Name: Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-11T19:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 3 s
Description: Erfahren Sie, wie Synchrotronstrahlungstechniken Strukturänderungen in Li-Ionen- und Na-Ionen-Batterieelektroden während des Ladens und Entladens in Echtzeit untersuchen. Diese Methode liefert wertvolle Einblicke in Phasenübergänge und Degradationsmechanismen.

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Diese Arbeit wird durch den Staatssekretär für Energieeffizienz und erneuerbare Energien, Büro für Fahrzeugtechnik des US-Department of Energy unter Vertrag Nr. DE-AC02-05CH11231 unterstützt. Teile dieser Forschung wurden am Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, eine Direktion für SLAC National Accelerator Laboratory und einem Office of Science Nutzereinrichtung für das US Department of Energy Office of Science wird betrieben von der Stanford University durchgeführt. Die SSRL strukturelle Molekularbiologie Programm wird von der DOE Office of Biological-und Umweltforschung unterstützt wird, und durch die National Institutes of Health, National Center for Research Resources, Biomedical Technology Program (P41RR001209).

1. Planung der Experimente <ol><li> Identifizieren Strahllinie Experimente von Interesse. Siehe Strahllinie Webseiten als Führer. Für SSRL XAS und XRD, diese are: <a href="http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-1/" target="_blank">http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-1/</a> and <a href="http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-3/" target="_blank">http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-3/</a> and <a href="http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl11-3/" target="_blank">http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl11-3/</a> <ol><li> Kontakt Strahllinie Wissenschaftler und Details des Experiments zu besprechen. </li></ol></li><li> Überprüfen Sie Fristen und Anforderungen für die Vorschläge, indem Sie auf der entsprechenden Website. </li><li> Schreiben Strahlzeit und Vorschlag vorlegen. </li><li> Nach dem Vorschlag erzielt wurde, Zeitplan Strahlzeit. </li><li> Folgen Sie den Anweisungen von der Anlage vorgesehen, um Strahlzeit vorzubereiten. Betrachten Sie die Details des Experiments, transport von Materialien (insbesondere von Geräten, die Alkalimetalle) und Ausrüstung, und keine Sicherheitsbedenken. Sicherheitstraining wird in der Regel für neue Benutzer erforderlich. </li></ol> 2. Herstellung von Materialien, Elektroden und Zellen <ol><li> Synthetisieren oder zu erhalten aktive Material von Interesse. </li><li> Charakterisieren Material durch konventionelle Röntgen-Pulverbeugung, unter Verwendung der Schritte 2.2.1-2.2.9. <ol><li> Grind-Pulver und Sieb, um gleichmäßige Partikelgrößenverteilung zu gewährleisten. </li><li> Legen Probe in Probenhalter. Entfernen Platte aus der Halterung und legen Sie sie gegen eine Glasscheibe. Füllen Hohlraum mit Pulver, dann bringen Platte, Flip-Halterung und entfernen Rutsche. Dies stellt sicher, daß das Pulver selbst mit der Oberfläche der Halterung, und dass die Oberfläche eben ist. </li><li> Melden Sie sich für den Logbuch-Diffraktometer. </li><li> Legen Probenhalter in Diffraktometer und ausrichten. </li><li> Schließen Sie die Türen des Diffraktometers. </li><li> Mit Data Collector-Programm auf dem Computer zu Pan befestigtalytical Diffraktometer, Spannungs-und Stromanstieg auf Werte für die Messung geeignet. Wählen Schlitze und Strahlmasken für das Experiment. Wählen oder ändern Programm zum Scan. </li><li> Starten Sie das Programm und Name Datendatei. Verriegeln Sie Türen Diffraktometer durch Streichen Abzeichen, wenn durch das Programm aufgefordert werden. Daten sammeln. </li><li> Analysieren Muster mit High Score-Programm. Insbesondere schauen auf das Vorhandensein von Verunreinigungen (extra Reflexionen) und ob Muster entspricht, dass von Referenzmaterialien oder berechneten Mustern. </li><li> Entfernen Probe aus Diffraktometer. Drehen Sie Strom und Spannung, und Schließen von Türen. Melden Sie sich ab und stellt fest, ungewöhnliche Bedingungen. </li></ol></li><li> Erhalten rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Partikelmorphologie zu beurteilen, unter Verwendung der Schritte 2.3.1-2.3.10. <ol><li> Bereiten Probe durch das Anbringen Kohlenstoffband mit einer Aluminium Stummel, und Berieselungs Probe-Pulver auf der Klebeseite. Testen Sie für Magnetismus, indem ein Küchenmagnet über die Probe. </li><li> Legen Probe in SEM Kammer über airlock. </li><li> Sobald Vakuum hergestellt ist, schalten Beschleunigungsspannung auf. </li><li> In geringer Vergrößerung Modus, stellen Sie Kontrast und Helligkeit. Dies wird am besten mit der ACB Taste. </li><li> Finden Interessengebiet durch manuelles Scannen in x-und y-Richtung. </li><li> Wechseln Sie zu SEM oder sanften Strahl Modi, wenn höhere Vergrößerung erwünscht ist. Wählen Sie den gewünschten Detektor und Arbeitsabstand eingestellt, um Werte für das Experiment geeignet. </li><li> Stellen Sie Kontrast und Helligkeit mit ACB-Regler. </li><li> Fokus Bild mit Bühne z Kontrolle. </li><li> Richten Strahl, Astigmatismus zu korrigieren und sich mit x-und y-Knöpfe. </li><li> Machen Sie Fotos wie gewünscht, mit Foto-Taste, und speichern Sie den entsprechenden Ordner auf dem Computer. </li><li> Wenn Sie fertig sind, schalten Sie Beschleunigungsspannung. Bewegen Probe auf Position auszutauschen und aus der Kammer zu entfernen über eine Luftschleuse. </li></ol></li><li> Zuführen Elementaranalyse mittels ICP, wenn nötig, und zu charakterisieren Materialien mit beliebigen anderen Techniken wie IRoder Raman-Spektroskopie. </li><li> Elektroden herzustellen, unter Verwendung der Schritte 2.5.1-2.5.8. <ol><li> Einen Lösung von 5-6% (Gew.), Polyvinylidenfluorid (PVDF) in N-Methylpyrrolidinon (NMP). </li><li> Mühle zusammen aktiven Material und leitfähige Additiv (Acetylen-Ruß, Graphit, etc.). </li><li> In NMP-Lösung aus Schritt 2.3.1 bis 2.3.2 Pulvers aus Schritt trocknen und mischen. Anteile variieren in Abhängigkeit von der Art des aktiven Materials, sondern eine endgültige Trockenmasse von 80:10:10 (aktives Material: PVDF: leitfähiges Additiv) ist üblich. </li><li> Mit einem Rakel und (optional) eine Vakuumtisch, Gusselektrode Schlamm auf einer Al-oder Cu-Stromabnehmer. Kohlenstoff beschichteten Aluminiumfolie kann für Li-Ionen-Batterie Kathodenmaterialien und den Na-Ionen-Elektrodenmaterialien verwendet werden, und Cu-Folie ist für Li-Ionen-Anodenmaterialien verwendet. </li><li> Lassen Elektroden an der Luft trocknen. </li><li> Trockenelektroden weiter mit einem IR-Lampe, Kochplatte, oder Vakuumofen. </li><li> Schneiden oder Punsch Elektroden auf die Größe benötigt. Wiegen elektrOden. </li><li> Übertragungselektroden auf einer inerten Atmosphäre Glovebox. Ein zusätzlicher Trocknungsschritt unter Verwendung eines Vakuum erhitzt Vorkammer zum Handschuhfach angebracht wird empfohlen, alle Restfeuchtigkeit zu entfernen. </li></ol></li><li> Montieren elektrochemische Vorrichtungen (in der Regel Knopfzellen, aber auch andere Konfigurationen für elektrochemische Charakterisierung verwendet werden) für die erste Charakterisierung, Ex-situ-Proben und / oder Strahllinie Experiment unter Verwendung der Schritte 2.6.1-2.6.7. <ol><li> Sammeln Sie alle benötigten Komponenten in der inerten Atmosphäre Handschuhfach. </li><li> Geschnitten Lithium oder Natrium Folie auf die gewünschte Größe. </li><li> Geschnitten mikroporöse Separator auf die gewünschte Größe. </li><li> Schichtkomponenten in dieser Reihenfolge in der Vorrichtung: Elektrode, Separator, elektrolytische Lösung und Li oder Na-Folie. </li><li> Distanzscheiben und Wellenscheiben hinzufügen, wie gebraucht. </li><li> Siegel Zelle unter Verwendung einer Knopfzelle Presse. </li><li> Für die in situ XRD-Experimente, befestigen Registerkarten zu beiden Seiten der Knopfzelle und Dichtung Gerät in Polyestertasche.</li></ol></li><li> Führen elektrochemischen Experiment zur erstmaligen Beschreibung oder Ex-situ-Arbeit, mit Schritten 2.7.1-2.7.6. <ol><li> Schließen Sie führt von der Potentiostat / Galvanostat oder Cycler zu Gerät und messen Ruhepotential. </li><li> Schreiben Programm für die elektrochemische Experiment gewünscht oder wählen Sie eine archivierte Programm. </li><li> Führen Experiment und Daten zu sammeln. </li><li> Für Ex-situ-Experimente, zerlegen Sie das Gerät in Handschuhfach, dabei nicht zu Kurzschluss es. Für Knopfzellen, verwenden Sie entweder eine Knopfzelle Disassembler-Tool oder einer Zange mit Teflonband umwickelt. </li><li> Spülen Elektroden mit Dimethylcarbonat Restelektrolytsalz zu entfernen. Lassen Sie sie trocknen. </li><li> Deckelektroden für die Ex-situ-Studie mit Kapton-Folie für XRD-Experimente oder Klebeband für XAS und Speicher in dem Handschuhfach, bis das Experiment durchgeführt wird. </li></ol></li><li> Pulver für die Studie von XAS vorgesehen sind, sollten gesiebt, um homogene Partikelgröße zu gewährleistengenität. Sie können dann auf mehrere Stücke von Klebeband bestreut werden. Eine Reihe von Proben kann dann durch Stapeln zunehmend zahlreiche Stücke des pulverisierten Band zusammen hergestellt werden. Dies ist besonders nützlich, wenn der Benutzer unsicher über die Pulvermenge für die optimale Signal erforderlich ist. <ol><li> Alternativ kann Pulver für XAS-Messungen mit BN verdünnt werden, wenn der Benutzer zuversichtlich, was in der optimalen Signal führen ist. </li></ol></li></ol> 3. Performance der Experimente am Synchrotron Einrichtung <ol><li> Einige Tage bevor das Experiment ist es, die Anlage zu beginnen, planen den Transport von Materialien und Geräten. <ol><li> Für Geräte, die Alkalimetallanoden, Versand wird benötigt, um Gefahren, die mit Transport in persönlichen oder öffentlichen Fahrzeugen verbunden sind zu vermeiden. </li><li> Geräte wie tragbare Galvanostaten / Potentiostaten und Laptop-Computern und ungefährlichen Proben wie Elektroden für Ex-situ-Arbeit kann broug seinht zu der Einrichtung durch die individuelle Durchführung der Versuche in jeder geeigneten Weise. </li></ol></li><li> Check-in und registrieren Sie sich bei der Einrichtung. </li><li> Sowohl in situ und ex-situ-XRD-Versuche, einen Referenzmuster von LaB 6 zu Zwecken der Kalibrierung. <ol><li> Kontakt Beamline Wissenschaftler und Personal für Anweisungen. </li><li> Kalibrieren Strahl nach rechts Strahl Bedingungen finden. </li><li> Messen Referenzmuster LaB 6. </li></ol></li><li> Für die in situ XRD-Experimente, bis Gerät eingestellt und starten Experiment folgenden Schritte 3.4.1-3.4.6. <ol><li> Legen Beutel in Al-Druckplatten und damit Löcher richtig ausgerichtet sind, damit der Röntgenstrahl zu übertragen. </li><li> Finden Sie die optimale Strahlposition und Belichtungszeit. Längere Exposition kann zu Übersättigung führen. Entscheiden Sie, ob Probe oder stationären erschüttert werden. </li><li> Nehmen Anfangsmuster vor der Elektrochemie wird gestartet. </li><li> Bringen Sie führt von verzanostat / Potentiostaten zu Gerät. </li><li> Starten der Elektrochemie Experiment. </li><li> Erhalten Daten. Sobald Experiment im Gange ist, ist die Datenerfassung automatisch, und Benutzer braucht nur zu überwachen, um sicherzustellen, Experiment wird wie geplant. </li></ol></li><li> Richten Sie XAS-Experimente. <ol><li> Check-in und kontaktieren Sie Beamline Wissenschaftler und Personal für Anweisungen. </li><li> Legen Sie Probe und Referenzmaterial Folie (je nach Metall, die gemessen wird, z. B. für Ni Ni K-Kante). </li><li> Richten Sie Probe. </li><li> Bestimmen Sie Energie von spezifischen Metallkante mit IFEFFIT der Hephaistos. Tune-Monochromator, dann verstimmen um etwa 30% auf Oberschwingungen höherer Ordnung zu beseitigen. Ändern Gewinne einstellen I 1 und I 2 Maßnahme Offsets. </li><li> Nehmen Messung. Zwei oder mehr Scans zu ergreifen und für das Element von Interesse fusioniert werden. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.5.3 bis 3.5.5 für zusätzliche Elemente, wie gebraucht. </li></ol></li></ol> 4. DatenAnalyse <ol><li> Für XRD Arbeit, kalibrieren Sie die LaB 6 Bild. <ol><li> Download Area Diffraction Machine, die über das Google Code verfügbar ist ( <a href="http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/" target="_blank">http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/</a> ). </li><li> Öffnen Sie das Bild für LaB 6 Beugung und verwenden anfänglichen Kalibrierung Werte aus der Datei-Header. </li><li> Öffnen Sie die Referenz Q (= 2π / d)-Werte von LaB 6. </li><li> Kalibrieren des LaB 6-Beugungsbild mit den Q-Werten und der ersten Schätzung der Kalibrierwerte. </li><li> Erhalten korrekte Kalibrierung Werte durch Bild Montage. </li><li> Speichern Sie die Kalibrierungswerte in die Kalibrierungsdatei. </li></ol></li><li> Kalibrieren Sie die Datenbilder aus dem Experiment. <ol><li> Öffnen die Beugungsbilder aus dem Experiment. </li><li> Öffnen Sie die Datei von der Kalibrierung LaB 6-Referenz (in Schritt 4.1.6 gespeichert). </li><li> Offene the Referenz Q (= 2π / d)-Werte von Al oder Cu (Stromabnehmer für die Elektroden) und benutzen sie als interne Referenzen. </li><li> Kalibrieren Sie die Musterbilder durch Bild Montage. </li><li> Integrieren Sie das Bild, um Q und Intensitäts-Daten (Linien-Scans). </li><li> Fit Muster mit der gewünschten Anpassungsprogramm (CelRef, Powder, RIQAS, GSAS, etc.). </li></ol></li><li> Prozesselektrochemischen Daten bequem mit jedem Plot-Programm (Excel, Origin, KaleidaGraph, Igor, etc.). </li><li> Für XAS Daten verwenden ARTEMIS / ATHENA in der IFEFFIT Softwarepaket für die Analyse. <ol><li> Kalibrieren Daten mit dem ersten Peak in der Ableitung der Absorptionsspektren der Bezugs Metalle. </li><li> Merge wie Scans. </li><li> Subtrahieren Hintergrund und normalisieren Daten. </li><li> Verwenden Sie die Funktion, um die AUTOBK EXAFS-Daten zu isolieren. </li><li> Fourier-Transformation der EXAFS-Daten. </li><li> Verwenden Sie eine der kleinsten Quadrate der Fourier-transformierten Spektren in R oder k-Raum zu extrahieren structural Informationen. </li></ol></li></ol>

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Autoren haben nichts zu offenbaren.

Analyse der XANES-Daten anzeigen, dass als Maß LiNi x Co 1-2x-Mn x O 2 (0,01 ≤ x ≤ 1)-Verbindungen enthält, Ni 2 +, Co 3 + und 10 A in situ XAS jüngsten Studie LiNi Mn 4 +. 0,4 Co 0,15 Al 0,05 Mn 0,4 O 2 zeigte, dass Ni 2 + wurde auf Ni 3 + oxidiert und schließlich, Ni 4 + während Delithiierung, sondern dass Redox-Prozesse mit Co 3 + etwa...

Lithium-Ionen-Batterien für Verbraucherelektronik derzeit Befehl ein $ 11000000000 Markt weltweit ( <a href="http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/" target="_blank">http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/</a> ) und sind die erste Wahl für neue Fahrzeuganwendungen wie Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) und Elektrofahrzeuge (EVs). Analoga zu diesen Geräten Verwendung Natriumionen statt Lithium sind in früheren Stadien der Entwicklung, sind aber als attraktiv für große Energiespeicher (dh Grid-Anwendungen) auf Basis von Kosten-und Versorgungssicherheit Argumente 1, 2. Beide Dual-Einlagerungssysteme arbeiten nach dem gleichen Prinzip, Alkalimetallionen pendeln zwischen zwei als Wirtsstrukturen, die Einführungsprozesse auf unterschiedlichen Potentialen unterzogen wirkenden Elektroden. Die elektrochemischen Zellen selbst relverhältnismäßig einfach, die aus zusammengesetzten positiven und negativen Elektroden, die auf Stromkollektoren, die durch eine poröse Membran mit einer Elektrolytlösung, in der Regel bestehend aus einem Salz in einer Mischung von organischen Lösungsmitteln (Fig. 1) gelöst gesättigt getrennt. Graphit und LiCoO 2 sind die am häufigsten verwendeten negativen und positiven Elektroden, jeweils für Lithiumionenbatterien. Mehrere alternative Elektrodenmaterialien sind auch für spezielle Anwendungen entwickelt, einschließlich Varianten von LiMn 2 O 4-Spinell, LiFePO 4 mit der Olivin-Struktur und DMR (LiNi x Mn x Co 1-2x O 2-Verbindungen) für positive und harte Kohlenstoffatomen, Li 4 Ti 5 O 12, und Legierungen von Lithium und Zinn für Negative 3. Hochspannungs Materialien wie LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4, neue Hochleistungsmaterialien wie geschichteten Schichtverbunden (zB 2 x Li MnO &lt;sub&gt; 3 · (1-x) LiMn 0,5 Ni 0,5 O 2), Verbindungen mit Übergangsmetallen, die mehrere Änderungen in Redox-Zustände durchlaufen können, und Li-Si-Legierungsanoden sind derzeit Gegenstand intensiver Forschung, und, falls erfolgreich eingesetzt, sollte praktische Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen zu erhöhen weiter. Eine weitere Klasse von Materialien, wie Umwandlungselektroden bekannt, bei denen Übergangsmetalloxide, Sulfide oder Fluoride sind reversibel an dem metallischen Element und einem Lithiumsalz reduziert wird, auch unter Berücksichtigung für die Verwendung als Batterieelektroden (in erster Linie als Ersatz für Anoden) 4. Für Geräte, die auf Natrium, hart Kohlenstoffen, Legierungen, NASICON Strukturen und Titanate, die für die Verwendung als Anoden und verschiedene Übergangsmetalloxide und polyanionische Verbindungen als Kathoden sucht. Da Lithium-Ionen-und Natrium-Ionen-Batterien sind nicht auf fest Chemie basiert, variieren ihre Leistungsmerkmale stark in Abhängigkeit von ter, dass die Elektroden eingesetzt werden. Das Redox-Verhalten der Elektroden bestimmt die Potentialprofile, Ratenfähigkeiten und Zykluszeiten der Geräte. Konventionelle Pulver-Röntgenbeugung (XRD)-Techniken können für die anfängliche strukturelle Charakterisierung von unberührten Materialien und Ex-situ-Messungen zyklisch Elektroden verwendet werden, aber praktische Überlegungen wie niedrige Signalstärke und die relativ lange Zeiten erforderlich, um Daten zu sammeln begrenzen die Menge von Informationen das kann auf die Entlade-und Lade Verfahren erhalten werden. Im Gegensatz dazu ist die hohe Brillanz und kurzen Wellenlängen der Synchrotron-Strahlung (zB λ = 0,97 Å an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource-Strahllinie 11-3), kombiniert mit dem Einsatz von Hochdurchsatz-Bilddetektoren, Erlaubnis Erwerb von hochauflösenden Daten an Proben in nur 10 Sekunden. In-situ-Arbeit wird in Übertragungsmodus auf Zellkomponenten unterzogen Ladung durchgeführt und Entladung in luftdicht verschlossenenBeutel für Röntgenstrahlen, ohne den Betrieb zu stoppen, um Daten zu erwerben. Als Folge kann die Elektrode strukturelle Veränderungen als &quot;Momentaufnahmen&quot;, wie die Zellzyklen beobachtet werden, und noch viel mehr Informationen als mit herkömmlichen Techniken erhalten werden. Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), manchmal auch als Röntgenabsorptionsfeinstruktur (XAFS) gibt Auskunft über die lokalen elektronischen und geometrischen Struktur von Materialien. In XAS Experimenten wird die Photonenenergie an die charakteristische Absorptionskanten der spezifischen Elemente in Untersuchung abgestimmt. Am häufigsten für Batteriematerialien, diese Energien entsprechen den K-Kanten (1s-Orbitale) der Übergangsmetalle von Interesse, aber weich XAS Experimente O abgestimmt, F, C, B, N und L 2,3 die Kanten der ersten Reihe Übergangsmetalle werden manchmal auch auf Ex-situ-Proben 5 durchgeführt. Die von XAS-Experimente erzeugten Spektren kann in mehrere aufgeteilt werden distinct Regionen, die verschiedene Informationen (siehe Newville, M., Grundlagen der XAFS, <a href="http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&amp;do=get&amp;target=Newville_xas_fundamentals.pdf" target="_blank">http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&amp;do=get&amp;target=Newville_xas_fundamentals.pdf</a> ). Das Hauptmerkmal, der aus der Absorptionskante und sich um 30-50 eV über die X-ray Absorption Near Edge Structure Bereich (XANES) und zeigt die Ionisationsschwelle auf Staaten-Kontinuum. Diese enthält Informationen über die Oxidationsstufe und Koordinationschemie des Absorbers. Der höhere Energieanteil des Spektrums wird als erweiterte Röntgenabsorptionsfeinstruktur (EXAFS) Region bekannt und entspricht der Streuung der ausgestoßenen Photoelektronen aus benachbarten Atomen. Fourier-Analyse dieser Region gibt Kurzstrecken strukturelle Informationen wie Bindungslängen und die Anzahl und Art der Nachbarionen. Preedge bietet unter dem characteristic Absorption Energien von einigen Verbindungen auch manchmal erscheinen. Diese ergeben sich aus Dipol verbotenen elektronischen Übergänge in gebundene Zustände für oktaedrische Geometrien oder Dipol erlaubt Orbital-Hybridisierung Effekte in Tetraeder diejenigen leer und kann oft auf die lokale Symmetrie der Absorption von Ionen (z. B. ob es sich tetraedrisch oder oktaedrisch koordiniert) korreliert werden 6. XAS ist eine besonders nützliche Technik zur Untersuchung Mischmetallsysteme wie NMCs zu Anfangs Redoxzustände bestimmen und welche Übergangsmetallionen während Delithiierung Lithiierung und Redox-Prozesse zu unterziehen. Daten über verschiedene Metalle rasch in einem einzigen Experiment erhalten werden, und die Auslegung ist ziemlich unkompliziert. Im Gegensatz dazu ist Mössbauer-Spektroskopie auf nur wenige Metalle Batteriematerialien (hauptsächlich Fe und Sn) verwendet. Während die magnetischen Messungen können auch verwendet werden, um den Oxidationsstufen zu bestimmen, magnetische Kopplungseffekte Komplikationen könnente Interpretation besonders für komplexe Oxide wie den DMR. Gut geplante und durchgeführte in situ und Ex-situ-Synchrotron-XRD und XAS-Experimente geben ergänzende Informationen und damit ein vollständigeres Bild, um die strukturellen Veränderungen in der Elektrodenmaterialien auftreten während der normalen Batteriebetrieb als das, was über herkömmliche Techniken erhalten werden, gebildet werden. Dies wiederum ermöglicht ein besseres Verständnis dessen, was regelt das elektrochemische Verhalten der Geräte.

<table><tbody><tr><td colspan="4">Equipment</td></tr><tr><td>Inert atmosphere Glovebox</td><td>Vacuum Atmospheres</td><td>Custom order, contact vendors</td><td>Wird bei der Montage von Zellen und zur Lagerung von Alkalimetallen und feuchtigkeitsempfindlichen Komponenten verwendet. (<a href="http://vac-atm.com" target="_blank">http://vac-atm.com</a>)</td></tr><tr><td>Handschuhfach mit inerter Atmosphäre</td><td>Mbraun</td><td></td><td>Verschiedene Größen (einfach, doppelt) erhältlich, viele Optionen wie z.B. Mini- oder beheizte Vorkammern, Sauerstoff-/Wasserentfernungssysteme, Regale, elektrische Durchführungen, etc. (<a href="http://www.mbraunusa.com" target="_blank">http://www.mbraunusa.com</a>)</td></tr><tr><td>Röntgen-Pulverdiffraktometer (XRD)</td><td>Panalytical</td><td>X'Pert Pulver</td><td>X'Pert ist ein modulares System. Vielfältiges Zubehör für spezielle Experimente erhältlich. (<a href="http://www.mbraunusa.com" target="_blank">www.panalytical.com</a>)</td></tr><tr><td>Röntgen-Pulverdiffraktometer (XRD)</td><td>Bruker</td><td>Bruker D2 Phaser</td><td>Bruker D2 Phaser ist kompakt und eignet sich gut für routinemäßige Pulveranalysen. (<a href="www.bruker.com" target="_blank">www.bruker.com</a>)</td></tr><tr><td>Rasterelektronenmikroskop (REM)</td><td></td><td>JSM7500F</td><td>Hochauflösendes Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop mit zahlreichen anpassbaren Optionen. JEOL (<a href="http://www.jeolusa.com" target="_blank">http://www.jeolusa.com</a>) Kostengünstige Tabletop-Versionen sind ebenfalls erhältlich. Wenden Sie sich an den Anbieter, um Optionen zu erhalten.</td></tr><tr><td>Beutelverschließer</td><td>VWR</td><td>11214-107</td><td>Wird zum Versiegeln von Beuteln für in situ Arbeiten verwendet. (<a href="https://us.vwr.com/" target="_blank">https://us.vwr.com</a>)</td></tr><tr><td>Manuelles Crimpwerkzeug</td><td>Pred Materials</td><td>HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320</td><td>Wird zum Versiegeln von Knopfzellen verwendet. Passen Sie die Größe an die Hardware der Knopfzellen an. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Werkzeug zur Demontage von Knopfzellen</td><td>Pred Materials</td><td>Anbieter kontaktieren</td><td>Wird verwendet, um Knopfzellen zu zerlegen, um Elektroden für ex situ Arbeiten zu gewinnen. Auch eine Spitzzange kann verwendet werden. Die Enden mit Teflonband abdecken, um einen Kurzschluss der Zellen zu vermeiden. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Filmgießmesser</td><td>BYK Gardner</td><td>4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329</td><td>Wird zum Gießen von Elektrodenfolien aus Schlämmen verwendet. Verschiedene Größen erhältlich, entweder mit metrischen oder englischen Abstufungen. Stabfolien- oder Baker-Applikatoren und Rakel sind weniger vielseitige, aber kostengünstigere Optionen. Kann von Hand oder mit automatischen Filmaufziehern verwendet werden. (<a href="https://www.byk.com/" target="_blank">https://www.byk.com</a>)</td></tr><tr><td>Rakel, Baker-Applikatoren,</td><td>Pred Materials</td>, <td>Baker-Applikator und Rakel. Filmgießmesser sind ebenfalls erhältlich.</td><td>Wird zum Gießen von Elektrodenfolien aus Schlämmen verwendet. Verschiedene Größen erhältlich, entweder mit metrischen oder englischen Abstufungen. Stabfolien- oder Baker-Applikatoren und Rakel sind weniger vielseitige, aber kostengünstigere Optionen. Kann von Hand oder mit automatischen Filmaufziehern verwendet werden. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Automatischer Filmaufzieher</td><td>BYK Gardner</td><td>2101, 2105, 2121, 2122</td><td>Optional. Wird mit Stangenapplikatoren, Rakelklingen oder Filmgießmessern für die automatische Elektrodenfilmproduktion verwendet. Folien können auch von Hand hergestellt werden, sind aber weniger gleichmäßig. (<a href="https://www.byk.com/" target="_blank">https://www.byk.com</a>)</td></tr><tr><td>Automatischer Filmauftraggeber</td><td>Pred Materials</td><td>Anbieter kontaktieren</td><td>Optional. Wird mit Stangenapplikatoren, Rakelklingen oder Filmgießmessern für die automatische Elektrodenfilmproduktion verwendet. Folien können auch von Hand hergestellt werden, sind aber weniger gleichmäßig. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Potentiostat/Galvanostat</td><td>Bio-Logic Science Instruments</td><td>VSP</td><td>Tragbarer computergesteuerter 5-Kanal-Potentiostat/Galvanostat zum Zyklus von Zellen für in situExperimente. (<a href="http://www.bio-logic.info/" target="_blank">http://www.bio-logic.info</a>)</td></tr><tr><td>Potentiostat/Galvanostat</td><td>Gamry Instruments</td><td>Referenz 3000</td><td>Tragbarer, computergesteuerter Einkanal-Potentiostat/Galvanostat zum Zyklus von Zellen für in situExperimente. (<a href="www.gamry.com" ziel="_blank">www.gamry.com</a>)</td></tr><tr><td>Die Flächenbeugungsmaschine</td><td></td><td>Kostenloser Download</td><td>Wird für die Analyse von 2D-Beugungsdaten verwendet. Mac- und Windows-Versionen verfügbar. <a href="http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/" target="_blank">http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/</a></td></tr><tr><td>IFEFFIT</td><td></td><td>Kostenloser Download</td><td>Suite mit interaktiven Programmen für die XAS-Analyse, einschließlich Hephaistos, Athene und Artemis. Verfügbar für Mac, Windows und UNIX. <a href="http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/" target="_blank">http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/</a></td></tr><tr><td>SIXPACK</td><td></td><td>Kostenloser Download</td> des <td>XAS-Analyseprogramms, das auf IFEFFIT aufbaut. Windows- und Mac-Versionen. <a href="http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html" target="_blank">http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html</a></td></tr><tr><td>CelRef</td><td></td><td>Kostenloser Download</td><td>Grafische Verfeinerung der Einheitszellen. Nur Windows. <a href="http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm" target="_blank">http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm und http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/</a></td></tr><tr><td colspan="4">Reagenz/Material</td></tr><tr><td>Elektroden aktive Materialien</td><td>verschiedene</td><td></td><td>Im eigenen Haus synthetisiert oder von verschiedenen Lieferanten bezogen.</td></tr><tr><td>Synthetischer Lamellengraphit</td><td>Timcal</td><td>SFG-6</td><td>Leitfähiges Additiv für Elektroden. (<a href="http://www.timcal.com" target="_blank">www.timcal.com</a>)</td></tr><tr><td>Acetylen schwarz</td><td>Denka Denka</td><td>Schwarz</td><td>Leitfähiges Additiv für Elektroden. (<a href="http://www.denka.co.jp/eng/index.html" target="_blank">http://www.denka.co.jp/eng/index.html</a>)</td></tr><tr><td>1-Methyl-2-pyrrolidinon (NMP)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>328634</td><td>Wird zur Herstellung von Elektrodenschlämmen verwendet. (<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td></tr><tr><td>Alle Stromabnehmer</td><td>Exopack</td><td>z-flo 2650</td><td>Carbonbeschichtete Folien. Einseitig beschichtet. (<a href="http://www.exopackadvancedcoatings.com" target="_blank">http://www.exopackadvancedcoatings.com</a>)</td></tr><tr><td>Al-Stromabnehmer</td><td>Alfa-Aesar</td><td>10558</td><td>0,025 mm (0,001 Zoll) dick, 30 cm x 30 cm (12 Zoll x 12 Zoll), 99,45% (Metallbasis), unbeschichtet (<a href="http://www.alfa.com" target="_blank">http://www.alfa.com</a>)</td></tr><tr><td>Cu-Stromabnehmer</td><td>Pred</td><td>Materials Elektroabgeschiedene Cu-Folie</td><td>Zur Verwendung mit Anodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien. (<a href="http://www.predmaterials.com" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Lithiumfolie</td><td>Rockwood Lithium</td><td>Kontaktieren Sie den Anbieter</td><td>Anode für Halbzellen. Erhältlich in verschiedenen Stärken und Breiten. Reaktiv und luftempfindlich. In einem Handschuhfach mit inerter Atmosphäre unter He oder Ar lagern und handhaben (reagiert mit N2). (<a href="http://www.rockwoodlithium.com" target="_blank">www.rockwoodlithium.com</a>)</td></tr><tr><td>Lithiumfolie</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320080</td><td>Anode für Halbzellen. Erhältlich in verschiedenen Stärken und Breiten. Reaktiv und luftempfindlich. In einem Handschuhfach mit inerter Atmosphäre unter He oder Ar lagern und handhaben (reagiert mit N2). (<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td></tr><tr><td>Natriumbarren</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>282065</td><td>Anoden für Halbzellen. Kann zu Folien extrudiert werden. Reaktiv und luftempfindlich. Lagern und handhaben Sie das Handschuhfach in einer inerten Atmosphäre nur unter He. (<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td></tr><tr><td>Elektrolytlösungen</td><td>BASF</td><td>Selectilyte P-Serie Kontaktieren Sie den Anbieter</td><td>Kontaktieren Sie den Anbieter für die gewünschten Formulierungen. (<a href="http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes" target="_blank">http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes</a>)</td></tr><tr><td>Dimethylcarbonat (DMC)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>517127</td><td>Wird zum Waschen von Elektroden für ex situExperimente verwendet. (<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td></tr><tr><td>Mikroporöse Separatoren</td><td>Celgard</td><td>2400</td><td>Polypropylen-Membranen (<a href="http://www.celgard.com/" target="_blank">http://www.celgard.com</a>)</td></tr><tr><td>Knopfzellen-Hardware (Gehäuse, Kappe, Dichtung)</td><td>Pred Materials</td><td>CR2016, CR2025, CR2320, CR2032</td><td>Größe an verfügbares Crimpwerkzeug, Al-beschichtete Komponenten sind ebenfalls erhältlich. (<a href="http://www.predmaterials.com" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Wellenscheiben</td><td>Pred Materials</td><td>SUS316L</td><td>(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Abstandshalter</td><td>Pred Materials</td><td>SUS316L</td><td>(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Ni und Al vorgeklebte Laschen</td><td>Pred Materials</td><td>Lieferant</td> <td>kontaktierenGrößenänderungen vorbehalten. Erkundigen Sie sich nach Sonderanfertigungen. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Polyesterbeutel</td><td>VWR</td><td>11214-301</td><td>Wird zum Versiegeln elektrochemischer Zellen für in situ Arbeiten verwendet. Vermeiden Sie strapazierfähige Beutel wegen starker Signalstörungen. (<a href="https://us.vwr.com" target="_blank">https://us.vwr.com</a>)</td></tr><tr><td>Kapton-Folie</td><td>McMaster-Carr</td><td>7648A735</td><td>Wird zum Abdecken von Elektroden für ex situ-Experimente, 0,0025 in der Dicke (<a href="http://www.mcmaster.com/" target="_blank">www.mcmaster.com</a>)</td></tr><tr><td>Helium, Argon und 4-10% Wasserstoff in Helium oder Argon</td><td>verwendet Air Products</td><td>Kontaktieren Sie den Anbieter für die gewünschte Zusammensetzung und den Reinheitsgrad</td><td>Helium oder Argon, das zum Befüllen des Handschuhfachs verwendet wird, in dem die Zellmontage durchgeführt und Alkalimetall gelagert wird. (<a href="http://www.airproducts.com/products/gases.aspx" target="_blank">http://www.airproducts.com/products/gases.aspx</a>)</td></tr><tr><td colspan="4">Verwenden Sie keinen Stickstoff, da er mit Lithium reagiert. Verwenden Sie nur Helium, wenn Natrium gelagert wird. Der erforderliche Reinheitsgrad hängt davon ab, ob die Glovebox mit einem Wasser- und Sauerstoffentfernungssystem ausgestattet ist. Wasserstoffgemische, die zur Regeneration des Wasser-/Sauerstoffentfernungssystems benötigt werden, falls vorhanden; oder ein anderer geeigneter Gaslieferant</td></tr></tbody></table>

charakterisierung von elektrodenmaterialien für lithium-ionen und natrium-ionen-batterien mit synchrotronstrahlung techniken

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Einlagerungsverbindungen, wie Übergangsmetalloxide oder-phosphate sind die am häufigsten verwendeten Elektrodenmaterialien in Li-Ionen und Na-Ionen-Batterien. Beim Einsetzen oder Entfernen von Alkalimetallionen, die Redox-Zustände der Übergangsmetalle in den Verbindungen verändern und strukturellen Veränderungen wie Phasenübergänge und / oder Gitterparameter erhöht oder vermindert auftreten. Diese Verhaltensweisen bestimmen wiederum wichtige Eigenschaften der Batterien, wie die Potentialprofile, Ratenfähigkeiten und Zyklusdauer. Die extrem hellen und abstimmbare Röntgenstrahlen durch Synchrotronstrahlung erzeugt erlauben schnelle Erfassung von hochauflösenden Daten, die Informationen über diese Prozesse. Transformationen in den Schüttgütern, wie Phasenübergänge, können direkt mit Hilfe der Röntgenbeugung (XRD) beobachtet werden, während die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) gibt Auskunft über die lokalen elektronischen und geometrischen Strukturen (z. B. Änderungen der Redox-Staaten und Bindung lengths). In-situ-Experimente an Zellen durchgeführt Betrieb sind besonders nützlich, da sie eine direkte Korrelation zwischen den elektrochemischen und strukturellen Eigenschaften der Materialien. Diese Experimente sind zeitaufwendig und schwierig sein kann aufgrund der Reaktivität und Luftempfindlichkeit der Alkalimetallanoden in den Halbzellenkonfigurationen verwendet gestalten und / oder die Möglichkeit der Signalinterferenz von anderen Zellkomponenten und Hardware. Aus diesen Gründen ist es angebracht, in einigen Fällen die Ex-situ-Experimente (zB Elektroden aus teilweise oder radelte Zellen geerntet). Hier stellen wir ausführliche Protokolle für die Herstellung von sowohl ex situ und in situ Proben für Experimente mit Synchrotronstrahlung und zeigen, wie diese Experimente durchgeführt werden.

Figur 2 zeigt eine typische Sequenz für eine in-situ-Experiment verwendet. Nach der Synthese und Charakterisierung von aktiven Materialpulvern werden Verbundelektroden aus Aufschlämmungen, die das aktive Material, ein Bindemittel, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) und leitfähige Additive, wie Ruß oder Graphit in N-Methylpyrrolidinon (NMP) suspendiert, auf entweder gegossen hergestellt Aluminium-oder Kupferfolien-Stromkollektoren. Aluminium wird für Lithium-Ionen-Batterie-Kathoden und alle Natrium...

Wir beschreiben die Verwendung von Synchrotron-Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und Röntgenbeugung (XRD)-Techniken, um Details Einlagerung / Auslagerung Prozesse in Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Na-Ionen-Batterien zu untersuchen. Sowohl in situ und ex situ-Experimente werden verwendet, um Strukturverhalten, die für die Bedienung der Geräte verstehen

Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, strukturelle Veränderungen in Elektroden zu untersuchen, die in Echtzeit während des Zyklierens in Batterien auftreten. Dies wird erreicht, indem Testzellen so modifiziert zusammengebaut werden, dass die Elektrodenprozesse an einer Strahllinie einer Synchrotronstrahlungsanlage untersucht werden können, während die Vorrichtungen Ladung und Entladung durchlaufen. In einem zweiten Schritt werden Daten an den Testzellen an der Strahllinie in Abhängigkeit von der Zeit und den Betriebsbedingungen gesammelt.Anschließend werden die Daten verarbeitet und analysiert, um die strukturellen Veränderungen in Abhängigkeit vom Ladezustand zu beobachten. Es werden Ergebnisse gewonnen, die Einblicke in die Funktionsweise der Elektroden liefern, einschließlich Phasenänderungen und Degradationsprozesse, basierend auf der Verfeinerung der Beugungsdaten und deren Interpretation. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden konventionellen Methoden wie der Röntgenpulverdiffraktion besteht darin, dass die Signalamplitude deutlich höher und die Messdauer wesentlich kürzer ist, was eine schnelle Datenaufnahme ermöglicht.Dies ermöglicht

characterization-electrode-materials-for-lithium-ion-sodium-ion

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Beschreiben wir das Design und die Konstruktion einer elektrochemischen Zelle für die Prüfung der Elektrodenmaterialien unter Verwendung von in situ Neutronenpulverbeugungs (NPD). Wir kommentieren kurz auf alternative in situ NPD Zellkonzepte und Methoden für die Analyse des entsprechenden bei der Verwendung dieser Zelle produziert situ NPD-Daten zu diskutieren.

In Situ Neutronenpulver Mit Maßgeschneiderte Lithium-Ionen-Batterien

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Hier präsentieren wir ein Protokoll für typische Experimente weich Röntgenabsorptionsspektroskopie (sXAS) und resonanten unelastische Röntgenstreuung (RIXS) mit Anwendungen in Batterie Materialstudien.

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Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll für die Herstellung und Vorbereitung einer Graphen flüssige Zelle in Situ Übertragung Elektronenmikroskopie Beobachtung, zusammen mit einer Synthese aus Elektrodenmaterialien und elektrochemische Zelle Batterietests.

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Nanoskalige Charakterisierung von Flüssig-Fest-Grenzflächen durch Kopplung von kryofokussiertem Ionenstrahlfräsen mit Rasterelektronenmikroskopie und Spektroskopie

Unter Ausnutzung der Volumenänderung von Si-Nanopartikeln während der (De-)Lithiierung beschreibt das vorliegende Protokoll eine Screening-Methode potenzieller Beschichtungen für Festkörperbatterien mittels in situ Transmissionselektronenmikroskopie.

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Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

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