Summary
우리는 동일계 중성자 분말 회절 (NPD)에 이용 전극 재료의 시험을위한 전기 화학 전지의 설계와 구성을 기술한다. 우리는 간단히 현장 NPD의 셀 설계의 대안에 대해 언급하고이 세포를 사용하여 생산 현장 NPD 데이터에 대응하는 분석 방법에 대해 설명합니다.
Abstract
리튬 이온 배터리에 널리 휴대용 전자 기기에 사용되며, 예컨대, 전기 자동차 등의 높은 에너지 애플리케이션을위한 유망한 후보로서 고려된다. 1,2 그러나, 에너지 밀도 및 전지 수명 등의 많은 과제가이 특정 전에 극복해야 배터리 기술이 널리이 연구는 도전 3. 그러한 애플리케이션에서 구현 될 수 있으며 우리는 전지의 전기 화학적 사이클링 (충전 / 방전)을 겪고 전극의 결정 구조를 조사하기 위해 현장 NPD에 사용하여 이러한 문제를 해결하는 방법을 설명합니다. NPD 데이터는 전극 특성의 범위에 대한 책임이있는 기본 구조 메커니즘을 결정하는 데 도움이,이 정보는 더 나은 전극 및 전지의 개발을 지시 할 수 있습니다.
배터리가 맞춤 NPD 실험 및 세부 우리가 가지고있는 '롤오버'셀을 구성하는 방법을 설계 우리는 간단하게 6 가지 유형을 검토성공적으로 호주 원자력 과학 기술기구 (ANSTO)에서 강도 높은 NPD 악기, 웜뱃에 사용. 세포 구조에 사용하는 디자인 고려 사항 및 재료가 현장 NPD 실험 및 초기 방향의 실제의 측면과 함께 설명은 현장 데이터에 복잡한을 분석하는 방법에 대한 안내되게됩니다.
Introduction
리튬 이온 배터리는 현대 전자 공학을위한 휴대용 에너지를 제공하고 이러한 전기 자동차 같이 대규모 재생 에너지 생성을위한 에너지 저장 장치와 같은 고 에너지 응용에 중요하다. 3-7 과제 수가 재충전의 광범위한 사용을 달성하기 위해 남아 에너지 밀도 및 안전성을 포함한 차량용 대규모 스토리지에서 배터리. 이러한 실험에서 얻은 정보는 기존의 전지 재료를 향상시키는 방법을 지시 할 수있는 바와 같이 인 시츄 방법에의 사용은 원자 및 분자 스케일 배터리 기능 동작 중에 점차 일반화되고있다을 프로빙, 8-10 가능한 불량 메커니즘을 식별함으로써 및 계시해서 예 : 재료의 차세대 고려 될 수 결정 구조. 11
현장에서의 NPD의 주된 목적은 전지 내부의 구성 요소에 결정 구조의 진화를 조사하는 것이다충전 / 방전의 함수로서. 결정 학적으로 정렬 된 전극에서 이러한 연구를 집중 성분이 결정질 수 있어야 결정 구조의 진화를 측정하기 위하여. 이는 전하 캐리어 (리튬)을 삽입 / 추출과 같은 변경이 NPD에 의해 준수되는 전극에있다. 계내 NPD는 전극뿐만 아니라 반응 메커니즘과 격자 파라미터 진화를 "추적"하기 위해 가능성을 제공 할뿐만 아니라 삽입 / 전극에서 리튬의 추출. 기본적으로 리튬 이온 전지의 전하 캐리어 따라야 할 수있다. 이것은 배터리의 함수 리튬 중심 뷰를 제공하고, 최근 몇 연구에서 입증되었다. 11-13
NPD는 리튬 - 함유 재료 및 리튬 이온 전지를 검사 이상적인 기술이다. NPD가 중성자 빔과 샘플 사이의 상호 작용에 의존하기 때문이다. X 선 분말 회절 (XRD), 인터랙션 달리X 선 방사가 시료의 전자와 우세하므로 원자 수에 선형으로 변화들, NPD의 상호 작용은 원자 번호보다 복잡하고 랜덤 한 변동을 초래할 중성자 핵 상호 작용에 의해 매개된다. 따라서, 동일 반응계에서 NPD 인해 이러한 무거운 원소의 존재 하에서 리튬 원자 향해 NPD의 감도 등의 요인으로 리튬 이온 전지 재료의 연구에 특히 유망하다 배터리 중성자 비파괴 상호 작용하고, 고 상업용 장치에 사용되는 크기의 전체 전지 내의 전지 요소의 벌크 결정 구조의 검사를 가능 중성자의 투과 깊이. 따라서, 동일 반응계에서 NPD는 이러한 장점으로 인해 리튬 이온 전지의 연구에 특히 유용하다. 그럼에도 불구하고, 배터리 연구 커뮤니티에 의해 현장 NPD 실험에서의 흡수는 25 출판물의 죄를 차지 제한하고있다이로 인해 전해액과 세퍼레이터의 수소 대 간섭 중성자 산란 단면을 설명 할 필요성과 같은 몇 가지 주요 실험 장애물로 1998 14 한정 흡수는 배터리 연구를위한 인 시츄 NPD에 이용하는 최초의 리포트를 CE NPD 신호에 해로운 배터리,에. 또이 문제는 중수 소화 (2 H)의 전해질 용액으로 대체 및 대체 수소 무료 또는 불량한 물질과 분리기를 대체함으로써 극복된다. (15) 또 다른 장애물은 중성자 빔에 충분한 샘플을 할 필요도 종종 사용을 필요 요건이다 차례로 최대 충전 제한 두꺼운 전극 / 전지에 적용될 수 방전율. 예를 들어, 시간 및 각 해상도 - 실용적 관심은 전세계 중성자 X 선 회절 계에 대하여 회절 계 및 그 기능의 비교적 작은 숫자이다. 새로운 중성자 diffractome로TERS가 온라인하고 상기의 장애물은 수의 성장 현장 NPD 실험에서, 극복.
상업적 또는 맞춤형 세포를 사용하여 현장 NPD 실험에서 수행하는 두 가지 옵션이 있습니다. 상용 세포 그러나 상용 세포를 사용하는 것은 이미 시판에게 연구 할 수있는 전극의 수가 제한 8-11,16-20. 전극의 리튬 함량 및 분포의 전개를 포함한 구조 정보를, 공개 시연하고, 여기서 한 제조업체를 선택하거나 연구 시설은 아직 상용화되지 않은 재료로 상업 형 세포를 생산하기 위해 종사하고 있습니다. 상용 형 세포의 생산은 전형적 kg 정도의 상당히, 전지 생산에 대한 장벽이 될 수있는 전지의 연구에서 사용 된,보다 높은 전지 제조용 전극 재료의 충분한 양의 가용성에 의존한다. 상업 세포 타이pically 충전 / 방전 동안 진화하고 양 전극의 발전이 결과 회절 패턴으로 캡처됩니다 두 개의 전극을 갖추고 있습니다. 이 중성자 선 높은 관통되고 단일 리튬 이온 셀을 침투 할 수 있기 때문이다 (예를 들어, 18650 세포의 전체 볼륨). 두 전극의 진화는 복잡한 데이터 분석을 할 수 있지만, 충분한 양 전극의 브래그 반사가 발견되면 이들은 전체 분말 패턴 방법을 이용하여 모델링 될 수있다. 그럼에도 불구하고, 맞춤 제작 하프 셀은 하나의 전극은 리튬이고 구조적 충전 / 방전 도중 변경하므로 (또는 다른)을 내부 표준으로서 작용하지 않아야되는 구성 될 수있다. 이 데이터 분석을 단순화, 구조적 변화를 보여야 하나의 전극을 남긴다. 케어도 관심의 모든 전극 반사 셀의 구조적인 변화를 겪고 다른 구성 요소에서 반사와 중복되지 않도록주의해야합니다. 광고주문품 셀의 유리한 구성 요소가 회절 패턴의 반사 위치를 변경하기 위해 교환 될 수 있다는 것이다. 또한, 특별 주문품 세포 연구자에게 원칙적으로 신호 - 대 - 잡음 비율을 개선하기 위해 더 작은 규모의 연구 일괄 제작하여 재료의 큰 다양한 시츄 NPD 연구 허용되는 물질을 조사하기 위해 옵션을 허용한다.
현재까지 시츄 NPD 연구에서 6 가지 전기 화학 셀 디자인이 있었다 세 원통형 디자인 14,15,21,22 개의 코 인형 셀 설계 23-26 및 파우치 셀 설계를 포함하여보고했다. 12,27 제 원통형 전지 설계는 사용이 제한되었다 매우 낮은 충 / 인해 사용 전극 물질의 다량으로 배출 요금. 14,21 롤오버 디자인, 15 아래에 설명하고, 원래의 원통형 셀의 수정 된 버전, 22 많은 극복 할 문제 T와 관련된그 제 원통형 디자인하여 확실하게 그들의 전기 화학와 전극 재료의 구조를 상관시키기 위해 사용될 수있다. 현장 NPD는 전극 재료의 유사한 양의 수에 대한 코인 셀 설계 건축, 해당 충전 속도, 비용의 측면에서 미묘한 차이를 특징으로하면서, 롤 오버 세포에 대해 탐색 할 수 있습니다. 특히 15, 코인 셀 타입은 최근 NPD 패턴에서 신호를 생성하지 케이싱 재료 (널 매트릭스) 등의 Ti-Zn 계 합금을 이용하여 구성되어보고되었다. (26)이 후술 롤오버 디자인 바나듐 캔의 사용과 유사한 . 적용 충전 / 방전 속도 (및 편광)에 영향을 줄 수 중요한 요소는 일반적으로 두꺼운 전극이 저 전류의인가를 필요로 전극의 두께이다. 지금 더 인기를 끌고있다 셀 설계는 다수의 개별 병렬로 연결 세포, 또는 시트의 시트와 파우치 세포이다롤오버 또는 전형보다 높은 충전 / 방전 속도로 작동 할 수 모바일 전자 장치에서 발견되는 리튬 이온 전지의 구조와 유사한 방식으로 굴러들. 12,27 이는 셀이 장방형 (파우치) 세포. 본 연구에서 우리는 셀 구조, 사용을 나타내는, '전복'셀 설계에 초점, 일부 결과는 셀을 사용.
롤오버 디자인 전지용 전극 제조는 종래의 코인 셀 배터리에 사용하기위한 전극 제조에 실질적으로 유사하다. 전극은 가장 큰 차이점은 전극 35 X 120~150mm보다 큰 차원을 스팬 할 필요가 있다는 것을 함께, 닥터 블레이 딩에 의해 집 전체 상에 캐스트 될 수있다. 이것은 모든 전극 재료로 코트를 균일하게하기 어려울 수 있습니다. 집 전체에, 집 전체, 분리막, 및 리튬 금속박에 전극의 층이 배치 된 압연 및 바나듐 캔에 삽입된다. 전해질 사용d를 LiPF6를, 중수 소화 에틸렌 카보네이트 및 중수 소화 디메틸 카보네이트와 리튬 이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용되는 염 중 하나이다. 이 셀은 네 가지의 연구보고에 성공적으로 사용되었으며, 이하에서 더 상세히 설명 될 것이다. 15,28-30
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 세포 구성 요소 건설에 앞서 필수
NOTE : 바나듐 종래 NPD 실험에 사용 가능하고 일단 부에서 밀봉되고 다른 쪽이 개방되어 완전 - 바나듐 튜브이다. 바나듐에서 NPD 데이터의 신호는 거의 없다.
- 바나듐 캔의 용적과 일치하는 치수의 리튬 금속박의 조각을 잘라. 예를 들어, 9mm 직경 바나듐 수를 위해 약 120 X 35mm 조각을 잘라. 또한, 125 ㎛의 두께 이하가 찢어지지 않도록 처리하기 어려울 수 있다는 지적 중성자 흡수를 최소화하기 위해 얇은 리튬 포일을 사용한다.
- 사전 선택 분리기의 유형이 사용될 수있다. 치수는 전극보다 약간 크고 있도록 분리기의 시트, 예를 들어 140 X 40mm를 잘라.
참고 : 다공성 폴리 비닐 - 디 플루오 라이드 (PVDF) 멤브레인이 쉽게 전해질까지 젖은 있지만, 그것은 비싸고 동안 조심스럽게 다루지 않으면 쉽게 손상 및 찢어 수 있습니다건설. 대안 적으로, 시판되는 폴리에틸렌 계 시트 그러나 그들은 용이 같이 전해질을 흡수하지 않고, 일반적으로 인해 큰 수소 함량에 신호 대 노이즈 감소, 더 견고하다. - 마크에 의해 제시된 지침을 통해 정극 확인 등. (31) 즉, 선택된 비율 PVDF, 카본 블랙, 및 활성 물질을 결합한다. 탄소 : 일반적으로, PVDF의 10:10:80의 비율로 사용하여 활물질, 그러나 조사를 받고,이 재료에 따라를 조정한다. 다음 밤새 교반, 혼합 갈기 및 슬러리 형태까지 N - 메틸 피 롤리 돈 (NMP)을 적가를 추가합니다.
- 닥터 블레이드 법을 이용하여 알루미늄 박 (20 ㎛의 두께) 상 혼합물 확산.
- 표면에 에탄올을 몇 방울을 도포하고, 표면에 집 전체를 배치하여 치수 평활 표면 (예, 유리) (200)를 X 70mm의 집 전체 시트를 준수. 또한, 우리를매끄러운 표면으로부터 전류 집 전체 상에 약간의 진공을 당길 수있는 전자 기기. 슬러리를 적용하기 전에 더 주름 또는 주름이 없는지 확인하기 위해 집 전체를 부드럽게.
- 집의 한쪽 끝에서 슬러리의 치아 또는 넓은 반원 모양의 웅덩이를 놓습니다. 노치 바, 롤러 또는 특별히 설계된 코터 사용 (집전 상기 미리 정의 된 높이 노치 바, 예를 들어 100 또는 200 μm의 일반적으로 사용된다) 집 전체에 걸쳐 선택된 디바이스 밀어 집 전체 위에 상기 슬러리를 확산 및 슬러리를, 집 전체 표면 상으로의 슬러리의 확산의 결과.
- 부드럽게 매끄러운 표면으로부터 전류 집 전체를 제거하고, 집 전체를 배치하고 건조, 진공 오븐 중에 슬러리를 확산.
NOTE :. 확산 기술은 마크 등으로 더 상세히 설명 31
- 양극 처리장을 잘라단계 1.3 레드 사이즈 리튬 포일 일치되도록. 코팅되지 않은 금속 집 한쪽 끝에서 길이 약 0.5 cm의 "탭"이 있는지 확인하십시오. 배터리 성능을 개선하기 위해 평판 프레스를 사용하여 집 전체로 건조 정극 막을 누른다.
NOTE도 1은 세퍼레이터와 정극 성분의 상대적인 크기를 나타낸다. 전극 활물질의 최소 수량 300 ㎎, 그러나 더 큰 수량 (다른 전지 구성 요소에 상대적으로) 더 NPD 신호이다. 큰 신호는 더 자세한 정보는 NPD 데이터와 더 나은 시간 해상도에서 추출 할 수있다. - 중수 소화 에틸렌 카보네이트 및 중수 소화 디메틸 카보네이트의 1/1 부피 % 혼합물에 1 M 리튬 헥사 플루오로 포스페이트를 미리 준비한다. 모두의 LiPF6가 용해 및 전해질이 완전히 사용하기 전에 혼합되어 있는지 확인합니다.
- T의 집의 조각을 잘라그 단계 1.5에서 정극과 동일 치수가 집 전체 정극 무게. 합제의 질량을 얻기 위해 이러한 질량을 뺀다. 활성 물질의 질량을 수득 0.8 합제의 질량을 곱.
2. 셀 건설
- 아르곤 충진 글로브 박스 내부의 셀을 조립하기 전에, 플라스틱 트레이 또는 gloxebox의 기초에 다른 비금속 덮개를 내려 놓으십시오.
- 다음과 같은 순서로 각각의 구성 요소를 스택 : 세퍼레이터의 긴 스트립, 슬러리 양극 위로 향하도록 알루미늄로드 (또는 구리선) 일단 "탭"에 상처, 세퍼레이터의 두 번째 스트립, 그리고 마지막으로 리튬 구리 와이어 금속은 리튬 금속 (알루미늄 막대와 같은 단부)의 단부에 권취.
- 두 전극에 오지 않는 것을 보장 알루미늄로드와 구리 와이어 단부로부터 레이어 압연 시작접촉.
- 폴리에틸렌 계 시트가 구분 기호로 선택한 경우, 종종 스택의 전체 길이를 따라 리튬 금속과 양극 사이의 구분에 전해질 몇 방울을 추가합니다. 또한, 압연 과정에서 점차 방울을 추가합니다. PVDF 멤브레인을 구분 기호로 사용 된 경우이 단계가 필요하지 않습니다.
- 전극이 단단히 압연되어 있고 층이 정렬 상태를 유지하도록주의하십시오.
NOTE : 층 압연 프로세스를 다시 시작해야 할 수도 오정렬 될 경우 전해액이 추가 될 필요가있다 높은 휘발성 및 이상으로, 그러나,주의가 취해 져야한다. - 분리의 긴 조각이 완전히 스택 감싸는 있는지 확인하거나 전극이 노출되지 않도록 롤 (즉, 전극 바나듐을 만지지 마십시오).
- 바나듐에 압연 스택을 삽입 할 수 있습니다 구리 와이어 알루미늄 막대가 2-3cm 이상으로 돌출되도록바나듐 캔의 상단. 총 1.5 ml에 사용할 수있는 바나듐의 상단에 남아있는 전해질 적가를 추가합니다.
- 바나듐 캔의 상단에 알루미늄 막대와 구리 와이어의 측면에서 잘라 노치 고무 마개를 추가합니다. 상기 캔의 상단 위에과 구리선의 플라스틱 시스의 단부 주위 치과 왁스를 용융하여 상기 캔을 밀봉. 그림 2와 같이 최종 세포가 나타나는지 확인합니다.
- 12 ~ 24 시간 동안 수평으로 "나이"또는 "젖은"에 셀을 허용합니다. 앞서 사용 된 알루미늄로드와 멀티 미터의 단자에 구리 와이어를 연결하고 상기 구성된 전지의 전위를 측정함으로써, 개방 회로 전위를 테스트한다. 또한 육안 검사로 누출이 없는지 확인합니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
우리는 우리가 리튬 0.18 시니어 0.66 티 0.5 Nb를 0.5 O 3 전극과 예를 제시 여기에 문학 15,28-30이 롤오버 셀을 사용하여 기능성을 입증하고있다. (32)
순차 리트 벨트 정제 (충전 상태의 함수로서 리트 벨트 세목), 첫 번째 데이터 세트에 다상 모델의 단일 정제를 시도하기 이전에 앞서 현재 애플리케이션에 원시 세포 수집이 데이터와 함께 수행 하였다. 몇 가지 모델은 구조 매개 변수를 정확하게 정제 할 수있는 확인하기 위해 테스트되었습니다. 이상적으로, 모든 구조 파라미터 순차 정교화 동안에도 제 1 패턴을 이용하고 정제 될 것이다. 그러나, 때때로 이는 예컨대 리튬 위치 및 점유하고, 피크 오버랩에 작은 변화를 추적 특히 중요 저급 신호대, 같은 인자하는 것이 가능하지 않을 수있다. 홍보강하게 (상관 행렬에 기초하여)의 상관 관계 안정적인 모델 파라미터를 얻기 ESENT 케이스는 정제되지 않았다. 즉, 모든 양이온 원자 변위 파라미터 계외 측정으로부터 얻어진 값으로 고정시키고있다. 이러한 제한은 종종 "롤오버"- 시츄 셀 설계에 필요한왔다. 11,29,30 리 시니어 0.18 0.66 티 Nb를 0.5 0.5 O 3, 구리 및 리튬 금속의 다상 리트 벨트 정제의 최종 결과 구조는도 3에 도시된다. 얻어진 구조 데이터를 표 1에 제공된다.이 값이 가능성 낮은 χ에 비해 정제에 큰 브래그 R 값 이유 때문에 모두 메인 약한 반사의 비교적 큰 비율로 강하게 데이터의 배경에 의해 영향 및 리튬 금속 상. 배경이 매우 불규칙하기 때문에 diffi이므로숭배 정확하게 모델이 약한 반사는 정확하게 모델 어려워 질 수 있습니다.
이전에 전지 방전에 정제 결과는 순차적으로 정제 할 수있다 무엇의 기본 표시를 제공합니다. 그러나 사이클링 동안 refineable 파라미터의 진행을하면 다음 방전시 구조적 변화를 추적 할 수있는 유일한 방법은 아니다. 특정 특성의 반사 강도의 변화, 새로운 반사, 방전의 함수로서 셀 파라미터 변동의 모습은 방전시 일어나는 구조 변화에 관한 중요한 정보를 제공 할 수있다. 수집 된 각각의 회절 패턴 내의 단일 반사 순차 피팅은 LAMP (33) 및 유래 등의 프로그램으로 수행 될 수있다. 회절 패턴과 전기 동시에 데이터 수집으로 또한, 이들은 모두 시간의 함수로서 함께 플롯 될 수있다. 전기 화학적 과정 시츄 특급시 준수eriment 0.66 티 Nb를 0.5 0.5 O 3는 표 2에 제공된다 리튬 0.18 시니어 수행.도 4에서 나타낸 바와 같이 이러한 조건은, 전기 화학적 사이클링 동안 관찰 변화에 대한 기준을 제공한다.
도 4의 디스플레이의 상단에서 처음 세 개의 구성 요소는 다양한 변화 사이클링 동안 115 반사에 발생한다. 이러한 플롯에서 세포 매개 변수 및 전기 잠재적 프로파일의 변화입니다. 리튬 0.18 시니어 0.66 티 0.5 Nb를 0.5 O 3에 리튬 삽입 흥미로운 점은 1 V 위의 잠재력 것이 되돌릴 수 있다는 것입니다, 그러나 돌이킬 수없는 리튬 삽입 1 V 결과 아래 방전입니다. 1 V 위의 리튬 삽입, 0.25 몰 리 / 공식 단위는 가역적으로 정전류 조건에서 삽입 할 수 있습니다 1.7 (1) 석사 G-1에서 1257 분입니다. (32), (34) equili에서0.4 몰 리튬 / 화학식 부까지 brium 조건 (낮은 전류 밀도)는 160 시간에 삽입 될 수있다. 이 영역 내에서의 리튬의 삽입은 단위 셀 용적 연속적 리튬 0.25 몰의 삽입 다음 1.81 (9)보다 큰 %로 확대와 함께 고용체 반응을 통해 진행하는 것으로 알려져있다. 이에 비해, 중성자 셀 내의 전극의 부피는 2.5 mA의 g-1에서 870 분에서 0.61 (6) %로 확대되었다. 그러나, 5.0 mA의 충전시에 g -1 셀은 그 자체 방전이 실험 시작 전에 일어난 시사 초기 값보다 더 수축. 절대 값을 비교하면, 완전히 충전 된 재료 (아니오 리튬)의 단위 셀은 시츄 NPD 데이터로부터 3.9345 (5) Å 비교 싱크로트론 X 선 회절 데이터로부터 3.93190 (2) Å이었다. 또한, 재료는 1 V까지 방전 싱크로트론 X 선 회절 데이터로부터 3.95640 비교 예 (2) Å의 단위 셀 길이를 갖는 것으로 밝혀졌다현장 NPD 데이터의에서 3.9454 (7)에 ED. 재료가 완전히 충전도에, 1 V로 방전에 반응하지 않은 것처럼 따라서이 나타납니다. 높은인가 전류 밀도 외에, 배터리 스택 (또는 롤)에인가 저압 높은 영역 별 임피던스 결과 등 충전 및 방전이 실행 때문에 높은 편광 조기 종료 할 것이다. 후자는 이러한 셀을 구성의 주요 요인이며 시츄 중성자 회절 셀 양질 전극 롤을 얻는 것이 중요하다. 적용된 압력이 고르지 않은 경우 셀의 부분이 다른 것보다 더 빠르게 반응으로서 또한,이 두 단계의 형성을 초래할 수있다. 두 단계 동작이 발생되었음을 표시는 단지 115 반사 (도 4A 및 B)의 폭이 넓어 가역적이었다.
사이클링 동안 더 리튬 저감 115 반사의 피크 강도가 구조에 삽입리튬이 제거되면서 차 후 증가했다. 동시에, 피크 폭 (반값 폭, FWHM)은 리튬의 삽입 및 추출 동안 일정 나머지 전체 통합 피크 강도의 결과, 반대 의미에서 변한다. 같은 경향은 다른 모든 관찰과 장착 반향을 위해서 발생했습니다. 따라서, 피크 강도의 변화에 뚜렷한 구조적 구성 요소가 없었다. 피크 넓어짐이 결정의 손실 또는 입자 크기의 감소와 관련 될 수 있지만, 변화의 가역성은 다른 속도로 반응하는 여러 단계의 형성을 나타낸다. 이 단계의 분리는 강하게 두 번째 단계는 구별되기에 1 V 이하로 강화된다.
리에서 수행 예비 전기 자전거 실험 O (3) 두 번째 단계는 withi를 표시해야한다는 기대로 이어지는, 1 V 이하의 평면 잠재적 인 출력을 보여 0.5 0.18 0.66 시니어 티 0.5 Nb를N이 지역. 또한,이 두번째 단계는이 영역 내에서 비가역 리튬 삽입의 원인이 될 수 있다고 가정 하였다. 이 두 번째 단계가 가장 시각적으로 구별된다 영역은도 4에 오렌지 바가 표시된다 웜뱃 회절 장치에 의해 제공되는 각도 분해능 내에서, 두 번째 단계에 관계없이 사용되는 방전 전류 (2.5 mA의 g의 동일한 전위로 형성하는 것 같다. - (1) 제 2 방전에, 3.8 mA 세 번째 G-1). 더 리튬은 리튬 0.18 시니어 0.66 티 0.5 Nb를 0.5 O 3 구조에 삽입되기 때문에 대량으로 리튬의 확산 속도가 느려 (10 -7 -8 cm 2 ~ 10 초 -1에서). (32)은 속도처럼 나타납니다 벌크 내로 확산이 방전 과정에서 상 분리의 속도를 증가시킬 수있을만큼 감소시킨다.
반면 두 번째 perovski와 순차적 정제테 단계 인해 두 단계의 유사성과 여전히 긍정적 인 전극의 구조적인 변화에 대한 통찰력을 제공 할 수있는 (115) 반사 (그림 4C)의 지형 음모의 결과 피크의 중첩, 고려 할 수 없었습니다. 평형 시스템에서, 두 상 영역은 제 2 위상이되도록 조성의 함수 (또는 온도와 같은 임의의 다른 순서 파라미터의 함수, 등)로 표시되는 것과 동일한 속도로 사라지고 하나의 상으로 표시된다 그들의 상 분수는 항상 합계가 1. 그러나, 2 상 영역 내에 제 위상이 변하지 않는 상태에서 0.66의 Ti Nb를 0.5 0.5 O 3 새로운 위상이, 연속적으로 변화 시니어 리튬 0.18 1 V 이하로 관찰했다. 따라서, 현장에서의 실험은 충전 상태의 함수로서 양극 물질의 비평 형 거동을 조사 할 수 있었다. 두 번째 단계는 방전이 종료되기 전에 확장을 중지합니다. 이 문서의 정보는 다음의 제품에 변화를 신호 수 있습니다평형 두 단계 변환 그러나, 더 강도 변화는 관찰되지 않았다. 셀 (그림 4의 빨간색 막대로 표시된 부분)을 긴장시키고 일단 두 반사의 상대 강도의 변화가 관찰되었다. 이 시간 동안, 더 높은 2θ에서의 반사는인가 전류의 스위치가 꺼져 된 후 그 위상 평형가 발생 나타내는 낮은 2θ에서 반사 강도 상대를 잃게하기 시작합니다. 단일 상을 빠르게 두 단계 반응이 가역적임을 시사 충전시 개질 하였다. 이 예측은 아래 1 V 복수 회 토출함으로써 확인되었다. 비가역 리튬 삽입 1 V 개의 결과 사이클링 이유 때문에, 아직 불확실하다. 이 구조로 억제 된 리튬의 확산 가능성으로 인해 본질적으로 또는 배터리 스택에인가 저압의 결과로서 제 2 위상 형태 것처럼 나타난다. 이 단위 셀은 그것 오라 반환하지 않는다는 것을 주목해야한다 일부 리튬이 대량 구조 내에서 유지 암시 이후의 각 충전 ginal 크기. 1 V 아래의 셀을 껐다가 다시 켜면 편광 효과를 크게 감소 또는 제거 추가 실험이 필요합니다. 경쟁 영향력 편광없이 재료의 내부 변화 리튬 확산 및 1 V 이하의 구조 변화의 영향을 결정할 수있다.
그림 1. 시츄 셀로부터 추출 다음 폴리에틸렌 계 분리막의 스트립에 정극 성분의 사진 이미지가 두 전극 사이의 접촉을 방지하기 위해 요구되는 양극과 세퍼레이터의 상대적인 크기를 보여준다. 또한 사진에서 외부 회로에 연결을 활성화 구리 와이어가 포함되어 있습니다.
그림 2 : (A) :.. ANSTO에서 웜뱃 빔라인에 현장에서 NPD 셀의 사진 결과 레이어를 보여주는 현장에서 세포 빌드 (B) 도식, "롤 오버"설계 를 하시려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전을 확인합니다.
도 3 :. 리튬 0.18 시니어 0.66 티 0.5 Nb를 0.5 O 3 (LSTN), 구리, 리튬 상부 곡선 데이터에 장착 모델에 대응하는 (흑색 십자가 함유 다상 정제를 사용하여 모델링 구성 셀의 시츄 NPD 패턴 ) 및 하부 곡선에 해당 디그들 사이 fference. 반사 마커는 수직 막대로 표시됩니다. 중성자의 파장 (λ), 적합도 (χ 2), 브래그-R 인자 (R B는) 삽입이 제공됩니다.
도 4는 :.이 반사이었던 것에 AC 구체적 리튬 0.18 시니어 0.66 티 0.5 Nb를 0.5 O 3 (LSTN) (115) 반사에 관한 사이클링 동안 그 형상의 진화를 보여주는 플롯 이들 파라미터의 정확도는 두 상 영역에서 감소 단일 의사 - 보이트 함수로 모델링. 플롯 D는 동시에 수집 하였다 전지 전위를 도시 방전 플롯 E의 함수로서 격자 파라미터의 변화를 나타낸다. 방전 사이클도 2 상 영역의 발병과 연관되는, 1 V 미만 찍은 곳 오렌지 바 영역을 강조. 빨간색바는 세포가 휴식을 취 하였다 지역 및 평형의 잠재력을 강조한다.
그림 5 : (A)는 스케일 강도가 된 LiFePO4와 FePO 4 (221) 및 (202) 강조와 현장 NPD 데이터 (위)에서의 지역 2θ 선정 된 LiFePO4 / FePO 4 음극의 리트 벨트 파생 격자 매개 변수와 무게 분율을 보여줍니다 반사 및 전류 (빨간색). 음영 영역은 고용체 및 2 단계 반응의 공존을 나타낸다. 이 그림은 사회 (134), 7867-7873 미국 화학 저널에서 허가 재판되고, 저작권 2012 미국 화학 학회. (B)는 uncycled 세포 (적색)의 현장 NDP의 데이터를 표시하는 경우, 리튬에 대한 계산 모델 ( 공동 0.16 Mn은 1.84) O 4 CAthode 검은 실선으로, 데이터와 하단에 보라색 라인으로 모델 계산과 수직선 사이의 차이점은 모델링 단계에 대한 반사 마커를 나타냅니다. 이 그림은 물리 화학 C 115, 21473-21480, 저작권 2011 미국 화학 학회의 저널에서 허가 재판한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 전체 셀 사전 방전, 오후 3m, = 3.9368 (5) | ||||||
| = 1.51 χ 2, R B = 14.96 % | ||||||
| 사이트 | 엑스 | Y | Z | 점유 | U 이소 (2) | |
| SR | (1B) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.66 | 0.0079 |
| 티 | (1A) | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0.0098 |
| NB | (1A) | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0.0098 | 3D | 0.5 | 0 | 0 | 1 | 0.006 (2) |
표 1 : 리튬 0.18 현장 셀의 이전에 시니어 0.66 티 0.5 Nb를 0.5 O 3의 세련된 격자 매개 변수, 공간 그룹, 위치 매개 변수와 드 바이 - 월러 요인 배출합니다.
| 단계 | 현재 | 가능성 |
| (mA의 G-1) | (V) | |
| 1 | -2.5 | 1 |
| 2 | 5.0 | 2 |
| 3 | -2.5 | 0.93 |
| 4 | 5.0 | 1.73 |
| (5) | (12) | 1.82 |
| (6) | -3.8 | 0.38 |
| (7) | 나머지 (300 분) | |
| 8 | 7.5 | 2 |
| 9 | -3.8 | 1.04 |
표 2 : 전기 절차 시니어 0.66 티 Nb를 0.5 0.5 O 3 리 0.18 수행 시츄 동안 실험 하였다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
설계 및 동일계에서 실험을 수행 할 때 어느 하나와 "롤오버"중성자 회절 세포 또는 다른 설계 신중 성공적인 실험을 위해 제어되어야한다 양태 수가있다. 이들은 준비된 전극 최종 구성된 셀이 높은 품질의 보장 적절한 회절 조건을 선택하는, 전기 화학적 사이클링 공정 계획을 미리 수행 될, 마지막 어떤 결과 데이터를 이해 유형 및 세포 성분의 양은 신중 선택을 포함 그리고 재료가 연구되고 약을 말할 수 있습니다.
세포 성분의 선택은 생성 된 회절 패턴이 정확하게 모델링 될 수 있다는 것을 보장하는 데 중요하다. 특히, 본 상이한 위상의 수를 최소화하는 것은 다중 위상 모델의 복잡성을 감소시킬 것이다. 예를 들어, 여기에 예를 긍정적 electrod에 사용 된 바인더전자 혼합물 PVDF이었고 세퍼레이터 폴리에틸렌이었다. 사용 된 세퍼레이터 PVDF 막 인 경우에는, 전지의 구성 요소들의 총 수는 분석을 단순화 줄일 수 있었다. 또한, PVDF는 배경 기여를 감소 셀에서 수소의 총량을 감소시킬 것이다. 셀에서 물질을 함유하는 수소의 양을 감소시키는 것은 매우 비용이 중수 소화 된 전해질이 시츄 NPD에 채용되는 이유이다. 또 다른 대안은 양극 합제의 바인더 및 수소가없는 재료 (예 : 폴리 테트라 플루오로 에틸렌)와 세퍼레이터를 모두 대체하는 것이다. 그러나, 세퍼레이터의 재료에 따라, 전해액의 큰 부피를 빠르게 전지의 비용을 증가 요구 될 수있다. 예를 들어, 수소없는 유리 섬유 세퍼레이터, 얇은 PVDF 멤브레인 또는 때문에 비교적 큰 볼륨의 폴리에틸렌 계 시트보다 훨씬 더 전해질을 필요로한다. 유리 섬유 세퍼레이터S는 롤 매우 어렵다.
고품질의 전극을 제조 할 수있는 능력은 활성 물질의 다량 빠른 사이클이 수행 될 수있게하고 합제는 압연 공정 동안 집에서 분리되지 않는 것을 보장 빔에 있는지 확인하는 것이 필수적이다. 전극 필름을 제조하는 첫 단계에서, 양극 혼합물 슬러리를 형성 NMP에 첨가한다. 이 슬러리의 농도는 혼합물을 전극에 NMP의 질량비를 통해 제어된다. 적절한 농도의 슬러리를 얻는 것은 고품질 전극 막, 안정적이고 시츄 NPD에 충분히 큰 양, 특히 필름의 제조에 필수적이다. NMP의 량은 전극 활성 물질의 형태 및 입자 크기에 의존해야하지만, 정확한 일관성을 달성하는 많은 시험을 필요로 할 수있다. 다행히,이 단계는 볼 밀링 NM을 따라 크게 단순화 될 수있다P 전극 슬러리. 이 경우에 혼합 분말을 전극에 NMP의 비는 덜 중요 해지고 고품질 막을 용이 한 볼 - 분쇄 된 슬러리가 바로 필름으로 확산되는 바와 같이 제조 될 수있다. 독자는이 보고서에서 전극 전에 강조 사용할 가압의 중요성을 고품질 필름. (31)를 제조하는 이전에보고 된 추천 절차를 확인하도록 권장된다. 전극 전체에 균일 한 압력을 적용 시츄 NPD에서 필요한 긴 전극의 경우, 최선 롤링 프레스를 사용하여 달성된다. 롤링 프레스를 사용할 수없는 경우, 평판 프레스를 사용할 수 있습니다. 마지막으로, 현장 셀 디자인의 "롤오버는"건설 중에 추가 변경없이 양면 양극과 호환됩니다. 양면 전극을 사용하여 효과적으로 높은 선도, 다른 전지 구성 요소에 활성 물질의 상대적인 양을 두 배로품질 회절 패턴.
발생 일반적인 어려움 구성된 셀에 전체 전지 롤에인가 좋은 압력을 얻는 것이다. 위의 리튬 0.18 시니어 0.66 티 0.5 Nb를 0.5 O 3 결과, 또는 작동하지 않는 셀과 같이이 셀을 통해 가난한 또는 불 균질 이온 확산 될 수 있습니다. 손으로 셀을 권선 할 때 스택에 걸쳐 좋은 압력을 얻는 것은 특히 어렵다. 이 과정은 글러브 박스 내에서 손재주를 포함하고 일관된 결과를 가져올 수 없습니다. 요구되는 샘플의 양이 증가 할 수 있지만, 이러한 어려움은 권선기 자동 셀을 사용하여 극복 될 수있다. 마지막으로, 셀의 모든 세포 성분의 총 질량은 전체 중성자 흡수를 계산하기 위해 기록되어야한다. 이러한 원자 변위 매개 변수로 적절한 흡수 보정 구조 매개 변수 (ADPs)하지 않고, 비현실적인로 정제 할 수있다값. 일반적으로는 측정 NPD 실험에 적절한 흡수 보정을 적용하는 것이 좋습니다.
현장 NPD 실험 몇 가지 실험 조건에서 시작하기 전에 고려하고 설정해야합니다. 예를 들어, 결과 각도 분해능을 조사 재료에 적합해야합니다. 전극 결정 구조가 채택되면 낮은 대칭성 공간 그룹 반사 동일한 위상에서 반사 또는 셀에 존재하는 다른 상과 중첩으로 인해 해결 될 수 없다. 특정 반사에게 샘플에 충돌 중성자의 파장을 해결하기 위해 조정해야 할 수도 있습니다, 예를 들어 긴 파장은 2에서 반사를 분리 할 수 있습니다 불행하게도,이 프로브 Q-공간 범위를 줄일 수 있습니다. 이것은 잠재적으로 리튬 0.18 시니어 0.66 이상보고 티 0.5 Nb를 0.5 O 3 결과에 대한 문제였다. 이 경우 작은 개발 -spacings와 평면에서 반사는 이전에 작업 한교활한 리튬 주문의 정보를 제공하기로 결정하고, 따라서 짧은 파장 선택 하였다. 그러나이 역시 곤란 인해 제 2상의 모양으로 피크 분리를 해결했다.
중성자 회절 실험적인 파라미터들의 적절한 세트를 선택할뿐만 아니라, 전기 화학적 사이클링 조건은 미리 결정되어야하고 실험 기간 동안 극적으로 변화하지. 셀 동안이 물질이 세포가 분리되면 이후에 휴식을 취할 수 준 안정 상태로 존재 가능성이 순환. 이 조사되는 물질의 특정 속성의 경우, 문제가 안된다 그러나, 실험의 목적은 충전 동안 일부 구조 파라미터의 변화율을 조사하거나 다음 중단 방전 이후의 구조적하는 경우 이완은 결과에 영향을 미칠 수있다. 또한,도 중단을 회피하는 것은 그 자체 생성을 간소화모든 휴식 정제를 다시 시작해야 할 필요성을 피함으로써 정제를 미미한. 또한 것을 권장 실험자 각 충 방전 사이클의 끝에서 긴 데이터 수집이 적절한 평형 전기 화학 공정으로 권장 방전의 여러 단계에서 리튬 위치 및 점유를 결정하기 위해 목표로하는 경우. 긴 데이터 수집 충분한 신호대 관찰 사이클링 동안 어떻게 리튬 변경 기준으로서의 이외에 리튬 모델링의 기회를 향상시키기가있을 것을 보장 할 수있다.
데이터가 수집 된 후, 일단 실험의 목적하는 결과에 따라 사용될 수있는 분석 방법의 수있다. 이 (예 : 고정 원자 좌표, 점유, 또는 ADPs 등) 여러 가지 제약 정제 또는 modeli 하나보다 수행하기 어려운 있지만 일반적으로 분석의 가장 좋은 형태는 몇 가지 제약 리트 벨트 정제이며,하나의 반사의 변화 겨. 때때로 더 간단한 분석으로부터 얻어지는 정보는 모든 그 반응계 실험에서 원하는, 그래서 더 복잡한 제약되지 리트 벨트 정제를 수행하는 것이 불필요하다이다.
정확하게 순차적 리트 벨트 정제 중에 방출하기 전에 오랜 기간 동안 수집 한 데이터 집합을 사용하여 초기 정제를 모델링 할 수 있습니다 무엇을 가장 잘 판단하는 것이 필요하다. 시니어 리 0.18 대한 경우와 마찬가지로 0.66 특정 파라미터 정확하게 초기 정교화 결정될 수없는 경우의 Ti Nb를 0.5 0.5 O 3, 그들이 정확히 순차 정교화 동안에 결정될 것 같지는 않다. 그러나, 성공적인 순차적 리트 벨트 정제를 수행 할 수있는 것은 시츄 NPD 시험에서의 가장 바람직한 결과 중 하나이다. 모델 회절 패턴 내의 모든 점에 대해 정제 된 바와 같이, 고도로 ACC전기 화학적 사이클링 동안의 모든 단계에 대한 평균 구조 변화의 요산 정보를 추출하고 직접 전위 프로파일에 상관 될 수있다. 신속한 데이터 수집 사이클 동안 배터리 구조 변화의 속도를 수행 된 경우뿐만 아니라, 조사 및 리튬 삽입 반응 속도가 결정될 수있다. 이러한 원자 좌표, 점유하고 ADPs을 정착 적은 제약으로 안정한 정제를 얻는 것은 큰 차원 - 공간 영역으로 좋은 신호대, 높은 각도 분해능, 및 액세스 고품질의 데이터를 필요로한다. 필요한 특정 데이터 품질 재료가 연구되고에 부분적으로 의존한다. 예를 들어, 더 복잡한 구조의 피크 분리를 관찰하기 위해 약한 반사 및 높은 해상도를 볼 높은 신호대 잡음비를 필요로한다. 특정 매개 변수가 아칸소 Nb를 0.5 O 3, 시니어 0.66 티 0.5 리튬 0.18에 대한 사건이었다 따라서, 때때로 제약이 필요할 수 있습니다전자는 정제하는 동안 일정하게 유지. 또한,주의 항상 결과 모델 화학적 합리적 않도록주의해야한다. 이는 예컨대 R B로서 적합 품질의 통계적 측정을 (정제 된 매개 변수, 물리적 합리적이라고 확인, 체계적인 차이가 없다는 것을 보장하기 위해 데이터 모델의 시각적 맞는 검사뿐만 아니라 모니터링함으로써 수행 될 수있다 또는 χ 2). 몇몇 전기주기 사이 파라미터 재현성 경향 관찰 특정 관찰에 더 많은 무게를 추가 할 수있다.
배터리 사이클링시 특성 반사에 발생하는 변화는 모델링 될 수 있고, 데이터를 이용하여 리트 벨트 정제를 수행하는 이외에.이 반사 어느 리튬 순서 또는 변화에 의해 영향을하는 미리 알려진 경우 8,18,19이 특히 유용 호스트 구조. 이러한 특성 반사에 대한 변경 사항은 고전이 될 수 있습니다구조 속성 관계의 이해를 구축하는 전기 화학적 전위 프로파일의 변화에 관련된. 특정 반사 위치의 변화 또는 통합 강도는 LAMP 33 오리진과 같은 프로그램을 이용하여 모델링 될 수있다. 마지막으로, 새로운상의 형성을 나타내는 반사 특성 외관은 전기 화학적 사이클링시 준수 할 수있다. 원위치 관찰 다른 변화와 유사 8,16,35,36 그들의 외관 및 ID 관측 전기 화학적 특성에 링크 될 수있다. 독자는보고에 의해 현장 X 선에 기반을 둔 연구에 대한 문서를 참고하라 Doeff 등. (37) 참조
데이터가 전기 자전거 동안 지속적으로 수집하는 경우에 상관없이 분석의 어떤 형태가 수행되지 않습니다, 현장 회절에 고유 한 정보를 얻을 수 있습니다. 준 안정 단계 및 비 equili의 형성에 관한 특정 정보에전체 셀로부터 brium 프로세스가 추출 될 수있다. 시츄 NPD 세포에서 사용 충전 / 방전의 함수로서 연구 예 음극 재료 11,28,29 결과를도 5에 도시되어있다.도 5a는 시츄 NPD에서의 선택된 영역을 도시 패턴, 전압 프로필, 중량 분획하고 활성 캐소드 물질의 격자 파라미터는, LiFePO4를하고 FePO 4. (25)는도 5B는 구성 부품의 모델과 시츄 NPD 데이터 세트를 사용하여 전형적인 다상 정제를 나타내지 만. 26
시츄 NPD에서는 리튬, 리튬 이온 배터리의 전하 캐리어에 민감 도구이다. 따라서, 배터리 동작 동안 전극의 함수로 얻은 리튬 성 통찰이있다. 충전 프로세스 전극 크리스탈 구조 / 계약 / 양식 새로운 위상 확장 방법에 관련 될 수 있고, 방법의 리튬 삽입 / 전 행이들 전극의 책자. 시츄 NPD에서 하나, 둘, 또는 그 이상의 결정 부위를 통해, 리튬 전극 내로 추출 / 삽입되는 방법을 발견 할 수 있으며, 이는 직접적으로 전체 전지를 충전 / 방전의 용이성에 영향을 미친다. 결정하고 방법과 리튬이 삽입되는 위치 / 우리는이 기술을 활용할 수있는 새로운 물질을 설계 할 수 있습니다 추출 하였다. 예를 들어, 리튬 큰 공극 물질에 존재하는 높은 용량의 전지로 이어지는보다 리튬이 삽입 될 수 있도록 설계 될 수있다. 또한, 리튬이 삽입 중에 차지하는 결정 학적 부위의 지식 / 추출 리튬 큰 '터널'다시 잠재적 특히 방전의 더 높은 속도로 더 많은 리튬을 가역적으로 추출 / 삽입 될 수 있도록 함께 물질의 개발을 지향하는데 사용될 수있다 / 충전. 비록 이들 예들은 NPD가 미래 번째 전극에 대한 귀중한 정보를 제공 할 수있다 반응계에서, 삽입 전극에 기초에서 전환 반응을 겪는다. 따라서, 동일 반응계에서 NPD의 전극 차세대 디자인하는 데 사용할 수있는 전극 기능에 중요한 정보를 제공한다.
현장 NPD 연구에서 미래의 낮은 대칭 공간 그룹 및 / 또는 더 복잡한 리튬 분포를 나타내고, 더 복잡한 시스템을 해결합니다. 또한 이러한 연구는 다른 적용을위한 새로운 물질을 개발하는 데 사용할 수 - 왜 전지용 전극을 사용합니까? 우리는 리튬의 공지 된 양을 추출 / 삽입, 출발 물질로 전극을 사용할 수있다 (계내 NPD에 의해 제공된 정보), 전극을 추출하여 다른 물리적 특성을 이용하는 등 다른 애플리케이션을 사용. 또한, 전기 화학 전지는 분화 세포, 리튬 - 공기 전지, 연료 전지에서 발생하는 프로세스에 대한 구조 정보를 프로빙 시츄 NPD에 허용이 개발 될 수있다. 현장에서 수행 반응
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Slurry Preparation | |||
| PVDF | MTI Corporation | EQ-Lib-PVDF | http://www.mtixtl.com/PVDFbinderforLi-ionbatteryelectrodes80g/bag-EQ-Lib-PVDF.aspx |
| Active Electrode Material | Researcher makes* | This is dependent on the electrode under investigation, typically made in-house by the researcher and varies every time | |
| Carbon black | MTI Corporation | EQ-Lib-SuperC65 | http://www.mtixtl.com/TimicalSUPERC65forLithium-IonBatteries80g/bag-EQ-Lib-SuperC65.aspx |
| NMP | MTI Corporation | EQ-Lib-NMP | http://www.mtixtl.com/N-Methyl-2-pyrrolidoneNMPsolventforPVDF 250g/bottleLib-NMP.aspx |
| Magnetic stirrer | IKA | C-MAG HS 7 IKAMAG | http://www.ika.in/owa/ika/catalog.product_detail?iProduct=3581200 |
| Electrode Fabrication | |||
| Doctor blade (notch bar) | DPM Solutions Inc. | 100, 200, 300 & 400 micron 4-Sided Notch Bar | |
| Al or Cu current collectors | MTI Corporation | EQ-bcaf-15u-280 | http://www.mtixtl.com/AluminumFoilforBatteryCathodeSub strate-EQ-bcaf-15u-280.aspx |
| Vacuum Oven | Binder | e.g. VD 53 | http://www.binder-world.com/en/vacuum-drying-oven/vd-series/vd-53/ |
| Flat-plate press | MTI Corporation | EQ-HP-88V-LD | http://www.mtixtl.com/25THydraulicFlat HotPress-EQ-HP-88V.aspx |
| Roll-over cell construction | |||
| V can | |||
| electrode on Al/Cu | MTI Corporation | EQ-bcaf-15u-280 | http://www.mtixtl.com/AluminumFoilforBatteryCathodeSub strate-EQ-bcaf-15u-280.aspx |
| polyethylene-based or PVDF membrane | MTI Corporation | EQ-bsf-0025-400C | http://www.mtixtl.com/separatorfilm-EQ-bsf-0025-400C.aspx |
| LiPF6 | Sigma-Aldrich | 450227 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/450227?lang=en®ion=AU |
| deuterated dimethyl carbonate | Cambridge Isotopes | DLM-3903-PK | http://shop.isotope.com/productdetails.aspx?id=10032379&itemno=DLM-3903-PK |
| deuterated ethylene carboante | CDN Isotopes | D-5489 | https://www.cdnisotopes.com/as/products/specifications/D-5489.php?ei=YWVraWmjoJ1i0lZ7nkr0RpwHr Hxc9ornu14O4WUtZKbZWZrcq6j55 G0lOab3Wi0dMZ7xc+0Yse1leWVtZ LnrGKvta7v591o4JrnkbRowHt/r |
| Li metal foil | MTI Corporation | Lib-LiF-30M | http://www.mtixtl.com/Li-Foil-30,000 ml-35 mmW-0.17 mm Th.aspx |
| Rubber stopper cut to size | generic eraser | cut a generic eraser to size | |
| dental wax | Ainsworth Dental | AIW042 | http://www.ainsworthdental.com.au/catalogue/Ainsworth-Modelling-Wax-500g.html |
| Copper wire (insulated) | generic | sheathed Cu wire that can be cut to size | |
| Aluminum rod (<2 mm diameter) | generic | cut to size as required | |
| Glovebox | Mbraun | UNILab | http://www.mbraun.com/products/glovebox-workstations/unilab-glovebox/ |
| Scissors | generic | ||
| Soldering iron | generic | ||
| In situ NPD | |||
| Appropriate neutron diffractometer | ANSTO | Wombat | http://www.ansto.gov.au/ResearchHub/Bragg/Facilities/Instruments/Wombat/ |
| Potentiostat/galvanostat | Autolab | PGSTAT302N | http://www.ecochemie.nl/Products/Echem/NSeriesFolder/PGSTAT302N |
| Connections to battery from potentiostat/galvanostat | generic | ||
| Training of NPD instrument and use | |||
| Data analysis | |||
| Data visualisation and peak fitting, .e.g. LAMP suite | ILL | LAMP | http://www.ill.eu/instruments-support/computing-for-science/cs-software/all-software/lamp/ |
| Rietveld analysis software, e.g. GSAS | APS | GSAS | https://subversion.xray.aps.anl.gov/trac/EXPGUI |
References
- Winter, M., Besenhard, J. O., Spahr, M. E., Novak, P. Insertion electrode materials for rechargeable lithium batteries. Adv. Mater. (Weinheim, Ger.). 10, 725-763 (1998).
- Wakihara, M. Recent developments in lithium ion batteries). Mater. Sci. Eng., R. 33, 109-134 (2001).
- Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chem. Mater. 22, 587-603 (2010).
- Palomares, V., et al. Na-ion batteries, recent advances and present challenges to become low cost energy storage systems. Energy Environ. Sci. 5, 5884-5901 (2012).
- Masquelier, C., Croguennec, L. Polyanionic (phosphates, silicates, sulfates) frameworks as electrode materials for rechargeable Li (or Na) batteries. Chem. Rev. (Washington, DC, U. S.). 113, 6552-6591 (2013).
- Reddy, M. V., Subba Rao, G. V., Chowdari, B. V. R. Metal Oxides and Oxysalts as Anode Materials for Li Ion Batteries. Chem. Rev. (Washington, DC, U. S.). 113, 5364-5457 (2013).
- Goodenough, J. B., Kim, Y.
- Sharma, N., Peterson, V. K. Overcharging a lithium-ion battery: Effect on the LixC6 negative electrode determined by in situ neutron diffraction. J. Power Sources. 244, 695-701 (2013).
- Sharma, N., et al. Structural changes in a commercial lithium-ion battery during electrochemical cycling: An in situ neutron diffraction study. J. Power Sources. 195, 8258-8266 (2010).
- Senyshyn, A., Muehlbauer, M. J., Nikolowski, K., Pirling, T., Ehrenberg, H. In-operando' neutron scattering studies on Li-ion batteries. J. Power Sources. 203, 126-129 (2012).
- Sharma, N., Yu, D., Zhu, Y., Wu, Y., Peterson, V. K. Non-equilibrium Structural Evolution of the Lithium-Rich Li1+yMn2O4 Cathode within a Battery. Chemistry of Materials. 25, 754-760 (2013).
- Pang, W. K., Sharma, N., Peterson, V. K., Shiu, J. J., Wu, S. H. In-situ neutron diffraction study of the simultaneous structural evolution of a LiNi0.5Mn1.5O4 cathode and a Li4Ti5O12 anode in a LiNi0.5Mn1.5O4 parallel to Li4Ti5O12 full cell. Journal of Power Sources. 246, 464-472 (2014).
- Pang, W. K., Peterson, V. K., Sharma, N., Shiu, J. -J., Wu, S. -h Lithium Migration in Li4Ti5O12 Studied Using in Situ Neutron Powder. 26, 2318-2326 (2014).
- Bergstom, O., Andersson, A. M., Edstrom, K., Gustafsson, T. A neutron diffraction cell for studying lithium-insertion processes in electrode materials. J. Appl. Crystallogr. 31, 823-825 (1998).
- Sharma, N., Du, G. D., Studer, A. J., Guo, Z. P., Peterson, V. K. In-situ neutron diffraction study of the MoS2 anode using a custom-built Li-ion battery. Solid State Ion. 199, 37-43 (2011).
- Sharma, N., Peterson, V. K. Current-dependent electrode lattice fluctuations and anode phase evolution in a lithium-ion battery investigated by in situ neutron diffraction. Electrochim. Acta. 101, 79-85 (2013).
- Dolotko, O., Senyshyn, A., Muhlbauer, M. J., Nikolowski, K., Ehrenberg, H. Understanding structural changes in NMC Li-ion cells by in situ neutron diffraction. Journal of Power Sources. 255, 197-203 (2014).
- Rodriguez, M. A., Ingersoll, D., Vogel, S. C., Williams, D. J. Simultaneous In Situ Neutron Diffraction Studies of the Anode and Cathode in a Lithium-Ion Cell. Electrochem. Solid-State Lett. 7, (2004).
- Wang, X. -L., et al. Visualizing the chemistry and structure dynamics in lithium-ion batteries by in-situ neutron diffraction. Sci. Rep. 2, 00747 (2012).
- Rodriguez, M. A., Van Benthem, M. H., Ingersoll, D., Vogel, S. C., Reiche, H. M. In situ analysis of LiFePO4 batteries: Signal extraction by multivariate analysis. Powder Diffr. 25, 143-148 (2010).
- Berg, H., Rundlov, H., Thomas, J. O. The LiMn2O4 to lambda-MnO2 phase transition studied by in situ neutron diffraction. Solid State Ion. 144, 65-69 (2001).
- Roberts, M., et al. Design of a new lithium ion battery test cell for in-situ neutron diffraction measurements. Journal of Power Sources. 226, 249-255 (2013).
- Rosciano, F., Holzapfel, M., Scheifele, W., Novak, P. A novel electrochemical cell for in situ neutron diffraction studies of electrode materials for lithium-ion batteries. J. Appl. Crystallogr. 41, 690-694 (2008).
- Godbole, V. A., et al. Circular in situ neutron powder diffraction cell for study of reaction mechanism in electrode materials for Li-ion batteries. RSC Adv. 3, 757-763 (2013).
- Colin, J. -F., Godbole, V., Novak, P. In situ neutron diffraction study of Li insertion in Li4Ti5O12. Electrochem. Commun. 12, 804-807 (2010).
- Bianchini, M., et al. A New Null Matrix Electrochemical Cell for Rietveld Refinements of In-Situ or Operando Neutron Powder Diffraction Data. Journal of the Electrochemical Society. 160, 2176-2183 (2013).
- Liu, H. D., Fell, C. R., An, K., Cai, L., Meng, Y. S.
- Sharma, N., et al. Direct Evidence of Concurrent Solid-Solution and Two-Phase Reactions and the Nonequilibrium Structural Evolution of LiFePO4). J. Am. Chem. Soc. 134, 7867-7873 (2012).
- Sharma, N., et al. Time-Dependent in-Situ Neutron Diffraction Investigation of a Li(Co0.16Mn1.84)O4 Cathode. J. Phys. Chem. C. 115, 21473-21480 (2011).
- Du, G., et al. Br-Doped Li4Ti5O12 and Composite TiO2 Anodes for Li-ion Batteries: Synchrotron X-Ray and in situ Neutron Diffraction Studies. Adv. Funct. Mater. 21, 3990-3997 (2011).
- Marks, T., Trussler, S., Smith, A. J., Xiong, D., Dahn, J. R. A Guide to Li-Ion Coin-Cell Electrode Making for Academic Researchers. J. Electrochem. Soc. 158, 51-57 (2010).
- Brant, W. R., et al. Rapid Lithium Insertion and Location of Mobile Lithium in the Defect Perovskite Li0.18Sr0.66Ti0.5Nb0.5O3. ChemPhysChem. 13, 2293-2296 (2012).
- Richard, D., Ferrand, M., Kearley, G. J. Analysis and Visualisation of Neutron-Scattering Data. J. Neutron Research. 4, 33-39 (1996).
- Brant, W. R., Schmid, S., Du, G., Gu, Q., Sharma, N. A simple electrochemical cell for in-situ fundamental structural analysis using synchrotron X-ray powder diffraction. Journal of Power Sources. 244, 109-114 (2013).
- Hu, C. -W., et al. Real-time investigation of the structural evolution of electrodes in a commercial lithium-ion battery containing a V-added LiFePO4 cathode using in-situ neutron powder diffraction. J. Power Sources. 244, 158-163 (2013).
- Cai, L., An, K., Feng, Z., Liang, C., Harris, S. J. In-situ observation of inhomogeneous degradation in large format Li-ion cells by neutron diffraction. J. Power Sources. 236, 163-168 (2013).
- Doeff, M. M., et al. Characterization of electrode materials for lithium ion and sodium ion batteries using synchrotron radiation techniques. J. Visualized Exp. , 50591-50594 (2013).
