一种用于非质子性锂-氧（Li-O）体系电化学测试的实验方案2 本文介绍了电池的电极和电解质制备，以及常用表征方法的概述。
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摘要
摘要
我们展示了一种用于非质子性锂-氧（Li-O₂）电池电化学测试的方法。2 电池。一种非质子性Li-O2 电池由锂金属阳极、非质子电解质和氧气阴极组成。2-呼吸式阴极。非质子电解质是由锂盐溶解于非质子溶剂中形成的溶液；多孔碳通常用作阴极基底。为了提升性能，通过特定沉积方法（如原子层沉积（ALD）和湿化学反应）将电催化剂负载到多孔碳基底上。所制备的阴极材料通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线吸收近边结构（XANES）进行表征。采用Swagelok型电池，并在充满纯O₂的玻璃腔室中密封2，用于在电池测试系统上进行电化学测试。电池在容量控制模式或电压控制模式下进行测试。通过电子显微镜、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和拉曼光谱对反应产物进行表征，以研究非质子型锂-氧电池中氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的可能反应路径。本方案展示了一套针对非质子型Li-O₂电池常规测试的系统化且高效的实验流程。2 电池，包括电池材料的电化学测试与表征。
引言
1996年，Abraham和Jiang1首次报道了由多孔碳正极、有机电解质和锂金属负极组成的可逆非水系Li-O2电池。此后，由于其理论能量密度远超其他现有储能体系，Li-O2电池近年来受到广泛关注。该电池通过负极处锂的氧化和正极处氧的还原产生电流（总反应为Li+ + O2 + e- ↔ Li2O2）1-8。
满足以下要求的正极材料能够满足高性能锂-氧（Li-O2）电池的需求：（1）快速的氧气扩散能力；（2）良好的电子和离子导电性；（3）高比表面积；以及（4）稳定性。正极的比表面积和孔隙率对锂-氧（Li-O2）电池的电化学性能至关重要9-12。多孔结构可容纳由锂阳离子与O2反应生成的固态放电产物；而更大的表面积则提供了更多的活性位点，用于负载可加速电化学反应的电催化剂。这类电催化剂通过特定的沉积方法添加到正极材料中，可在保持基底原始多孔表面结构的同时，实现催化剂颗粒与基底之间的强附着力以及对催化剂颗粒的良好控制13-17。所制备的材料在Swagelok型电池中作为非质子型锂-氧（Li-O2）电池的正极进行测试。然而，电池的性能不仅取决于正极材料的性质，还....
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方案
使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。这些合成中使用的多种化学品具有急性毒性和致癌性。与块体材料相比，纳米材料可能具有额外的危害。进行纳米晶体反应时，请采用所有适当的安全措施，包括使用工程控制设备（通风橱、手套箱）和个人防护装备（护目镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋子）。以下部分操作涉及标准的无水无氧操作技术。
1. 阴极材料的合成
注意：阴极材料可通过原子层沉积或湿化学反应合成。
- 原子层沉积（ALD）
- 将5 g多孔碳分散于100 ml 1 M KMnO₄溶液中4 在磁力搅拌下反应12小时。
- 将100 mg氧化碳粉均匀铺展在原子层沉积（ALD）仪器的不锈钢托盘上，并用不锈钢网罩盖住托盘并夹紧。
- 在30分钟内，将碳粉置于载气为300 sccm超纯氮气、压力为1 Torr的环境中，于200 °C下持续加热。
- 用完整的原子层沉积（ALD）循环处理碳粉，步骤如下。
注意：本方案以钯纳米颗粒作为电催化剂的示例。试剂可根据具体需求进行更换。所有试剂均未经进一步纯化而直接使用。- 将碳基底（100 mg）暴露于六氟乙酰丙酮钯（Pd(hfac)₂）中2，99.9%）在 200 °C 下反应 10....
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结果
图1a 展示了Swagelok型锂-氧电池的组装示意图2 电池测试。将一块锂膜置于阳极端的不锈钢棒上。多孔阴极暴露于纯O2 通过铝管。玻璃纤维用作无水质解质的隔膜和吸收材料；铝网用作集流体。整个Swagelok型电池密封于充满超高纯度氧气的玻璃腔室中。为了深入研究，采用多种表征方法对电池体系进行分析，包括所制备的电极材料及反应产物。扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）图像展示了样品的微观结构。碳粉在反应前的SEM图像图1c）以及之后（图1d) 催化剂负载量显示出多孔表面结构得到了良好保持。TEM图像（图1e）显示电催化剂纳米颗粒均匀分布在碳基底上；高分辨率透射电子显微镜图像显示纳米颗粒结晶良好 图1f尽管电子显微镜图像能够显示电催化剂的精细形貌与结构，但其他基于X射线的表征技术可提供有关其化学组成和价态的更多信息。如图所示 图1b
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讨论
考虑到锂-氧（Li-O2）电池体系对空气，尤其是 CO2 和水分的敏感性，本实验方案中的许多步骤都是为了减少干扰物并避免副反应而必需的。例如，Swagelok 型电池在充满氩气的手套箱中组装，其中 O2 < 0.5 ppm 且 H2O < 0.5 ppm；所有正极材料、电解液溶剂和盐、玻璃纤维、Swagelok 零件以及玻璃腔室在组装前均经过干燥处理，以降低水分污染。负极端采用不锈钢棒，以避免锂金属与 O2 直接接触，从而保护锂负极。整个 Swagelok 装置被置于充满纯氧的玻璃腔室内，并通过 O 型圈和真空润滑脂密封，确保容器无泄漏。此外，作为集流体的铝网有助于保护脆性的碳正极。
电化学测试表明，所制备的正极材料在Li-O2 电池。正因如此，催化剂纳米颗粒均匀地分散在高比表面积的碳载体上，且本实验方案中所采用的催化剂沉积方法很好地保持了多孔结构和比表面积。非水系Li-O₂2 电池为2Li+.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
阿贡国家实验室的研究由美国能源部、FreedomCAR 和车辆技术办公室资助。使用阿贡国家实验室先进光子源以及在电子显微镜中心开展的研究工作，得到了美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室的支持，合同编号为 DE-AC02-06CH11357。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），99.5% | Sigma-Aldrich | 328634 | |
| 电池测试系统 | MACCOR | Series 4000 Automated Test System | |
| 碳酸二甲酯（DMC），≥99% | Sigma-Aldrich | 517127 | |
| 乙醇，≥99.5% | Sigma-Aldrich | 459844 | |
| 甲醛溶液，H2O 中含量为 37 wt.% | Sigma-Aldrich | 252549 | |
| 石墨化炭黑，>99.95% | Sigma-Aldrich | 699632 | |
| 三氯化铁（FeCl3），97% | Sigma-Aldrich | 157740 | |
| 聚酰亚胺 Kapton 管 | Cole-Parmer | EW-95820-09 | |
| 聚酰亚胺 Kapton 胶带 | Cole-Parmer | EW-08277-80 | |
| Kapton 窗口膜 | SPEX Sample Prep | 3511 | |
| 锂片（99.9% 锂） | MTI Corporation | EQ-Lib-LiC25 | |
| 三氟甲磺酸锂（LiCF3SO3） | Sigma-Aldrich | 481548 | |
| 六氟乙酰丙酮化钯（Pd(hfac)2），99.9% | Aldrich | 401471 | |
| 聚偏氟乙烯（PVDF） | Aldrich | 182702 | |
| 高锰酸钾（KMnO4），≥99.0% | Sigma-Aldrich | 223468 | |
| 氢氧化钠（NaOH），≥97.0% | Sigma-Aldrich | 221465 | |
| 四乙二醇二甲醚（TEGDME），≥99% | Aldrich | 172405 | |
| Toray 030 炭纸 | ElectroChem Inc. | 590637 |
参考文献
- Abraham, K. M., Jiang, Z. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery. J. Electrochem. Soc. 143, 1-5 (1996).
- Bruce, P. G., Freunberger, S. A., Hardwick, L. J., Tarascon, J. -M. Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage. Nat. Mater. 11, 19-2....
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