مقالة منهجية

توصيف مواد الكهربائي للبطاريات ليثيوم ايون وايون الصوديوم عن طريق تقنيات الإشعاع السنكروترون

DOI:

10.3791/50594

⸱

نوفمبر 11, 2013

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Environmental Energy Technologies Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Department of Chemistry, University of Illinois at Chicago, 3Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, 4Haldor Topsøe A/S, 5PolyPlus Battery Company

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وصفنا استخدام السنكروتروني الأشعة السينية طيف الامتصاص (XAS) وحيود الأشعة السينية (XRD) تقنيات لبحث تفاصيل العمليات إقحام / deintercalation في المواد الكهربائي ليثيوم أيون وبطاريات أيون الصوديوم. كل من في الموقع، وتستخدم التجارب خارج الموقع لفهم السلوك الهيكلية المناسبة لتشغيل الأجهزة

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

مركبات إقحام مثل أكاسيد المعادن أو الفوسفات الانتقالية هي المواد الكهربائي الأكثر استخداما في ليثيوم أيون والبطاريات نا ايون. خلال الإدراج أو إزالة ايونات المعادن القلوية، والدول الأكسدة من الفلزات الإنتقالية في المركبات تغيير والتحولات الهيكلية مثل مرحلة التحولات و / أو الزيادات المعلمة شعرية أو النقصان يحدث. هذه السلوكيات بدورها تحديد الخصائص المهمة للبطاريات مثل التشكيلات المحتملة، وقدرات المعدل، وحياة دورة. والأشعة السينية مشرق للغاية والانضباطي التي تنتجها الإشعاع السنكروتروني تسمح اقتناء السريع للبيانات عالية الدقة التي توفر معلومات حول هذه العمليات. التحولات في المواد السائبة، مثل التحولات المرحلة، يمكن ملاحظتها مباشرة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، في حين امتصاص الأشعة السينية الطيفي (XAS) يعطي معلومات عن الهياكل الالكترونية والهندسية المحلية (مثل التغيرات في الدول الأكسدة والسندات لengths). وفي التجارب التي أجريت على الموضع الخلايا العاملة هي مفيدة بشكل خاص لأنها تسمح علاقة مباشرة بين الخصائص الكهروكيميائية والهيكلية للمواد. هذه التجارب هي مضيعة للوقت ويمكن أن يكون تحديا لتصميم ويرجع ذلك إلى تفاعل والهواء حساسية الأنودات الفلزات القلوية المستخدمة في تكوينات نصف الخلية، و / أو إمكانية تدخل إشارة من مكونات الخلية الأخرى والأجهزة. لهذه الأسباب، فمن المناسب لإجراء التجارب خارج الموقع (على سبيل المثال على أقطاب تحصد من الخلايا مشحونة جزئيا أو تدوير) في بعض الحالات. هنا، نقدم بروتوكولات وإجراءات تفصيلية لإعداد كل من خارج الموقع وخارج الموقع في عينات لإجراء التجارب التي تنطوي على الإشعاع السنكروتروني وشرح كيفية تتم هذه التجارب.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

بطاريات الليثيوم أيون للمنتجات الالكترونية الاستهلاكية الأمر في الوقت الحاضر سوقا 11000000000 $ في جميع أنحاء العالم ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) وهي اختيار رئيس الوزراء للتطبيقات المركبات الناشئة مثل المكونات في السيارات الهجين الكهربائية توصل بالكهرباء (PHEVs) والسيارات الكهربائية (المركبات الكهربائية). النظير لهذه الأجهزة التي تستخدم أيونات الصوديوم بدلا من الليثيوم هي في المراحل الأولى من التنمية، ولكنها تعتبر جذابة لتخزين الطاقة على نطاق واسع (أي تطبيقات الشبكة) على أساس التكلفة والحجج الأمنية العرض 1 و 2. كلا النظامين إقحام مزدوجة تعمل على نفس المبدأ؛ المكوك ايونات المعادن القلوية بين قطبين بوصفها هياكل المضيفة، التي تخضع لعمليات الإدراج في إمكانيات مختلفة. الخلايا الكهروكيميائية أنفسهم يختلطatively بسيطة، تتكون من أقطاب الإيجابية والسلبية على مركب جامعي الحالي، مفصولة غشاء مسامي مشبع حلا كهربائيا عادة ما تتكون من الملح المذاب في مزيج من المذيبات العضوية (الشكل 1). الجرافيت وLiCoO 2 هي الأكثر شيوعا المستخدمة الأقطاب السالبة والموجبة، على التوالي، لبطاريات أيون الليثيوم. كما تم تطوير العديد من المواد البديلة الكهربائي لتطبيقات محددة، بما في ذلك المتغيرات من يمون 2 O 4 الإسبنيل، LiFePO 4 مع هيكل الزبرجد الزيتوني، والوطنية (NMCs) (ليني س س المنغنيز التعاون 1-2X O 2 مركبات) للايجابيات، والكربون الصلب، لى 4 5 O تي 12، وسبائك الليثيوم مع القصدير لمدة 3 السلبيات. مواد عالية الجهد مثل ليني 0.5 المنغنيز 1.5 O 4، والمواد الجديدة ذات قدرة عالية مثل مركبات الطبقات الطبقات (على سبيل المثال الحادي والاربعون 2 MNO <الفرعية> · 3 (1-X) يمون 0.5 0.5 ني O 2)، ومركبات مع الفلزات الانتقالية التي يمكن أن تخضع لتغييرات متعددة في الدول الأكسدة، وبطارية ليثيوم سي الأنودات سبيكة حاليا موضوعات البحوث المكثفة، و، إذا تم نشرها بنجاح، ينبغي رفع كثافة الطاقة العملية للخلايا الليثيوم أيون أخرى. فئة أخرى من المواد، والمعروفة باسم الأقطاب التحويل، التي أكاسيد المعادن الانتقالية، كبريتيد، أو الفلوريدات يتم تخفيض عكسية لعنصر معدني وملح الليثيوم، هي أيضا قيد النظر لاستخدامها أقطاب البطارية (في المقام الأول كبديل للالأنودات) 4. للأجهزة المستندة على الصوديوم، كربونات الصلب، سبائك، والهياكل NASICON، وtitanates يجري التحقيق لاستخدامها الأنودات ومختلف أكاسيد المعادن الانتقالية والمركبات polyanionic كما كاثود.

ليثيوم أيون الصوديوم وأيون والبطاريات لا تستند إلى كيمياء ثابتة، وخصائص أدائها تختلف إلى حد كبير على رانه أقطاب المستخدمة. سلوك الأكسدة من الأقطاب يحدد ملامح المحتملة، وقدرات المعدل، وحياة دورة من الأجهزة. مسحوق التقليدية حيود الأشعة السينية (XRD) تقنيات يمكن استخدامها لتوصيف الهيكلية الأولية من المواد البكر والقياسات خارج الموقع على أقطاب تدوير، ولكن الاعتبارات العملية مثل انخفاض قوة الإشارة والأوقات الطويلة نسبيا اللازمة لجمع البيانات تحد من كمية المعلومات التي يمكن الحصول عليها على عمليات التفريغ ورسوم. في المقابل، تألق عالية وقصيرة موجات الإشعاع السنكروتروني (مثل λ = 0.97 Å في beamline ستانفورد السنكروترون الإشعاع في Lightsource 11-3)، جنبا إلى جنب مع استخدام أجهزة الكشف عن صورة إنتاجية عالية، واقتناء تصريح للبيانات عالية الدقة على عينات في اقل من 10 ثانية. في الوضع الطبيعي يتم تنفيذ العمل في وضع الإرسال على مكونات الخلية تمر الشحن وتفريغ في مغلقة بإحكامالحقائب شفافة لالأشعة السينية، دون الحاجة إلى وقف العملية للحصول على البيانات. ونتيجة لذلك، يمكن ملاحظة التغيرات الهيكلية الكهربائي باسم "لقطات في الوقت المناسب"، كما دورات الخلية، ويمكن الحصول على المزيد من المعلومات من مع التقنيات التقليدية.

الأشعة السينية طيف الامتصاص (XAS)، كما يشار أحيانا باسم الأشعة السينية الاستيعاب الجميلة هيكل (XAFS) يعطي معلومات حول بنية إلكترونية وهندسية المحلية من المواد. في التجارب XAS، يتم ضبطها طاقة الفوتون على حواف الامتصاص المميزة للعناصر محددة قيد التحقيق. الأكثر شيوعا للمواد البطارية، وهذه الطاقات تتوافق مع K-حواف (1S المدارات) من المعادن التي تمر بمرحلة انتقالية من الفائدة، ولكن لينة XAS التجارب ضبطها لO، F، C، B، N وL 2،3 حواف الصف الأول كما قامت الفلزات الإنتقالية في بعض الأحيان على عينات خارج الموقع 5. ويمكن تقسيم الأطياف الناتجة عن التجارب XAS إلى عدة حيinct المناطق، التي تحتوي على معلومات مختلفة (انظر نيوفيل، M.، أساسيات XAFS، http://xafs.org/Tutorials؟action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf ). السمة الرئيسية، التي تتألف من حافة الامتصاص وتمتد حوالي 30-50 فولت هي وراء امتصاص الأشعة السينية الأدنى هيكل إيدج (XANES) المنطقة، ويشير إلى عتبة التأين لاستمرارية الدول. هذا يحتوي على معلومات حول حالة الأكسدة والكيمياء تنسيق امتصاص. ومن المعروف أن جزء من الطاقة أعلى من الطيف كما الممتدة الأشعة السينية الاستيعاب الجميلة هيكل (EXAFS) المنطقة ويتوافق مع تناثر للطرد من الذرات الضوئية المجاورة. تحليل فورييه لهذه المنطقة يعطي معلومات الهيكلية قصيرة المدى مثل السندات أطوال وأعداد وأنواع الأيونات المجاورة. يتميز Preedge تحت characteristكما تظهر جيم الطاقات امتصاص بعض المركبات في بعض الأحيان. هذه تنشأ من ثنائي القطب التحولات الإلكترونية ممنوع لتفريغ الدول ملزمة لهندستها ثماني السطوح، أو ثنائي القطب يسمح آثار التهجين المداري في تلك رباعي السطوح وغالبا ما تكون مرتبطة إلى التماثل المحلية من امتصاص أيون (على سبيل المثال ما إذا كان هو أو منسقة بشكل رباعي الاسطح octahedrally) 6.

XAS هي تقنية مفيدة بشكل خاص لدراسة النظم المعادن المختلطة مثل الوطنية (NMCs) لتحديد الدول الأكسدة الأولية والتي ايونات المعادن الانتقال الخضوع الأكسدة أثناء عمليات delithiation وlithiation. ويمكن الحصول على البيانات على عدة معادن مختلفة بسرعة في تجربة واحدة وتفسير واضح وصريح المعقول. في المقابل، موس باور الطيفي محدودة لعدد قليل فقط المعادن المستخدمة في المواد البطارية (في المقام الأول، الحديد والقصدير). بينما القياسات المغناطيسية يمكن أن تستخدم أيضا لتحديد التأكسد، يمكن أن الآثار اقتران المغناطيسي المضاعفاتالتفسير الشركة المصرية للاتصالات وخاصة لأكاسيد معقدة مثل الوطنية (NMCs).

كذلك التخطيط والتنفيذ في الموقع وخارج الموقع والسنكروتروني XRD التجارب XAS إعطاء معلومات تكميلية والسماح صورة أكثر اكتمالا التي سيتم تشكيلها من التغيرات الهيكلية التي تحدث في المواد الكهربائي أثناء تشغيل البطارية العادية مما يمكن الحصول عليها عن طريق التقنيات التقليدية. هذا، بدوره، يعطي فهما أكبر من ما يحكم سلوك الكهروكيميائية للأجهزة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. التخطيط للتجارب

  1. تحديد خط شعاع التجارب المثيرة للاهتمام. الرجوع إلى صفحات الويب خط شعاع كمرشدين. لSSRL XAS وXRD، هذه are: http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-1/ and http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-3/ and http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl11-3/
    1. الاتصال خط شعاع العلماء ومناقشة تفاصيل التجربة.
  2. تحقق المواعيد والمتطلبات لتقديم مقترحات عن طريق الذهاب إلى موقع ذات الصلة.
  3. إرسال شعاع اقتراح وقت وأرسله.
  4. بعد أن تم وسجل الاقتراح، الجدول الزمني شعاع.
  5. اتبع التعليمات التي يقدمها مرفق للتحضير لشعاع الوقت. النظر في تفاصيل التجربة، رransport المواد (وخاصة من الأجهزة التي تحتوي على الفلزات القلوية)، ومعدات، وأي مخاوف تتعلق بالسلامة. التدريب في مجال السلامة هو مطلوب عموما للمستخدمين الجدد.

2. إعداد المواد، الأقطاب الكهربائية، وخلايا

  1. توليف أو الحصول على المادة الفعالة من الفائدة.
  2. تميز المواد عن طريق الأشعة السينية التقليدية مسحوق الحيود، وذلك باستخدام الخطوات 2.2.1-2.2.9.
    1. طحن مسحوق غربال وموحدة لضمان توزيع حجم الجسيمات.
    2. تحميل العينة إلى صاحب العينة. إزالة حامي من حامل ووضعه على شريحة زجاجية. ملء تجويف مع مسحوق، ثم إرفاق حامي، حامل الوجه وإزالة الشريحة. وهذا يضمن أن المسحوق هو حتى مع سطح حامل وأن السطح هو شقة.
    3. تسجيل الدخول إلى دفتر للديفراكتوميتر.
    4. إدراج حامل العينة إلى ديفراكتوميتر ومحاذاتها.
    5. إغلاق الأبواب من ديفراكتوميتر.
    6. باستخدام برنامج جامع البيانات على جهاز الكمبيوتر تعلق على عمومديفراكتوميتر alytical، وزيادة الجهد والتيار إلى القيم المناسبة للقياس. تحديد الشقوق وأقنعة شعاع للتجربة. تحديد أو تعديل برنامج المسح الضوئي.
    7. بدء البرنامج واسم datafile Cesar: سيزار. قفل الأبواب ديفراكتوميتر عن طريق تمرير شارة عند المطالبة من قبل البرنامج. جمع البيانات.
    8. تحليل نمط باستخدام برنامج نقاط عالية. على وجه الخصوص، والبحث عن وجود الشوائب (تأملات إضافية) وعما إذا كان نمط يطابق من المواد المرجعية أو أنماط المحسوبة.
    9. إزالة عينة من ديفراكتوميتر. رفض الأبواب التيار والجهد، وعلى مقربة. تسجيل الخروج، مع ملاحظة أي ظروف غير عادية.
  3. الحصول مسح الميكروسكوب الإلكتروني لتقييم الأشكال التضاريسية الجسيمات، وذلك باستخدام الخطوات 2.3.1-2.3.10.
    1. تحضير العينة عن طريق ربط الشريط الكربون إلى كعب الألومنيوم، ومسحوق الرش العينة على الجانب زجة. اختبار المغناطيسية من خلال عقد المغناطيس المطبخ على العينة.
    2. إدراج العينة إلى غرفة SEM عبر airloالمسيخ.
    3. مرة واحدة يتم تأسيس فراغ، وتحويل الجهد على تسريع.
    4. في وضع التكبير منخفضة، وضبط التباين والسطوع. يتم ذلك أكثر سهولة باستخدام زر ACB.
    5. البحث عن مجال الاهتمام عن طريق المسح الضوئي يدويا في x و y الاتجاهات.
    6. التبديل إلى SEM أو وسائط شعاع لطيف إذا كان المطلوب أعلى التكبير. حدد الكشف عن المطلوب، ووضع مسافة تعمل على القيم المناسبة للتجربة.
    7. ضبط التباين والسطوع باستخدام ACB مقبض الباب.
    8. تركيز الصورة مع التحكم في المرحلة ض.
    9. محاذاة شعاع، الاستجماتيزم الصحيح والتركيز باستخدام x و المقابض ذ.
    10. التقاط الصور كما تريد، وذلك باستخدام زر الصورة، وحفظ لالمجلد المناسب على الكمبيوتر.
    11. عند الانتهاء، إيقاف تسريع الجهد. نقل عينة لتبادل موقف وإزالته من غرفة عبر غرفة معادلة الضغط.
  4. إجراء تحليل العناصر عن طريق برنامج المقارنات الدولية إذا لزم الأمر، وتوصيف المواد مع أي تقنيات أخرى مثل الأشعة تحت الحمراء المطلوبأو رامان الطيفي.
  5. افتعال الأقطاب، وذلك باستخدام الخطوات 2.5.1-2.5.8.
    1. جعل حل من 5-6٪ (wt.) فلوريد البولي فينيل (PVDF) في N-methylpyrolidinone (NMP).
    2. طاحونة المواد النشطة معا، والمضافات موصل (أسود الأسيتيلين، الجرافيت، الخ).
    3. إضافة الحل NMP من الخطوة 2.3.1 لتجف مسحوق من الخطوة 2.3.2 والمزيج. النسب تختلف تبعا لطبيعة المادة الفعالة، ولكن تكوين الجافة النهائية 80:10:10 (المادة الفعالة: PVDF: المضافة موصل) هو أمر شائع.
    4. باستخدام شفرة الطبيب و (اختياريا) جدول فراغ، ويلقي الطين الكهربائي على جامع القاعدة أو النحاس الحالية. ويمكن استخدام الكربون المغلفة آل احباط للمواد الكاثود بطارية ليثيوم أيون وجميع المواد القطب نا ايون، ويستخدم النحاس احباط للمواد الأنود ليثيوم أيون.
    5. تسمح الأقطاب إلى الهواء الجاف.
    6. الأقطاب الكهربائية الجافة مزيد باستخدام مصباح الأشعة تحت الحمراء، طبق ساخن، أو فرن فراغ.
    7. قطع أو لكمة أقطاب لحجم الحاجة. تزن إلكترونياتقصائد.
    8. نقل الأقطاب إلى صندوق قفازات جو خامل. خطوة إضافية التجفيف باستخدام غرفة انتظار ساخنة فراغ تعلق على صندوق قفازات ينصح لإزالة كل الرطوبة المتبقية.
  6. تجميع أجهزة كهربائية (عادة خلايا عملة واحدة، ولكن تكوينات أخرى يمكن استخدامها لتوصيف الكهروكيميائية) لتوصيف الأولي، والعينات خارج الموقع، و / أو التجربة خط شعاع، وذلك باستخدام الخطوات 2.6.1-2.6.7.
    1. جمع كل العناصر اللازمة في صندوق قفازات جو خامل.
    2. قطع الليثيوم أو الصوديوم احباط إلى الحجم المطلوب.
    3. قطع فاصل الصغيرة التي يسهل اختراقها إلى الحجم المطلوب.
    4. مكونات طبقة في هذا النظام في الجهاز: القطب، فاصل، حل كهربائيا، واحباط لي أو نا.
    5. إضافة الفواصل وغسالات موجة حسب الحاجة.
    6. ختم الخلية باستخدام الصحافة خلية عملة واحدة.
    7. لفي التجارب XRD الموقع، نعلق علامات على جانبي الخلية عملة وختم الجهاز في الحقيبة البوليستر.
  7. أداء التجربة الكهروكيميائية لتوصيف الأولي أو العمل خارج الموقع، وذلك باستخدام الخطوات 2.7.1-2.7.6.
    1. ربط الخيوط من potentiostat / galvanostat أو cycler إلى الجهاز وقياس إمكانات الدائرة المفتوحة.
    2. إرسال البرنامج للتجربة الكهروكيميائية المطلوب أو حدد برنامج المؤرشفة.
    3. تشغيل التجربة وجمع البيانات.
    4. للتجارب خارج الموقع، تفكيك الجهاز في صندوق قفازات، مع الحرص على عدم دائرة قصر ذلك. لخلايا عملة، استخدم إما أداة عملة المجمع الخلية أو كماشة ملفوفة بشريط التفلون.
    5. شطف مع أقطاب dimethylcarbonate لإزالة المتبقي بالكهرباء الملح. تسمح لهم لتجف.
    6. أقطاب غطاء للدراسة خارج الموقع مع KAPTON احباط للتجارب XRD أو الشريط سكوتش لXAS وتخزينها في صندوق قفازات حتى يتم تنفيذ التجربة خارج.
  8. وينبغي منخول مساحيق معدة للدراسة من قبل XAS لضمان حجم الجسيمات متجانسةneity. ثم أنها قد تكون رشها على عدة قطع من الشريط سكوتش. سلسلة من العينات يمكن ثم عن طريق التراص تدريجيا أكثر عددا قطعة من الشريط مسحوق معا أعدت. هذا مفيد بشكل خاص إذا كان المستخدم غير مؤكد عن كمية من مسحوق اللازمة للإشارة الأمثل.
    1. بدلا من ذلك، يمكن أن تضعف مساحيق لقياسات XAS مع BN إذا كان المستخدم على ثقة حول ما سيؤدي في إشارة الأمثل.

3. أداء التجارب في مرفق السنكروترون

  1. قبل عدة أيام من التجربة هو أن تبدأ، خطة النقل للمواد والمعدات إلى المرفق.
    1. للأجهزة التي تحتوي على الأنودات الفلزات القلوية، مطلوب الشحن لتجنب الأخطار المرتبطة بالنقل في السيارات الخاصة أو العامة.
    2. أجهزة المحمولة مثل galvanostat / potentiostats وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وعينات غير الخطرة مثل أقطاب للعمل خارج الموقع قد تكون brougحزب التحرير إلى مرفق من قبل الفرد تنفيذ التجارب في أي أزياء مريحة.
  2. تحقق في وتسجيل في المنشأة.
  3. لالسابقين التجارب XRD الوضع الطبيعي سواء في الموقع، واتخاذ نمط إشارة من مختبر 6 لأغراض المعايرة.
    1. الاتصال العلماء beamline والأفراد للحصول على تعليمات.
    2. معايرة شعاع لإيجاد الظروف شعاع الحق.
    3. قياس نمط إشارة من مختبر 6.
  4. لفي التجارب XRD الموقع، إعداد الجهاز والبدء في تجربة الخطوات التالية 3.4.1-3.4.6.
    1. إدراج الحقيبة في اغتيال الحريري لوحات الضغط وضمان أن يتم محاذاة بشكل صحيح ثقوب للسماح للشعاع الأشعة السينية لنقل.
    2. إيجاد موقف شعاع الأمثل وزمن التعرض. التعرض لفترات طويلة يمكن أن يؤدي إلى oversaturation. تقرر ما إذا كان سيتم هزت عينة أو ثابتة.
    3. تأخذ نمط الأولية قبل بدء الكيمياء الكهربائية.
    4. إرفاق يؤدي من غلفانيanostat / potentiostat إلى الجهاز.
    5. بدء التجربة الكيمياء الكهربائية.
    6. الحصول على البيانات. مرة واحدة التجربة جارية، وجمع البيانات تلقائيا، وحاجة المستخدم فقط للإشراف لجعل تجربة متأكد يجري كما هو مخطط لها.
  5. إعداد التجارب XAS.
    1. تحقق في عالم الاتصال وbeamline والأفراد للحصول على تعليمات.
    2. إدراج عينة والمواد المرجعية احباط (اعتمادا على المعدن الذي يجري قياسه؛ مثل ني ني لK حافة).
    3. محاذاة العينة.
    4. تحديد الطاقة من حافة معدنية محددة باستخدام هيفايستوس IFEFFIT ل. مستوحد اللون اللحن، ثم نزع لحن بنحو 30٪ للقضاء على التوافقيات العليا. تغيير المكاسب لضبط I 1 وأنا 2 قياس الإزاحات.
    5. أخذ القياس. وينبغي اتخاذ اثنين أو أكثر من المسح الضوئي ودمج للعنصر من الفائدة.
    6. كرر الخطوات من 3.5.3 إلى 3.5.5 لعناصر إضافية، حسب الحاجة.

4. معطياتتحليل

  1. للعمل XRD، معايرة الصورة LAB 6.
    1. تحميل المنطقة حيود آلة، والذي يتوفر من خلال شفرة Google ( http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ ).
    2. فتح الصورة للاب 6 حيود واستخدام القيم المعايرة الأولية من رأس الملف.
    3. فتح الإشارة س (= 2π / د) قيم مختبر 6.
    4. معايرة حيود صورة لاب 6 مع القيم س والتخمين الأولي من القيم المعايرة.
    5. الحصول على قيم المعايرة الصحيحة حسب الصورة المناسب.
    6. حفظ القيم المعايرة في ملف المعايرة.
  2. معايرة الصور البيانات من التجربة.
    1. فتح الصور الحيود من التجربة.
    2. فتح ملف معايرة من المرجع مختبر 6 (بحفظه في الخطوة 4.1.6).
    3. فتح الس المرجعية ه (= 2π / د) القيم من القاعدة أو النحاس (جامعي الحالية لالأقطاب) واستخدامها كمراجع داخلي.
    4. معايرة الصور النمط المناسب حسب الصورة.
    5. دمج الصورة لس مقابل كثافة البيانات (بمسح الخط).
    6. أنماط مناسبا باستخدام المطلوب البرنامج المناسب (CelRef، Powdercell، RIQAS، GSAS، الخ).
  3. معالجة البيانات الكهروكيميائية باستخدام أي برنامج التآمر مريحة (إكسل، المنشأ، KaleidaGraph، إيغور، الخ).
  4. للبيانات XAS، استخدم أرتيميس / أثينا في حزمة البرامج IFEFFIT للتحليل.
    1. معايرة البيانات باستخدام الذروة الأولى في مشتقة من أطياف امتصاص المعادن المرجعية.
    2. دمج مثل بالاشعة.
    3. طرح الخلفية وتطبيع البيانات.
    4. استخدم الدالة AUTOBK لعزل البيانات EXAFS.
    5. تحويل فورييه البيانات EXAFS.
    6. استخدام المربعات الصغرى يصلح لأطياف فورييه تحول في الفضاء R أو ك لاستخراج structuraالمعلومات لتر.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويبين الشكل 2 سلسلة المعتادة المستخدمة في التجربة في الموقع. بعد توليف وتوصيف مساحيق المادة الفعالة، يتم إعداد أقطاب مركب من عجائن تحتوي على المادة الفعالة، الموثق مثل فلوريد البولي فينيل (PVDF) والمواد المضافة موصل مثل أسود الكربون أو الجرافيت معلقة في N-methylpyrrolidinone (NMP)، ويلقي على إما جامعي الألومنيوم أو النحاس احباط الحالية. يستخدم الألمنيوم لكاثود بطارية ليثيوم أيون وجميع أقطاب بطارية ليثيوم أيون الصوديوم، ويستخدم النحاس لالأنودات بطارية أيون...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تحليل البيانات يشير إلى أن XANES كما صنعت شركة ليني س 1-2X المنغنيز س O 2 (0.01 ≤ س ≤ 1) مركبات تحتوي ني 2 +، 3 + التعاون، والمنغنيز 4 + 10 دراسة XAS الأخيرة في الموقع على يني 0.4 التعاون 0.15 0.05 آل المنغنيز 0.4 O 2 أظهرت أن ني 2 + وتتأكسد لني 3 +، وفي نهاية المطاف، ني 4 + خلال delithiation، ولكن أن عمليات الأكسدة التي تنطوي على التعاون

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويدعم هذا العمل من جانب الأمين المساعد لكفاءة الطاقة والطاقة المتجددة، مكتب تكنولوجيز المركبة من وزارة الطاقة في الولايات المتحدة بموجب العقد رقم DE-AC02-05CH11231. تم تنفيذ أجزاء من هذا البحث من جامعة ستانفورد في السنكروترون الإشعاع Lightsource، ومديرية SLAC المختبر الوطني مسرع ومكتب العلوم مرفق العضو تعمل لوزارة الخارجية الأمريكية لمكتب الطاقة للعلوم من جامعة ستانفورد. ويدعم برنامج علم الأحياء الجزيئي SSRL الإنشائية من قبل مكتب وزارة الطاقة البيولوجية والبحوث البيئية، والمعاهد الوطنية للصحة، المركز الوطني للبحوث الموارد، وبرنامج التكنولوجيا الطبية الحيوية (P41RR001209).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة الاسم الشركة رقم فهرسي التعليقات الجوي تتوفر ، مواد حيود المنطقة كهربائيا

<قوي> المعدات< / قوي>
خامل الغلاف الجوي gloveboxفراغ أجواءطلب مخصص ، اتصل بالبائعينالمستخدمة أثناء تجميع الخلايا ولتخزين المعادن القلوية والمكونات الحساسة للرطوبة. (http://vac-atm.com< / a>)
صندوق القفازات الخامل في الغلافMbraunأحجام مختلفة (مفردة ، مزدوجة) ، والعديد من الخيارات مثل غرف الانتظار الصغيرة أو الساخنة ، وأنظمة إزالة الأكسجين / الماء ، والرفوف ، والتغذية الكهربائية ، وما إلى ذلك < / em>. (http://www.mbraunusa.com< / a>)
مقياس حيود مسحوق الأشعة السينية (XRD)PanalyticalX'Pert PowderX'Pert هو نظام معياري. العديد من الملحقات المتاحة للتجارب المتخصصة. (www.panalytical.com< / a>)
مقياس حيود مسحوق الأشعة السينية (XRD)BrukerBruker D2 PhaserBruker D2 Phaser مضغوط وجيد لتحليلات المسحوق الروتينية. (www.bruker.com< / a>)
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)JSM7500Fمجهر إلكتروني ماسح انبعاث مجال عالي الدقة مع العديد من الخيارات القابلة للتخصيص. JEOL (http://www.jeolusa.com< / a>) تتوفر أيضا إصدارات منضدية منخفضة التكلفة. اتصل بالمورد للحصول على الخيارات.
الحقيبة السدادةVWR11214-107تستخدم لختم الحقائب in الموقع < / em>work. (https://us.vwr.com< / a>)
أداة العقص اليدويPred MaterialsHSHCC-2016 ، 2025 ، 2032 ، 2320تستخدم لإغلاق خلايا العملة. تطابق الحجم مع أجهزة خلية العملات. (www.predmaterials.com< / a>)
أداة تفكيك خلايا العملة المعدنيةPred Materialsاتصل بالبائعيستخدم لتفكيك خلايا العملة المعدنية لاستعادة الأقطاب الكهربائية لعمل ex situ< / em>. يمكن أيضا استخدام كماشة الإبرة. ينتهي الغطاء بشريط تفلون لتجنب تقصير الخلايا. (www.predmaterials.com< / a>)
سكاكين صب الأفلامBYK Gardner4301 ، 4302 ، 4303 ، 4304،4305،2325 ، 2326،2327،2328 ، 2329تستخدم لصب أغشية الأقطاب الكهربائية من الملاط. تتوفر أحجام مختلفة ، إما مع التدرجات المترية أو الإنجليزية. تعتبر أدوات تطبيق الفيلم الشريطية أو أدوات التطبيق من نوع بيكر وشفرات الطبيب خيارات أقل تنوعا ولكنها أقل تكلفة. يمكن استخدامها يدويا أو مع أدوات تطبيق الفيلم الأوتوماتيكية. (https://www.byk.com< / a>)
شفرات الطبيب ، أدوات تطبيق بيكرمسبقة، قضيب من نوع بيكر وشفرة الطبيب. سكاكين صب الفيلم متوفرة أيضا.تستخدم لصب أغشية الأقطاب الكهربائية من الملاط. تتوفر أحجام مختلفة ، إما مع التدرجات المترية أو الإنجليزية. تعتبر أدوات تطبيق الفيلم الشريطية أو أدوات التطبيق من نوع بيكر وشفرات الطبيب خيارات أقل تنوعا ولكنها أقل تكلفة. يمكن استخدامها يدويا أو مع أدوات تطبيق الفيلم الأوتوماتيكية. (www.predmaterials.com< / a>)
قضيب الفيلم الأوتوماتيكيBYK Gardner2101 ، 2105 ، 2121 ، 2122اختياري. تستخدم مع أدوات تطبيق القضبان أو شفرات الطبيب أو سكاكين صب الفيلم لإنتاج فيلم القطب الكهربائي الأوتوماتيكي. يمكن أيضا صنع الأفلام يدويا ولكنها أقل اتساقا. (https://www.byk.com< / a>)
قضيب الفيلم الأوتوماتيكيالمواد المسبقةاتصل بالبائعاختياري. تستخدم مع أدوات تطبيق القضبان أو شفرات الطبيب أو سكاكين صب الفيلم لإنتاج فيلم القطب الكهربائي الأوتوماتيكي. يمكن أيضا صنع الأفلام يدويا ولكنها أقل اتساقا. (www.predmaterials.com< / a>)
Potentiostat / GalvanostatBio-Logic Science InstrumentsVSPالمحمولة ذات 5 قنوات يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر / الجالفانوستات المستخدمة لتدوير الخلايا لتجارب in الموقع< / em>. (http://www.bio-logic.info< / a>)
مرجع Potentiostat / GalvanostatGamry Instruments3000بوتينسيوستات / جلفانوستات محمولة أحادية القناة يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر تستخدم لتدوير الخلايا لتجارب in الموقع< / em>. (www.gamry.com< / a>)
تحميل آلةمجاناتستخدم لتحليل بيانات حيود 2D. تتوفر إصدارات Mac و Windows. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/< / a>
IFEFFITتنزيل مجانيمجموعة من البرامج التفاعلية لتحليل XAS ، بما في ذلك Hephaestus و Athena و Artemis. متاح لأنظمة التشغيل Mac و Windows و UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/< / a>
SIXPACKتنزيل مجانيلبرنامج تحليل XAS الذي يعتمد على IFEFFIT. إصدارات Windows و Mac. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html< / a>
CelRefتحميل مجانيصقل خلية الوحدة الرسومية. Windows فقط. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm و http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/< / a>
<قوي>كاشف / مادة< / قوي>
مواد نشطة كهربائيةمختلفةيتم تصنيعها داخليا أو تم الحصول عليها من موردين مختلفين.
رقائق الجرافيت الاصطناعيةTimcalSFG-6مادة مضافة موصلة للأقطاب الكهربائية. (www.timcal.com< / a>)
الأسيتيلين الأسودDenkaDenkaمادة مضافة موصلة سوداء للأقطاب الكهربائية. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html< / a>)
1-ميثيل -2-بيروليدينون (NMP)328634 Sigma-Aldrichتستخدم لصنع ملاط الأقطاب الكهربائية. (www.sigmaaldrich.com< / a>)
مجمعات التيارExopackz-flo 2650رقائق مطلية بالكربون. مغلفة على جانب واحد. (http://www.exopackadvancedcoatings.com< / a>)
مجمعات التيارAl Alfa-Aesar105580.025 مم (0.001 بوصة) سميكة ، 30 سم × 30 سم (12 بوصة × 12 بوصة) ، 99.45٪ (أساس المعادن) ، غير مطلي (http://www.alfa.com< / a>)
مجمعات التيار النحاس الموادالمسبقةرقائق النحاس المترسبةللاستخدام مع مواد الأنود لبطاريات Li-ion. (www.predmaterials.com< / a>)
رقائق الليثيومRockwood LithiumContact بائعالأنود لنصف الخلايا. متوفر بسماكات وعروض مختلفة. تفاعلي وحساس للهواء. قم بتخزينها والتعامل معها في صندوق قفازات خامل تحت He أو Ar (يتفاعل مع N2< / sub>). (www.rockwoodlithium.com< / a>)
رقائق الليثيومSigma-Aldrich320080أنود لنصف الخلايا. متوفر بسماكات وعروض مختلفة. تفاعلي وحساس للهواء. قم بتخزينها والتعامل معها في صندوق قفازات خامل تحت He أو Ar (يتفاعل مع N2< / sub>). (www.sigmaaldrich.com< / a>)
سبيكة الصوديومسيجما ألدريتش282065الأنودات لنصف الخلايا. يمكن بثقها إلى رقائق. تفاعلي وحساس للهواء. قم بتخزينها والتعامل معها في صندوق قفازات خامل تحت هو فقط. (www.sigmaaldrich.com< / a>)
حلول الإلكتروليت BASFSelectilyte P-Series اتصلبالبائع للحصول على التركيبات المطلوبة. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes< / a>)
كربونات ثنائي ميثيل (DMC)سيجما ألدريتش517127تستخدم لغسل الأقطاب الكهربائية لتجارب ex situ< / em>. (www.sigmaaldrich.com< / a>)
الفواصل الصغيرة التي يسهل اختراقهاCelgard2400أغشية البولي بروبلين (http://www.celgard.com< / a>)
أجهزة خلية العملات المعدنية (علبة ، غطاء ، حشية)المواد المسبقةCR2016 ، CR2025 ، CR2320 ، CR2032تطابق حجم أداة العقص المتاحة ، مكونات Al-clad متوفرة أيضا. (www.predmaterials.com< / a>)
غسالات الموجة الموادالمستدقةSUS316L(www.predmaterials.com< / a>)
الفواصلالمواد المسبقةSUS316L(www.predmaterials.com< / a>)
علامات التبويب Ni و Al PredMaterialsاتصل بالبائعالأحجام قابلة للتغيير. الاستعلام عن الطلبات المخصصة. (www.predmaterials.com< / a>)
أكياس البوليسترVWR11214-301تستخدم لختم الخلايا الكهروكيميائية ل في الموقع < / em>work. تجنب الحقائب الثقيلة بسبب تداخل الإشارة القوي. (https://us.vwr.com< / a>)
فيلم كابتونماكماستر كار7648A735يستخدم لتغطية الأقطاب الكهربائية لتجارب ex situ< / em> ، 0.0025 بسمك (www.mcmaster.com< / a>)
الهيليوم والأرجون و 4-10٪ من الهيدروجين في الهيليوم أو الأرجونتتصل منتجات الهواءبالبائع للحصول على التركيبات المطلوبة ومستوياتالنقاءيستخدم الهيليوم أو الأرجون لملء صندوق القفازات حيث يتم تجميع الخلية وتخزين المعادن القلوية. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx< / a>)
لا تستخدم النيتروجين لأنه يتفاعل مع الليثيوم. استخدم الهيليوم فقط إذا تم تخزين الصوديوم.
يعتمد مستوى النقاء المطلوب على ما إذا كان صندوق القفازات مزودا بنظام إزالة الماء والأكسجين. مخاليط الهيدروجين اللازمة لتجديد نظام إزالة الماء / الأكسجين ، إن وجد ؛ أو أي مورد غاز آخر مناسب

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kim, S. -W., Seo, D. -I., Ma, X., Ceder, G., Kang, K. Electrode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries: Potential Alternatives to Current Lithium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 710-721 (2012).
  2. Palomares, V., Serras, P., Villaluenga, I., Huesa, K. B., Cerretero-Gonzalez, J., Rojo, T. Na-ion Batteries, Recent Advances and Present Challenges to Become Low Cost Energy Storage Systems. Energy Environ. Sci. 5, 5884-5901 (2012).
  3. Kam, K. C., Doeff, M. M. Electrode Materials for Lithium Ion Batteries. Materials Matters. 7, 56-60 (2012).
  4. Cabana, J., Monconduit, L., Larcher, D., Palacin, M. R. Beyond Intercalation-Based Li-Ion Batteries: The State of the Art and Challenges of Electrode Materials Reacting Through Conversion Reactions. Adv. Energy Mater. 22, E170-E192 (2010).
  5. McBreen, J. The Application of Synchrotron Techniques to the Study of Lithium Ion Batteries. J. Solid State Electrochem. 13, 1051-1061 (2009).
  6. de Groot, F., Vankó, G., Glatzel, P. The 1s X-ray Absorption Pre-edge Structures in Transition Metal Oxides. J. Phys. Condens. Matter. 21, 104207(2009).
  7. Rumble, C., Conry, T. E., Doeff, M., Cairns, E. J., Penner-Hahn, J. E., Deb, A. Structural and Electrochemical Investigation of Li(Ni0.4Co0.15Al0.05Mn0.4)O2. J. Electrochem. Soc. 157, A1317-A1322 (2010).
  8. Cabana, J., Dupré, N., Gillot, F., Chadwick, A. V., Grey, C. P., Palacín, M. R. Synthesis, Short-Range Structure and Electrochemical Properties of New Phases in the Li-Mn-N-O System. Inorg. Chem. 48, 5141-5153 (2009).
  9. Ravel, B., Newville, M. A. T. H. E. N. A., ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT. Journal of Synchrotron Radiation. 12, 537-541 (2005).
  10. Zeng, D., Cabana, J. B. réger, Yoon, W. -S., Grey, C. P. Cation Ordering in Li[NixMnxCo(1–2x)]O2-Layered Cathode Materials: A Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Pair Distribution Function, X-ray Absorption Spectroscopy, and Electrochemical Study. Chem. Mater. 19, 6277-6289 (2007).
  11. Conry, T. E., Mehta, A., Cabana, J., Doeff, M. M. XAFS Investigation of LiNi0.45Mn0.45Co0.1-yAlyO2 Positive Electrode Materials. J. Electrochem. Soc. 159, A1562-A1571 Forthcoming.
  12. Conry, T. E., Mehta, A., Cabana, J., Doeff, M. M. Structural Underpinnings of the Enhanced Cycling Stability upon Al-substitution in LiNi0.45Mn0.45Co0.1-yAlyO2 Positive Electrode Materials for Li-ion Batteries. Chem. Mater. 24, 3307-3317 (2012).
  13. Reed, J., Ceder, G. Role of Electronic Structure in the Susceptibility of Metastable Transition-Metal Oxide Structures to Transformation. Chem. Rev. 104, 4513-4534 (2004).
  14. Cook, J. B., Kim, C., Xu, L., Cabana, J. The Effect of Al Substitution on the Chemical and Electrochemical Phase Stability of Orthorhombic LiMnO2. J. Electrochem. Soc. 160, A46-A52 (2013).
  15. Lee, E., Persson, K. Revealing the Coupled Cation Interactions Behind the Electrochemical Profile of LixNi0.5Mn1.5O4. Energy Environ. Sci. 5, 6047-6051 (2012).
  16. Hai, B., Shukla, A. K., Duncan, H., Chen, G. The Effect of Particle Surface Facets on the Kinetic Properties of LiMn1.5Ni0.5O4 Cathode Materials. J. Mater. Chem. A. 1, 759-769 (2013).
  17. Cabana, J., et al. Composition-Structure Relationships in the Li-Ion Battery Electrode Material LiNi0.5Mn1.5O4. Chem. Mater. 24, 2952-2964 (2012).
  18. Liu, J., Kunz, M., Chen, K., Tamura, N., Richardson, T. J. Visualization of Charge Distribution in a Lithium Battery Electrode. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2120-2123 (2010).
  19. Meirer, F., Cabana, J., Liu, Y., Mehta, A., Andrews, J. C., Pianetta, P. Three-dimensional Imaging of Chemical Phase Transformation at the Nanoscale with Full-Field Transmission X-ray Microscopy. J. Synchrotron Rad. 18, 773-781 (2011).
  20. Liu, X., et al. Phase Transformation and Lithiation Effect on Electronic Structure of LixFePO4: An In-Depth Study by Soft X-ray and Simulations. J. Am. Chem. Soc. 134, 13708-13715 (2012).
  21. Sokaras, D., et al. A High Resolution and Solid Angle X-ray Raman Spectroscopy End-Station at the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Rev. Sci. Instrum. 83, 043112(2012).
  22. Chan, M. K. Y., et al. Structure of Lithium Peroxide. J. Phys. Chem. Lett. 2, 2483-2486 (2011).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة