Файл: Курсовая работа по дисциплине основы научных исследований Название Электрохимические методы исследования катодных и анодных материалов.docx
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 144
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 №1210Масалова СофияФакультет: химии веществ и материаловКафедра: физической химииСанкт – Петербург2023СодержаниеЦели и задачи работы………………………………………………………………………3Литературный обзор……………………………………………………………………….42.1. Химические источники тока…………….…………………………………………....42.2. Литий-ионный аккумуляторы……………...…………………………………………42.3. Хронопотенциометрия…………………………………………...……………...……5Экспериментальная часть………………………………………………………………….71.Методика изготовления электродов…………………………………………………….72.Методика сборки дисковых макетов…...……………………………………………….93. Методика проведения электрохимических испытаний…….………………...………104. Результаты измерений…………………………………………………………………..12Выводы…………………………….……………………………………………………….13Список литературы………………………………………………………………………..14Цели и задачи работыЦель: 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 обзор2.1. 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 аккумулятореРисунок 1Li+ 6C + e− → LiC6В процессе зарядки ионы лития из электролита восстанавливаются и внедряются в структуру графита с образованием соединения включения состава LiC6[5].2.3. ХронопотенциометрияСущность хронопотенциометрии состоит в снятии кривых зависимостипотенциала электрода от времени при прохождении через электролитическуюячейку постоянного тока заданной величины[6]. Изменение потенциала происходит в соответствии с уравнением Нернста: E= E^0+RT/zF * ln aox/ared, гдеE – реальный потенциалE^0 – стандартный потенциалR – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/ (моль*К))T – температураZ – число электронов, участвующих в процессеF – постоянная Фарадея (9,6 Кл/моль)aox – активность окисленной формыared – активность восстановленной формыЗакон электролиза Фарадеяm = kqk – электрохимический эквивалент вещества[k] = кг/КлРисунок 2Хронопотенциометрия 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 сэлектродными 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 наиндикаторном электроде. В общем виде этот процесс может быть представленреакцией:Экспериментальная часть1.Методика изготовления электродовПроизводство 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 машинаЗаготовка электродов сушится в течение 15 минут в сушильном шкафу с усиленной конвекцией при температуре 800С или 70.Рисунок 4 – Сушильный шкафВысушенная фольга с намазкой прокатывается на прокаточном станке для подпрессовки активной массы и упорядочения структуры поверхности.Рисунок 5 - Прокаточные валикиВырубка 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 штампомПолученные 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 макетовСборка 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 макетаНа днище напрессована прокладка, которая изолирует его и крышку и обеспечивает надежную герметизацию корпуса при его завальцовке.
Рисунок 9 - Конструкция дискового макета аккумулятораВ 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 испытанийЭлектрохимические 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 NewareИзмерения
M актив = 2% сажи + 3% связ + 95% = 9,7мгJ1 = 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 измеренийРисунок 12При заряде полуячейчки происходит понижение напряжения от 2000мВ до 10мВ, наблюдается постепенный набор емкости по оси X за счет образования соединения LiC
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 аккумулятореРисунок 1Li+ 6C + e− → LiC6В процессе зарядки ионы лития из электролита восстанавливаются и внедряются в структуру графита с образованием соединения включения состава LiC6[5].2.3. ХронопотенциометрияСущность хронопотенциометрии состоит в снятии кривых зависимостипотенциала электрода от времени при прохождении через электролитическуюячейку постоянного тока заданной величины[6]. Изменение потенциала происходит в соответствии с уравнением Нернста: E= E^0+RT/zF * ln aox/ared, гдеE – реальный потенциалE^0 – стандартный потенциалR – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/ (моль*К))T – температураZ – число электронов, участвующих в процессеF – постоянная Фарадея (9,6 Кл/моль)aox – активность окисленной формыared – активность восстановленной формыЗакон электролиза Фарадеяm = kqk – электрохимический эквивалент вещества[k] = кг/КлРисунок 2Хронопотенциометрия 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 сэлектродными 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 наиндикаторном электроде. В общем виде этот процесс может быть представленреакцией:Экспериментальная часть1.Методика изготовления электродовПроизводство 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 машинаЗаготовка электродов сушится в течение 15 минут в сушильном шкафу с усиленной конвекцией при температуре 800С или 70.Рисунок 4 – Сушильный шкафВысушенная фольга с намазкой прокатывается на прокаточном станке для подпрессовки активной массы и упорядочения структуры поверхности.Рисунок 5 - Прокаточные валикиВырубка 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 штампомПолученные 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 макетовСборка 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 макетаНа днище напрессована прокладка, которая изолирует его и крышку и обеспечивает надежную герметизацию корпуса при его завальцовке.
Рисунок 9 - Конструкция дискового макета аккумулятораВ 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 испытанийЭлектрохимические 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 NewareИзмерения
| 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 |