Файл: Курсовая работа по дисциплине основы научных исследований Название Электрохимические методы исследования катодных и анодных материалов.docx
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 55
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт (Технический Университет)
Курсовая работа по дисциплине
«ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ»
Название:
«Электрохимические методы исследования катодных и анодных материалов»
Выполнила:
студентка группы №1210
Масалова София
Факультет: химии веществ и материалов
Кафедра: физической химии
Санкт – Петербург
2023
Содержание
Цели и задачи работы………………………………………………………………………3
Литературный обзор……………………………………………………………………….4
2.1. Химические источники тока…………….…………………………………………....4
2.2. Литий-ионный аккумуляторы……………...…………………………………………4
2.3. Хронопотенциометрия…………………………………………...……………...……5
Экспериментальная часть………………………………………………………………….7
1.Методика изготовления электродов…………………………………………………….7
2.Методика сборки дисковых макетов…...……………………………………………….9
3. Методика проведения электрохимических испытаний…….………………...………10
4. Результаты измерений…………………………………………………………………..12
Выводы…………………………….……………………………………………………….13
Список литературы………………………………………………………………………..14
Цели и задачи работы
Цель: Освоение методики хронопотенциометрических измерений для
диагностики электродных материалов литий-ионных аккумуляторов.
Задачи:
-изготовление графитовых электродов по намазной технологии;
-сборка двух электродных ячеек;
- проведение гальваностастических измерений.
Литературный обзор
2.1. Химические источники тока (ХИТ)
Химические источники тока (ХИТ) – это устройства, в которых энергия ОВР
(ОВР (окислиительно – восстановительные реакции) - встречно-параллельные химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ (или ионов веществ), реализующиеся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем (акцептором) и атомом-восстановителем) преобразуется непосредственно в электрическую.
Химические источники тока подразделяются на три вида: первичные, вторичные и топливные элементы[3].
Первичные, или гальванические элементы. После разряда, когда израсходованы реагенты на электродах (активные массы), они больше не пригодны к употреблению (не заряжаются). Пример – всем известные марганцево-цинковые элементы («батарейки»).
Вторичные ХИТ или аккумуляторы, то есть топливные элементы - это химические источники тока, которые допускают многократное использование. Будучи разряженными, они способны восстанавливаться (заряжаться) от внешнего источника постоянного тока[1].
2.2. Литий-ионный аккумуляторы (ЛИА)
Пример реакции в литий-ионном аккумуляторе
Рисунок 1
Li+ 6C + e− → LiC6
В процессе зарядки ионы лития из электролита восстанавливаются и внедряются в структуру графита с образованием соединения включения состава LiC6[5].
2.3. Хронопотенциометрия
Сущность хронопотенциометрии состоит в снятии кривых зависимости
потенциала электрода от времени при прохождении через электролитическую
ячейку постоянного тока заданной величины[6]. Изменение потенциала происходит в соответствии с уравнением Нернста:
E= E^0+RT/zF * ln aox/ared, где
E – реальный потенциал
E^0 – стандартный потенциал
R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/ (моль*К))
T – температура
Z – число электронов, участвующих в процессе
F – постоянная Фарадея (9,6 Кл/моль)
aox – активность окисленной формы
ared – активность восстановленной формы
Закон электролиза Фарадея
m = kq
k – электрохимический эквивалент вещества
[k] = кг/Кл
Рисунок 2
Хронопотенциометрия позволяет решать следующие задачи электрохимической кинетики:
1. Определение коэффициентов диффузии.
2. Определение электродной поляризации и механизма электродных ре-
акций.
3. Определение констант скоростей химических реакций, связанных с
электродными процессами.
4. Определение концентрации разряжающихся ионов[4].
Электрохимическая ячейка содержит рабочий - индикаторный и вспомогательный электроды и электрод сравнения, относительно которого измеряется потенциал рабочего электрода[2].
Экспериментатора обычно интересует только процесс, протекающий на
индикаторном электроде. В общем виде этот процесс может быть представлен
реакцией:
Экспериментальная часть
1.Методика изготовления электродов
Производство электродов – узкоспециализированный, сложный технологический процесс. Они необходимы во многих отраслях и используются в больших масштабах. Рассмотрим, как делают электроды, каковы особенности их изготовления.
Процесс приготовления активной массы является первоначальным этапом в ходе изготовления электродов. Суть процесса заключается в растворении связующего (поливинилиденфторид Solef 5130) в растворителе (N-метилпирролидон). К полученному раствору добавляется активная масса (в случае анодов – графит, кремний, катоды – LiCoO2, LiMn2O4), для улучшения электропроводности активного материала – соответствующая проводящая добавка (сажа).
Полученная масса наносится на токосъемник с помощью намазочной машины и приспособления DrBlade, медную фольгу в случае анодов, алюминиевая – катоды. Задаваемая толщина намазки (100, 200 мкм) регулируетя опусканием/поднятием лезвия Dr. Blade при помощи двух микрометрических винтов.
Рисунок 3 – намазочная машина
Заготовка электродов сушится в течение 15 минут в сушильном шкафу с усиленной конвекцией при температуре 800С или 70.
Рисунок 4 – Сушильный шкаф
Высушенная фольга с намазкой прокатывается на прокаточном станке для подпрессовки активной массы и упорядочения структуры поверхности.
Рисунок 5 - Прокаточные валики
Вырубка электродов заданного диаметра (15 мм) производится с помощью устройства для вырубки дисков со сменным вырубным штампом. Сепаратор вырубался аналогично.
Рисунок 6 - Устройство для вырубки дисков со сменным вырубным штампом
Полученные электроды сушатся в течение 10 часов под вакуумом при температуре 1100С.
Каждый электрод взвешивается на аналитических весах.
maк = 2% сажи + 3% связующего +95% = 9,7 мг.
mэл-да – 33,2 мг.
2.Методика сборки дисковых макетов
Сборка макетов осуществляется в лаборатории для работы в инертной атмосфере, рисунок 6. Стандартной характеристикой OmniLab является способность достигать и поддерживать уровень кислорода и влажности 1ч./млн.
Газоочиститель удаляет кислород и следы загрязнений влагой в герметичной среде перчаточного бокса. Система OmniLab оборудована газоочистителем и ручными циркуляционными клапанами, используемыми для изоляции атмосферы бокса от очистителя.
Система приборов включает сенсорный экран для удобного наблюдения и контроля давления в боксе, системы продувки, циркуляционной воздуходувки и регенерации очистителя. Простота и легкость работы с сенсорным экраном позволяет новым пользователям быстро подстраиваться под скорость процесса.
Рисунок 7 - Вид спереди, система OmniLab, модель 2 с отверстиями перчаточного бокса 101975.1- перчаточный бокс из нержавеющей стали; 2 – стенд бокса; 3 – формакера; 4 – панель управления (с сенсорным экраном и дополнительными анализаторами кислорода и влажности) 5 – системный выключатель; 6 – педальный переключатель давления; 7 – циркуляционные клапаны бокса; 8 – клапаны продувки бокса; 9 – клапаны вакуумирования форкамеры; 10 – клапан пополнения форкамеры.
Корпус дискового макета СR2032 состоит из следующих деталей: крышки, днища с запрессованной изолирующей прокладкой, пружины и металлической прокладки.
Рисунок 8 - Детали дискового корпуса макета
На днище напрессована прокладка, которая изолирует его и крышку и обеспечивает надежную герметизацию корпуса при его завальцовке.
Рисунок 9 - Конструкция дискового макета аккумулятора
В днище вкладывается отрицательный электрод из металлического лития. Затем в корпус помещается сепаратор (полипропилен). После этого заливается электролит Tinci TC–E18.Затем помещается исследуемый электрод. Далее - прокладка, прижимная пружина и крышка. Затем корпус завальцовывался на ручной завальцовочной машине.
Рисунок 10 - Гидравлический ручной аккумуляторный блок CHY-110.
Комплект завальцовывающих насадок подходит для всех дисковых элементов питания серии СR2OXX, таких как CR2032, CR2025, CR2016.
Перед испытаниями необходимо проверить наличие короткого замыкания и замерить НРЦ (напряжение разомкнутой цепи) макета. При наличии изменения НРЦ во времени нужно дать макету пропитаться электролитом в течение нескольких часов.
3.Методика проведения электрохимических испытаний
Электрохимические испытания проводятся в двухэлектродных ячейках CR2032 с использованием зарядно-разрядного стенда CT-3008W-5V10mA (Neware) (рисунок 10). С помощью программного обеспечения задаются условия: количество циклов, ток заряда, ограничения по напряжению, емкости. Напряжение – 5 В.
Рисунок 11 - Зарядно-разрядный стенд CT-3008W-5V10mA Neware
Измерения
| номер сборки | канал | M эл-та | M актив | J, мА/г | I, A |
| 4245 | 3-2 | 33,2 мг | 10,3 мг | 40 | 1 цикл |
| 20 | |||||
| 10 |
M актив = 2% сажи + 3% связ + 95% = 9,7мг
J1 = 40 мА/г; J2 = 20 мА/г; J3 = 10 мА/г,
где J – ток заряда.
I1 = m * J
I1 = 9,7*10^-3 г * 40 мА/г = 0, 388 мА.
I2 = 9,7*10^-3 г * 20 мА/г = 0, 194 мА.
I3 = 9,7*10^-3 г * 10 мА/г = 0, 097 мА.
4.Результаты измерений
Рисунок 12
При заряде полуячейчки происходит понижение напряжения от 2000мВ до 10мВ, наблюдается постепенный набор емкости по оси X за счет образования соединения LiC