Batterien haben in der Regel zwei Elektroden: Anode und Kathode. Während der Lade- und Entladezyklen wandern die Ionen durch den Separator zu einer der beiden Elektroden und setzen dabei Energie frei.
Batterieprüfzellen können so gebaut werden, dass sie eine dritte Elektrode enthalten. Diese wird als Referenzelektrode (RE) bezeichnet. Die RE ermöglicht eine bessere Analyse der Batterieleistung, da sie die Testergebnisse zwischen Anode und Kathode entkoppelt.
Bei der Erforschung von Batteriematerialien ermöglicht die Verwendung einer Referenzelektrode (RE) den Forschern, den Beitrag der einzelnen Komponenten der Zelle zu ihrer Gesamtleistung zu messen und zu differenzieren. Mit Hilfe von Drei-Elektroden-Experimenten lässt sich feststellen, welche Elektrode (Anode oder Kathode) die Leistung der Zelle bei Langzeittests begrenzt. Es ist wichtig zu ermitteln, wie jede einzelne Elektrode unter verschiedenen Testbedingungen zur Zelldegradation beiträgt, anstatt blind mit einer oder beiden zu experimentieren.
Warum ist das wichtig?
Die meisten alle Elektrochemische Experimente und Batterietests ermöglichen ein besseres Verständnis der Zelle, wenn die Ergebnisse von Anode und Kathode durch Verwendung einer Referenzelektrode entkoppelt werden können. Dies gilt auch für Anwendungen, die traditionell als "industriell" bezeichnet werden. Die dynamischen Lade-Entlade-Profile und Schnellladesimulationen, die mit kommerziellen Geräten und Elektrofahrzeugen in Verbindung gebracht werden, können im Vergleich zu Konstantstromzyklen mit niedriger Rate eine einzigartige Leistung aus einer Batterie herausholen.
Die Dreielektrodenprüfung ist auch für die Bewertung der Batteriesicherheit von Vorteil. Minter und Juarez-Robles heben hervor, dass die Schnellladung, die eine sehr gefragte Eigenschaft für Elektrofahrzeuge ist, einen großen Bedarf an der Erkennung und Überwachung von Lithiumplattierungen auf einer Zellanode schafft. (Minter RD, Juarez-Robles D, et al. 2018 J Vis Exp., (135):57735) Dies lässt sich am besten mit einer Drei-Elektroden-Zelle während der Prüfung erreichen.
Ein grundlegendes Ziel der Batterieforschung ist die Entwicklung von Zellen, die eine lange Lebensdauer haben. Dies ist besonders wichtig für Elektrofahrzeuge und Netzspeicheranwendungen, bei denen die kommerziellen Zellen und Batteriepacks Tausende von Zyklen und bis zu 10 Jahre lang halten müssen. Mit Hilfe von Drei-Elektroden-Tests können die Forscher den begrenzenden Faktor in ihrer Zelle ermitteln und sich auf die Bereiche konzentrieren, in denen Verbesserungen am dringendsten erforderlich sind.
Wie die Referenzelektrode in verschiedenen Testsituationen verwendet wird
- Bei HPPC-Tests, die üblicherweise für Elektrofahrzeug-AnwendungenDie Verwendung einer Referenzelektrode zeigt die Polarisierung der Elektrode.
- Die Durchführung der EIS zeigt die entkoppelte Impedanz von Anode und Kathode einzeln, wenn eine Drei-Elektroden-Zelle verwendet wird.
- Der individuelle Beitrag von Anode und Kathode wird deutlich, wenn man den Lithiumverlust aufgrund von SEI-Wachstum als dominanten Alterungsmechanismus nachweist.
- Die Differenzkapazitätsanalyse kann Veränderungen im Spannungsprofil von Anode und Kathode aufdecken und aufzeigen, wie sie einzeln zur Zelldegradation beitragen.
Die Hindernisse bei der Entwicklung einer stabilen und zuverlässigen Drei-Elektroden-Zelle
Beim Vergleich der Ergebnisse eines neuen Drei-Elektroden-Experiments mit anderen veröffentlichten Ergebnissen müssen so viele Variablen wie möglich konsistent gehalten werden, z. B. Elektrodengröße, Materialmenge, Einheitlichkeit der Zelle usw., oder es muss versucht werden, die Ergebnisse zu normalisieren. Dies ist ein Hauptgrund, warum herkömmliche Zelltypen so modifiziert werden, dass sie eine Referenzelektrode als "hausgemachte" Zelle enthalten, so dass die Ergebnisse bei minimaler Normalisierung leichter zu vergleichen sind. Die Forscher möchten ihre Ergebnisse demonstrieren und mit bestehenden Zwei-Elektroden-Daten desselben Zelltyps (zylindrisch, Beutel, Münze) vergleichen. Da jedoch die meisten Arbeiten an Batteriematerialien mit Koinzellen durchgeführt werden, ist dies die natürliche Wahl für Drei-Elektroden-Experimente, um die neuen Ergebnisse mit der großen Menge an veröffentlichten traditionellen Zwei-Elektroden-Daten zu vergleichen. Die neuen experimentellen Daten werden die Anode und die Kathode entkoppeln und neue Erkenntnisse liefern.
Andere kommerzielle Drei-Elektroden-Zellen wie Swagelok- oder Split-Zellen sind kostspielig und nicht praktikabel in der Umsetzung und Skalierung und können manchmal zu kompliziert in der Herstellung und Verwendung sein. Die Testergebnisse dieser Zelltypen müssen beim Vergleich mit herkömmlichen Batterieformaten (Knopfzellen, zylindrische Zellen, Beutelzellen usw.) ebenfalls normalisiert werden.
Die Drei-Elektroden-Prüfzelle von Arbin und ihre Vorteile
Die neuartige "3E"-Coincell hat die gleiche Oberfläche wie eine herkömmliche CR2032-Coincell und eignet sich daher ideal für den Vergleich der Ergebnisse aller veröffentlichten Coincell-Daten. Sie bietet den Nutzern die Möglichkeit, durch die Durchführung groß angelegter Drei-Elektroden-Tests schnell Prototypen neuer Materialien zu entwickeln. Herkömmliche Methoden haben sich als zu teuer erwiesen und lieferten uneinheitliche Ergebnisse. Die neue 3E Coin Cell von Arbin bietet Anwendern einen erschwinglichen, einfach zu bedienenden Drei-Elektroden-Zellenhalter, der langfristige Zyklen ermöglicht und konsistente Ergebnisse zwischen den Proben liefert. Die niedrigen Stückkosten, das Einwegdesign und die einfach zu bauende Münzzellenstruktur ermöglichen es dem Benutzer, schnell eine große Anzahl von Zellen für Materialforschungstests zu bauen. Die 3E Coin Cell ist mit dem 3E Coin Cell Holder von Arbin kompatibel und kann direkt mit unserer MSTAT-Produktreihe verbunden werden
Die in den obigen Abschnitten beschriebenen alternativen Lösungen für die Entkopplung von Testergebnissen zwischen Anode und Kathode gibt es, weil diese Daten die Batterieforschung und -entwicklung beschleunigen und neue Batteriechemien schneller auf den Markt bringen können.
Die neueste Generation der hochpräzisen LBT- und MSTAT-Batterietestgeräte von Arbin hat sowohl bei akademischen als auch bei industriellen Forschern Aufmerksamkeit erregt, da sie den Batterieentwicklungsprozess beschleunigen kann. Die 24-Bit-Auflösung, die extreme Präzision und das hochmoderne Wärmemanagement, die bei Arbin Standard sind, führen zu detaillierteren und konsistenteren Ergebnissen als bei anderen Batterietestgeräten. Dies hat mehrere Industriepartner dazu veranlasst, mit Arbin in gemeinsamen Projekten zusammenzuarbeiten, einschließlich ARPA-E-Zuschüssen. General Motors hat Arbin erlaubt, ein neues Drei-Elektroden-Zellendesign zu lizenzieren und zu vermarkten, das ihr Batterietestprogramm weiter verbessern und beschleunigen kann.
