cao và khả năng tái sử dụng điện cực mà các tế bào dạng đồng xu không thể xử lý được.

• Tách tế bào thử nghiệmcho phép hoán đổi điện cực nhanh chóng và kiểm soát tiếp xúc lực thấp-rất quan trọng đối với chẩn đoán chất điện phân dạng lỏng và gel có thể tái tạo.
• Thiết bị chiếu sáng bằng lithium-airtích hợp các lớp khuếch tán khí, đường dẫn dòng oxy và các vòng đệm kín để loại trừ độ ẩm và CO₂ trong khi vẫn để oxy đến cực âm.
• Kẹp trạng thái rắnáp dụng áp suất đồng đều, có thể điều chỉnh từ 1 MPa đến hơn 100 MPa, trực tiếp làm giảm sức cản bề mặt rắn-rắn.
• Chọn sai ô thử nghiệm sẽ tạo ra các thành phần giả: điện trở tiếp xúc cao, chất điện phân bị khô hoặc thiếu oxy được coi là hư hỏng vật liệu.

Lần đầu tiên một nhà nghiên cứu thử kiểm tra cực âm lithium-air trong CR2032, thực tế đã thành hiện thực trong vòng vài giờ. Chất điện phân bay hơi qua vòng đệm uốn. Oxy không bao giờ đến được chất xúc tác vì hộp đựng đồng xu là một hộp thép kín. OCV có vẻ hợp lý nhưng công suất phóng điện bằng không. Ô không bị lỗi-phần cứng kiểm tra đã làm được.

Pin không khí và pin thể rắn thể hiện hai thái cực của kỹ thuật tế bào thử nghiệm. Người ta yêu cầu một dòng khí chảy và loại trừ tuyệt đối các chất gây ô nhiễm khí quyển. Loại còn lại yêu cầu lực cơ học đủ cao để làm biến dạng kim loại, tác động đồng đều lên một đĩa gốm giòn. Cả thế giới ép và gấp của các tế bào dạng đồng xu đều không đáp ứng được yêu cầu nào.

Việc hiểu rõ các nguyên tắc thiết kế đằng sau các tế bào thử nghiệm chuyên biệt sẽ loại bỏ các thí nghiệm lãng phí và phát hiện liệu vấn đề có tồn tại trong vật liệu hay trong thiết bị cố định hay không.

Tại sao các tế bào tiền xu tiêu chuẩn lại thất bại đối với các hệ thống không khí và trạng thái rắn

CR2032 và các anh chị em của nó là những phát minh tuyệt vời với mục đích thiết kế của chúng: bịt kín một tế bào điện phân lỏng nhỏ bằng dây uốn sử dụng một lần. Những hạn chế của chúng trở thành rào cản kỹ thuật cứng ngay khi tính chất hóa học thay đổi.

• Không trao đổi khí.Một tế bào đồng xu được đóng kín. Pin lithium-air và lithium-oxy cần nguồn cung cấp oxy ở cực âm; tế bào đồng xu cung cấp một hộp thép kín có tác dụng làm nghẹt nửa phản ứng.
• Áp lực ngăn xếp không được kiểm soát.Lò xo sóng bên trong tế bào đồng xu có thể tác dụng khoảng 0,1–0,2 MPa, không đồng đều. Chất điện phân ở trạng thái rắn cần 5–100 MPa để thiết lập độ dẫn lithium-ion hợp lý qua các ranh giới hạt. Lực lò xo giảm đi hai bậc độ lớn.
• Độ bay hơi của chất điện giải.Cực âm thở bằng không khí thường sử dụng các dung môi như DMSO hoặc tetraglyme có xu hướng thoát ra mạnh theo thời gian. Vòng đệm kín của tế bào đồng xu, đủ cho cacbonat, sẽ làm rò rỉ các dung môi này trong vòng vài ngày.
• Không có quyền truy cập sau khi chết.Việc mở một tế bào đồng xu bị gấp nếp sẽ phá hủy cụm điện cực và đưa không khí vào. Các ô thử nghiệm phân tách và thiết kế dựa trên vật cố định cho phép tháo rời không phá hủy, một điều cần thiết trong thực tế để phân tích lỗi.

Mỗi điểm trong số này xác định một yêu cầu kỹ thuật cụ thể mà các ô kiểm tra chuyên biệt được thảo luận bên dưới giải quyết.

Tế bào thử nghiệm phân tách: Nền tảng cho chẩn đoán điện hóa

Ô thử nghiệm tách rời-còn được gọi là ô thử nghiệm có thể tháo rời hoặc hai điện cực-bao gồm hai nửa thân bằng thép không gỉ, một ống bọc cách điện (PTFE hoặc PEEK), vòng đệm kín chữ O và pít tông thu dòng điện tiếp xúc với các điện cực. Các nửa được kẹp lại với nhau bằng vít hoặc vòng ren, tạo ra khe hở bên trong và lực bịt kín có thể lặp lại.

Thiết kế phục vụ ba mục đích.

• Sàng lọc điện cực nhanh.Các điện cực và dải phân cách được đặt bằng tay; không có dụng cụ gấp mép hoặc máy ép đồng xu. Điều này biến quy trình lắp ráp ô đồng xu kéo dài 10 phút thành thao tác 2 phút, với lợi ích bổ sung là kiểm tra trực quan trước khi đóng. Đối với các phòng thí nghiệm thử nghiệm hàng chục công thức cực âm mỗi tuần, thông lượng đạt được là rất đáng kể.
• Áp lực tiếp xúc được xác định và điều chỉnh được.Không giống như tế bào dạng đồng xu, trong đó lực lò xo được cố định, tế bào thử nghiệm tách rời có thể được vặn đến một lực siết cụ thể hoặc được lắp một ngăn lò xo đã hiệu chỉnh. Áp suất ngăn xếp thu được-thường là 0,05–0,5 MPa đối với hệ thống điện phân lỏng-đồng đều hơn do vòng chữ O bịt kín hấp thụ dung sai cơ học trong khi mặt pít tông vẫn phẳng so với điện cực.
• Khả năng tương thích với chất điện phân lỏng và gel.Lớp lót PTFE trơ về mặt hóa học đối với tất cả các dung môi pin thông thường. Thân tế bào có thể được chế tạo đủ kín khí để ngăn chặn sự bay hơi dung môi trong nhiều ngày trong chu trình, miễn là các vòng chữ O được thay thế định kỳ.

Đối với các ô hoàn toàn ở trạng thái rắn, ô thử nghiệm phân tách cơ bản là không đủ vì nó không thể tạo ra các mức lực cần thiết. Nhưng đối với các nghiên cứu nửa tế bào điện phân lỏng, nó đã trở thành phần cứng tham chiếu tiêu chuẩn và nhiều nhà cung cấp thiết bị cung cấp nó như một điểm khởi đầu cho thử nghiệm dây chuyền thí điểm.

Thiết bị cố định chuyên dụng để kiểm tra pin Lithium-Air

Thử nghiệm lithium-không khí đưa ra một mức độ phức tạp mới: cực âm phải tiếp xúc với dòng khí được kiểm soát trong khi cực dương vẫn ở trong môi trường kín khí. Điều đó có nghĩa là vật cố định không chỉ là một tế bào-mà nó là một lò phản ứng thu nhỏ.

• Đường khuếch tán khí.Phía cực âm của thiết bị cố định có một lớp khuếch tán khí (GDL)-thường là giấy cacbon hoặc niken xốp-được hỗ trợ bởi một buồng khí. Các cổng vào và ra kết nối với nguồn cung cấp oxy hoặc không khí tổng hợp được kiểm soát lưu lượng lớn. GDL phải đủ kỵ nước để ngăn chặn hiện tượng ngập điện phân đồng thời cho phép vận chuyển khí. Thiết kế của thiết bị cố định phải bịt kín xung quanh GDL mà không làm nát nó hoặc tạo ra rò rỉ đường vòng.
• Độ kín chống nước và CO₂.Kim loại liti phản ứng mạnh với nước và thụ động với CO₂. Các vòng đệm của thiết bị kiểm tra phải duy trì tốc độ rò rỉ dưới 10⁻⁶ mbar·L/s, với tất cả các vòng chữ O được xếp hạng để tiếp xúc với dung môi mạnh và oxy. Vật liệu thường là vòng chữ O bằng thép không gỉ 316L, PTFE và FFKM (Kalrez). Ngay cả khi hơi nước bên trong tăng 50 ppm cũng có thể chuyển sản phẩm phóng điện từ Li₂O₂ sang Li₂CO₃, làm mất hiệu lực thử nghiệm.
• Kiểm soát áp lực.Pin lithium-air thường hoạt động ở áp suất oxy trong khoảng 0,5 đến 2 bar (tuyệt đối). Thiết bị thử nghiệm phải giữ áp suất này một cách an toàn đồng thời cho phép dòng chảy liên tục. Cảm biến áp suất và bộ điều chỉnh áp suất ngược được tích hợp vào đường dẫn khí chứ không phải vào tế bào, nhưng tế bào phải có các phụ kiện kín áp được định mức cho áp suất thử nghiệm tối đa.
• Quản lý điện giải.Thiết kế cực âm mở vốn đã để chất điện phân tiếp xúc với dòng khí. Một thiết bị cố định được thiết kế kém sẽ làm tăng tốc độ bay hơi. Các thiết kế tốt nhất bao gồm một bể chứa chất điện phân sâu ở phía cực dương và sử dụng các bộ phân tách có thể làm ướt để hút chất điện phân lên bề mặt lithium bằng tác động mao dẫn, khiến cho cực âm GDL khô ráo.

Thiết bị kiểm tra khí lithium-air được tiêu chuẩn hóa từ các nhà sản xuất có uy tín kết hợp tất cả các tính năng này vào một cụm kẹp duy nhất có thể kết nối với các phụ kiện khí Swagelok hoặc VCR tiêu chuẩn. Mô-đun này cho phép sử dụng cùng một thiết bị cố định trong hộp đựng găng tay để lắp ráp và sau đó được chuyển đến trạm nạp khí để đạp xe.

Thiết bị kiểm tra pin thể rắn: Áp suất là tất cả

Các chất điện phân ở trạng thái rắn-sulfua, oxit và polyme-đều có chung một vấn đề cơ bản: sự vận chuyển ion qua giao diện điện cực-điện cực rắn đòi hỏi sự tiếp xúc chặt chẽ ở quy mô nguyên tử. Cách duy nhất để đạt được và duy trì sự tiếp xúc này là tác dụng áp suất cơ học bên ngoài. Áp suất cần thiết phụ thuộc vào hệ vật liệu:

• Chất điện phân sunfua (ví dụ Li₆PS₅Cl)tương đối mềm và có thể biến dạng dẻo dưới áp suất một trục 50–150 MPa, phù hợp với bề mặt điện cực.
• Chất điện phân oxit (ví dụ LLZO)là gốm cứng. Áp lực 100–500 MPa thường là cần thiết để giảm các khoảng trống giữa các bề mặt, nhưng ngay cả khi đó việc loại bỏ hoàn toàn lực cản vẫn là một thách thức. Quá nhiều áp lực làm gãy viên.
• Chất điện phân polymethường yêu cầu áp suất vừa phải (1–10 MPa) để đảm bảo độ bám dính trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của màng.

Thiết bị kiểm tra trạng thái rắn được chế tạo theo hình dạng xi lanh piston. Viên hoặc màng điện phân nằm giữa hai pít-tông thu dòng, được cách ly với thành xi-lanh bằng PEEK hoặc ống bọc gốm. Lực được tác dụng thông qua cơ cấu vít, bộ truyền động khí nén hoặc lò xo. Các tính năng kỹ thuật chính bao gồm:

• Phân bố lực đồng đều.Mặt piston phải phẳng và song song. Các tùy chọn khớp cầu ngăn chặn tình trạng lệch trục có thể làm nứt chất điện phân.
• Đo áp suất tại chỗ.Cảm biến tải trọng được tích hợp bên dưới pít-tông hoặc trong khung kẹp cung cấp dữ liệu lực theo thời gian thực, cho phép người vận hành đặt áp suất chính xác và theo dõi mọi sự giãn ra theo thời gian.
• Khả năng tương thích nhiệt độ.Pin thể rắn thường được thử nghiệm ở nhiệt độ cao (60–120 độ) để giảm trở kháng. Vật liệu cố định và bất kỳ chất bôi trơn nào đều phải chịu được nhiệt độ này mà không thoát khí hoặc mất độ bền.
• Cách ly điện.Piston phải được cách điện với khung để cho phép đo hai điện cực (hoặc ba điện cực) mà không bị đoản mạch.

Do áp suất tác dụng làm thay đổi trực tiếp hoạt động điện hóa nên các thiết bị cố định được tiêu chuẩn hóa duy trì một lực không đổi trong nhiều ngày-thông qua điều khiển khí nén chủ động hoặc tải bằng lò xo{1}}tạo ra dữ liệu có thể lặp lại nhiều hơn so với các kẹp bắt vít đơn giản có lực thay đổi khi tế bào giãn ra. Đây là chế độ hỏng hóc phổ biến trong các tài liệu đã xuất bản sử dụng cờ lê lực và hy vọng điều tốt nhất.

Bảng so sánh: Tế bào thử nghiệm chuyên dụng cho pin thế hệ tiếp theo

Chọn tế bào thử nghiệm phù hợp cho hóa học của bạn

Cây quyết định tuy ngắn nhưng không thể tha thứ.

Nếu cực âm cần chất phản ứng dạng khí thì tế bào phải là thiết bị cố định dòng khí. Không cần nỗ lực nhiều với tế bào đồng xu hoặc tế bào thử nghiệm phân tách sẽ làm xuất hiện oxy tại vị trí phản ứng.

Nếu chất điện phân là chất rắn thì thiết bị cố định phải cung cấp và duy trì áp suất cao. Một ô thử nghiệm tách rời hoặc kẹp thủ công không có phép đo lực sẽ tạo ra dữ liệu thay đổi đáng kể từ bộ phận này sang bộ phận tiếp theo.

Nếu chất điện phân là chất lỏng hoặc gel và không cần cấp khí, tế bào thử nghiệm tách sẽ cung cấp con đường nhanh nhất đến điện hóa học có ý nghĩa thống kê vì nó tiêu chuẩn hóa việc lắp ráp và lắp ráp lại.

Trong mỗi danh mục, không phải tất cả đồ đạc đều như nhau. Xem xét phạm vi lực sẵn có và độ ổn định của nó, khả năng tương thích hóa học của vật liệu bịt kín với dung môi điện phân cụ thể và liệu hình dạng có phù hợp với các dây dẫn chiết áp và cổng hộp găng tay hiện có hay không.

Việc mua các tế bào thử nghiệm từ một nhà cung cấp chìa khóa trao tay duy nhất cung cấp đầy đủ-các tế bào phân chia, thiết bị thở không khí và kẹp trạng thái rắn-giúp giảm thời gian tích hợp và đảm bảo rằng phần cứng phụ trợ, chẳng hạn như ống dẫn khí và cảm biến tải trọng, tương thích trong toàn phòng thí nghiệm. Cách tiếp cận này cũng củng cố việc cung cấp phụ tùng thay thế và hỗ trợ bảo hành.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tôi không thể khoan một lỗ trên pin đồng xu để thử nghiệm lithium-không khí?
Một lỗ thay đổi tế bào đồng xu từ hệ thống kín sang hệ thống mở nhưng không có tác dụng quản lý dòng khí hoặc ngăn chặn sự bay hơi của chất điện phân. Tế bào sẽ khô và lithium sẽ phản ứng với độ ẩm xung quanh. Thiết bị cố định bằng lithium-air được chế tạo có mục đích bao gồm khoang chứa khí chuyên dụng, lớp khuếch tán và nắp kín.

Tôi cần áp suất bao nhiêu cho pin thể rắn sunfua?
Áp suất áp dụng điển hình nằm trong khoảng từ 30 đến 150 MPa đối với các viên sunfua ép lạnh. Giá trị chính xác phụ thuộc vào kích thước hạt và hàm lượng chất kết dính. Một thiết bị cố định có cảm biến tải trọng tích hợp cho phép người dùng xác định áp suất thấp nhất mang lại khả năng duy trì công suất ở mức chấp nhận được, sau đó đặt áp suất đó làm tiêu chuẩn quy trình.

Có thể sử dụng ô thử nghiệm phân tách làm thiết bị cố định ở trạng thái rắn không?
Nói chung là không. Các ô thử nghiệm phân tách có thể tác dụng lực thông qua mô-men xoắn trục vít, nhưng lực này thấp và không thể đo được. Chúng được thiết kế cho chất điện phân dạng lỏng và gel. Thử nghiệm trạng thái rắn yêu cầu các thiết bị cố định được thiết kế để chịu được tải trọng một trục cao mà không làm biến dạng thân tế bào.

Vòng chữ O sẽ tồn tại được bao lâu trong thiết bị thử nghiệm lithium-air?
Vòng chữ O FFKM tiếp xúc với oxy khô và các dung môi thông thường thường kéo dài hàng trăm chu kỳ lắp ráp trước khi cứng lại hoặc phồng lên. Lịch trình thay thế thận trọng là cứ sau 50 chu kỳ hoặc bất cứ khi nào việc kiểm tra rò rỉ cho thấy tốc độ giảm áp suất trên ngưỡng chấp nhận (thường là 1 mbar/phút).

Đâu là nguồn tốt nhất cho các thiết bị kiểm tra chìa khóa trao tay hoàn chỉnh?
Tìm nguồn cung ứng trực tiếp từ một nhà sản xuất thiết bị chuyên dụng thiết kế, gia công và lắp ráp các thiết bị cố định trong nhà đảm bảo kiểm soát dung sai chặt chẽ và tiếp cận hỗ trợ kỹ thuật ứng dụng. Đây là mẫu TOB New Energy vận hành từ nhà máy Hạ Môn, cung cấp các thiết bị cố định dòng khí, kẹp trạng thái rắn và tế bào thử nghiệm phân tách theo một hệ thống chất lượng.