Article de méthode

In Situ diffraction de poudre, l'utilisation des batteries au lithium-ion sur mesure

DOI :

10.3791/52284

⸱

10 novembre 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Chemistry, University of Sydney, 2Institute for Superconducting & Electronic Materials, University of Wollongong, 3Australian Synchrotron, 4Australian Nuclear Science and Technology Organisation, 5School of Mechanical, Materials, and Mechatronic Engineering, University of Wollongong, 6School of Chemistry, University of New South Wales

Dans cet article

Résumé

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

Nous décrivons la conception et la construction d'une cellule électrochimique pour l'examen des matériaux d'électrode en utilisant in situ diffraction de poudre de neutrons (NPD). Nous commentons brièvement sur ​​deux dans la conception des cellules NPD in situ et de discuter des méthodes pour l'analyse de la correspondante de données NPD in situ produites en utilisant cette cellule.

Résumé

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

Les batteries Li-ion sont largement utilisés dans les appareils électroniques portables et sont considérés comme des candidats prometteurs pour des applications de haute énergie tels que les véhicules électriques. 1,2 Cependant, de nombreux défis, tels que la densité d'énergie et la durée de vie batterie, doivent être surmontés avant que ce particulier la technologie de la batterie peut être largement mis en œuvre dans de telles applications. 3 Cette recherche est difficile, et nous décrivons une méthode pour relever ces défis en utilisant NPD in situ pour sonder la structure cristalline d'électrodes en cours de cyclage électrochimique (charge / décharge) dans une batterie. Données NPD aider à déterminer le mécanisme structurel sous-jacent responsable d'une gamme de propriétés de l'électrode, et ces informations peuvent orienter l'élaboration de meilleures électrodes et des batteries.

Nous examinons brièvement six types de batterie conçoit des expériences NPD et le détail de la méthode pour construire le "roll-over" cellule que nous avons fait sur mesureutilisé avec succès sur la haute intensité instrument de NPD, Wombat à la science et de la technologie nucléaire de l'Organisation australienne (ANSTO). Les considérations de conception et les matériaux utilisés pour la construction de la cellule sont discutées en relation avec les aspects de la réelle expérience de NPD in situ et directions initiales en sont présentés sur la façon d'analyser tel complexe des données in situ.

Introduction

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

Batteries lithium-ion rechargeables fournissent de l'énergie portable pour l'électronique moderne et jouent un rôle important dans les applications de haute énergie tels que les véhicules électriques et en tant que dispositifs de stockage d'énergie à grande échelle la production d'énergie renouvelable. 3-7 Un certain nombre de défis restent à parvenir à une utilisation généralisée de rechargeable piles de stockage des véhicules et à grande échelle, y compris la densité et de la sécurité énergétiques. L'utilisation de méthodes in situ pour sonder fonction de la batterie atomique et moléculaire à l'échelle en cours de fonctionnement sont de plus en plus commun que les informations obtenues dans ces expériences peut diriger des méthodes pour améliorer les matériaux existants de la batterie, par exemple en identifiant les mécanismes de défaillance possibles, 8-10 et en révélant structures cristallines qui pourraient être envisagées pour la prochaine génération de matériaux. 11

Un des principaux objectifs de NPD in situ est de sonder l'évolution de la structure cristalline des composants à l'intérieur d'une batterieen fonction de la charge / décharge. Afin de mesurer l'évolution de la structure cristalline les composants doivent être cristallin, qui se concentre de telles études sur des électrodes cristallographique-commandés. Il est au niveau des électrodes que le porteur de charge (au lithium) est insérée / extraite et ces changements sont suivis par NPD. In situ NPD offre la possibilité de "suivre" non seulement l'évolution de mécanisme de réaction et paramètre de maille des électrodes, mais aussi la insertion / extraction de lithium à partir des électrodes. Essentiellement, le porteur de charge dans les batteries lithium-ion peut être suivie. Cela donne une vue lithium-centrée de la fonction de la batterie et a été récemment démontré que dans quelques études. 11-13

NPD est une technique idéale pour examiner les matériaux contenant du lithium et des batteries lithium-ion. En effet, NPD repose sur l'interaction entre un faisceau de neutrons et l'échantillon. Contrairement aux rayons X sur poudre (XRD), où l'interactionde la radiation des rayons X est essentiellement avec les électrons de l'échantillon et par conséquent varie linéairement avec le nombre atomique, dans le NPD interaction est médiée par des interactions des neutrons des noyaux qui se traduisent par une variation plus complexe et apparemment aléatoire avec un nombre atomique. Ainsi, in situ NPD est particulièrement prometteur pour l'étude de matériaux pour batteries lithium-ion en raison de facteurs tels que la sensibilité du NPD vers atomes de lithium en présence d'éléments plus lourds, l'interaction non-destructive de neutrons avec la batterie, et le haut la profondeur de pénétration des neutrons permettant l'examen de la structure cristalline majeure partie des composants de la batterie à l'intérieur des piles entières de la taille utilisée dans des dispositifs commerciaux. Par conséquent, NPD in situ est particulièrement utile pour l'étude des batteries lithium-ion, à la suite de ces avantages. Malgré cela, l'adoption des expériences in situ du NPD de la communauté batterie-recherche a été limitée, ce qui représente seulement 25 publications péchéCE le premier rapport sur ​​l'utilisation NPD in situ pour la recherche de la batterie en 1998. 14 L'absorption limitée est due à des obstacles majeurs expérimentales, telles que la nécessité de tenir compte de la grande section incohérente de neutrons de diffusion de l'hydrogène dans les solutions d'électrolytes et séparateur dans la batterie, ce qui est préjudiciable au signal de NPD. Ceci est souvent résolu par la substitution de (2 H) des solutions d'électrolyte deutérés et en remplaçant le séparateur avec des matériaux pauvres alternatif exempt d'hydrogène ou. 15 Une autre difficulté est la nécessité d'avoir un échantillon suffisant dans le faisceau de neutrons, une exigence qui nécessite souvent l'utilisation de électrodes plus épaisses qui limite à son tour la charge maximale / taux de décharge qui peut être appliquée à la batterie. Une préoccupation plus pratique est le nombre relativement faible de l'ensemble du monde diffractomètres à neutrons par rapport à diffractomètres à rayons X, et de leurs capacités - par exemple le temps et la résolution angulaire. Comme nouveau diffractome de neutronsTER ont mis en ligne et les obstacles mentionnés ci-dessus surmonter, dans des expériences in situ du NPD ont augmenté en nombre.

Il ya deux options pour mener des expériences NPD in situ, en utilisant soit des cellules commerciales ou sur mesure. Les cellules commerciales ont été mises en évidence à révéler des informations structurelles, y compris l'évolution de la teneur en lithium et de la distribution dans les électrodes. 8-11,16-20 Cependant, en utilisant des cellules commerciales limite le nombre d'électrodes qui peuvent être étudiés à ceux déjà disponibles dans le commerce, et où fabricants ou certains établissements de recherche sont engagés à produire des cellules de type commercial avec des matériaux encore non commercialisés. La production de cellules de type commercial est dépendante de la disponibilité de quantités suffisantes d'un matériau d'électrode pour la production de cellules, typiquement de l'ordre de kg et significativement plus élevée que celle utilisée dans la recherche de la batterie, ce qui peut constituer un obstacle à la production de cellules. Cellules commerciales tyPically en vedette deux électrodes qui évoluent au cours de charge / décharge et l'évolution des deux électrodes seront capturés dans les diagrammes de diffraction résultant. En effet, le faisceau de neutrons est très pénétrante et peut pénétrer dans les cellules lithium-ion unique (par exemple, le volume total de 18 650 cellules). L'évolution des deux électrodes peut faire l'analyse des données compliqué, mais si suffisamment de réflexions de Bragg des deux électrodes sont observées ceux-ci peuvent être modélisés à l'aide des méthodes de poudre motif entiers. Néanmoins, les cellules de demi-mesure peuvent être construits dans laquelle une électrode est lithium et ne devrait pas changer structurellement au cours de charge / décharge et donc agir comme un (ou autre) étalon interne. Il reste donc seulement une électrode qui doit présenter un changement structurel, ce qui simplifie l'analyse des données. Il faut également veiller à ce que toutes les réflexions d'électrodes d'intérêt ne se chevauchent pas avec les réflexions des autres composants des changements structurels dans la cellule. L'annoncevue d'une cellule sur mesure est que les composants peuvent être échangés pour modifier les positions de réflexion dans des motifs de diffraction. En outre, les cellules sur mesure permettent aux chercheurs la possibilité de, en principe, améliorer le rapport signal-bruit et à étudier les matériaux qui sont fabriqués par lots de recherche à petite échelle et permettant ainsi l'étude d'une grande variété de matériaux de NPD in situ.

À ce jour, il ya eu six modèles de cellules électrochimiques dans les études NPD in situ signalés, dont trois modèles cylindriques, 14,15,21,22 deux type de pièce conceptions de cellules 23-26 et une conception de la cellule de poche. 12,27 La première cellule cylindrique conception a été limitée en utilisation à très faible charge / décharge des taux en raison des grandes quantités de matériaux d'électrodes utilisées. 14,21 La conception roll-over, 15 détaillées ci-dessous, et la version de la cellule cylindrique d'origine modifié, 22 ont surmonté beaucoup de problèmes associés à til première conception cylindrique, et peut être utilisé pour mettre en corrélation de manière fiable la structure des matériaux d'électrode avec leur électrochimie. , La pièce-cellule dessins Coin-cellulaires pour en NPD in situ permettent également des quantités similaires de matériaux d'électrodes pour être sondés par rapport au roll-over cellulaire, tout en comportant des différences subtiles en termes de construction, les taux de charge en vigueur, et le coût. 15 En particulier type a été récemment rapporté comme ayant été réalisé en utilisant un alliage Ti-Zn comme matériau de tubage (null-matrice) qui ne produit pas de signal dans les modes de NPD 26. Ceci est similaire à l'utilisation de boîtes de vanadium dans la conception de renversement décrit ci-dessous . Un facteur clé qui peut influencer taxe applicable / taux de décharge (et polarisation) est l'épaisseur de l'électrode, où des électrodes généralement plus épais nécessitent l'application d'un courant plus faible. Les modèles de cellules qui deviennent maintenant plus populaires sont les cellules de pochette avec des feuilles de plusieurs cellules individuelles reliées en parallèle, ou feuilles qui sont enroulés d'une manière similaire à la construction de batteries lithium-ion trouvé dans l'électronique mobile. 12,27 Cette cellule est de forme rectangulaire (une poche) qui peut fonctionner à des taux plus élevés de charge / décharge que le roll-over ou de type de pièce cellules. Dans ce travail, nous nous concentrons sur le «roll-over» conception de la cellule, illustrant la construction de la cellule, de l'utilisation et des résultats en utilisant la cellule.

La préparation d'électrodes pour les batteries de conception de renversement est pratiquement similaire à la préparation de l'électrode pour une utilisation en piles boutons classiques. L'électrode peut être coulé sur le collecteur de courant par la racle, avec la plus grande différence étant que l'électrode a besoin pour couvrir des dimensions supérieures à 35 x 120-150 mm. Cela peut être difficile à uniformément couche avec tous les matériaux d'électrode. Les couches de l'électrode sur le collecteur de courant, séparateur, et le lithium métal-feuille sur le collecteur de courant sont disposés, roulé, et insérés dans des boîtes de vanadium. L'utilisation de l'électrolyted est LiPF 6, l'un des sels les plus couramment utilisés dans les batteries lithium-ion carbonate d'éthylène deutéré et le carbonate de diméthyle deutéré. Cette cellule a été utilisée avec succès dans les quatre études rapportées et sera décrit plus en détail ci-dessous. 15,28-30

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Protocole

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1. Les composants cellulaires requis Avant la construction

REMARQUE: Un vanadium peut est classiquement utilisé pour des expériences de NPD et il est un tube à cent pour vanadium qui est scellé à une extrémité et ouvert à l'autre. Il n'y a pratiquement pas de signal en données de NPD de vanadium.

  1. Couper un morceau de lithium métal-feuille de dimensions correspondant au volume de la boîte de vanadium. Par exemple, couper un morceau d'environ 120 x 35 mm pour un diamètre de 9 mm vanadium peut. En outre, utiliser de diluant feuille de lithium pour minimiser l'absorption de neutrons, notant que les épaisseurs inférieures à 125 um peuvent être difficiles à gérer sans se déchirer.
  2. Pré-sélectionner le type de séparateur à utiliser. Couper une feuille de séparateur de telle sorte que les dimensions sont légèrement plus grandes que les électrodes, par exemple, 140 x 40 mm.
    NOTE: Bien que poreux polyvinyle (PVDF) membrane absorbe facilement jusqu'à électrolyte, il est coûteux et peut facilement être endommagé et déchiré si pas manipulé avec soin lorsconstruction. Sinon, disponibles dans le commerce des feuilles à base de polyéthylène sont plus robustes, mais ils ne sont pas absorber électrolyte aussi facilement et réduisent généralement le signal-sur-bruit en raison de la teneur en hydrogène plus.
  3. Faire l'électrode positive en suivant les lignes directrices énoncées par Marks et al. 31 A savoir, combiner PVDF, le noir de carbone, et le matériau actif à un rapport sélectionné. En règle générale, utiliser un rapport de 10:10:80 en PVDF: carbone: matière active, mais cette ajuster en fonction du matériau à l'étude. Broyer le mélange et ajouter N-méthyl pyrrolidone (NMP) goutte à goutte jusqu'à obtention d'une suspension, puis agité pendant une nuit.
  4. Répartir le mélange sur une feuille d'aluminium (épaisseur 20 um) en utilisant la technique de la lame de raclage.
    1. Coller la feuille de collecteur de courant de dimensions 200 x 70 mm sur une surface lisse (par exemple en verre) en appliquant quelques gouttes d'éthanol à la surface et de placer le collecteur de courant sur ​​la surface. Sinon, nouse un instrument qui peut tirer un léger vide sur le collecteur de courant à partir de la surface lisse. Lisser le collecteur de courant de sorte qu'il n'y ait pas de plis ou plis avant d'appliquer la suspension.
    2. Placer une dent ou large demi-cercle en forme de flaque de la bouillie à une extrémité du collecteur de courant. L'utilisation d'un cran bar, d'un rouleau ou une coucheuse spécialement conçu (un bar de cran avec une hauteur prédéfinie au-dessus du collecteur de courant, par exemple 100 ou 200 um est généralement utilisé) étendre la pâte sur le collecteur de courant en faisant glisser le dispositif choisi dans le collecteur de courant et en suspension, d'où l'étalement de la suspension sur la surface du collecteur de courant.
    3. Retirez délicatement le collecteur de courant à partir de la surface lisse et placez le collecteur de courant et répandu boue dans un four sous vide pour le séchage.
      REMARQUE:. La technique d'étalement est décrite plus en détail dans Marks et al 31
  5. Couper la prépa d'électrode positiverouge à l'étape 1.3 de telle sorte que les dimensions correspondent à la feuille de lithium. Assurez-vous que il ya un "tab" de métaux non revêtus collecteur de courant d'environ 0,5 cm de longueur à une extrémité. Pour améliorer les performances de la batterie, appuyez sur le film d'électrode positive séché dans le collecteur de courant à l'aide d'une presse à plaque plane.
    REMARQUE: La figure 1 montre la taille relative des composants du séparateur et de l'électrode positive. La quantité minimale de matériau actif dans l'électrode est de 300 mg, cependant, plus la quantité (par rapport à d'autres composants de la batterie), meilleur est le signal de NPD. Un signal plus importante peut permettre de plus amples informations à extraire les données de NPD et une meilleure résolution temporelle.
  6. Préparer une pré-M hexafluorophosphate de lithium dans un mélange 01/01% en volume de carbonate d'éthylène deutérié et le carbonate de diméthyle deutéré. Assurez-vous que tout le LiPF 6 est dissous et l'électrolyte est bien mélangé avant utilisation.
  7. Coupez un morceau de collecteur de courant de til mêmes dimensions que l'électrode positive à l'étape 1.5 et peser le collecteur de courant et l'électrode positive. Soustraire ces masses d'obtenir la masse du mélange de l'électrode. Multiplier la masse du mélange d'électrode de 0,8 à donner la masse de la matière active.

2. Cellule Construction

  1. Avant l'assemblage de la cellule à l'intérieur d'une boîte à gants rempli d'argon, prévoir soit un plateau en plastique ou d'un autre revêtement non-métallique sur la base de la gloxebox.
  2. Empilez les composants individuels dans l'ordre suivant: une longue bande de séparateur, électrode positive avec la suspension vers le haut et la tige d'aluminium (ou fil de cuivre) enroulé dans l'onglet "" à une extrémité, la deuxième bande de séparateur, et enfin le lithium métal avec un fil de cuivre enroulé sur l'extrémité du métal de lithium (la même extrémité que la tige d'aluminium).
  3. Commencer à rouler les couches de la fin avec la tige d'aluminium et fil de cuivre, veiller à ce que les deux électrodes ne sont pas encontact.
  4. Si une feuille à base de polyéthylène a été sélectionné en tant que séparateur, parfois ajouter quelques gouttes d'électrolyte dans le séparateur entre le lithium métallique et l'électrode positive sur toute la longueur de la pile. Alternativement, ajouter les gouttes progressivement au cours du laminage. Si une membrane de PVDF a été utilisé en tant que séparateur cette étape est inutile.
  5. Veillez à ce que l'électrode est enroulé serré et que les couches restent alignés.
    REMARQUE: Si les couches d'un mauvais alignement du processus de laminage peut être nécessaire de redémarrer, cependant, la prudence doit être prise comme la solution d'électrolyte est très volatil et plus peut être nécessaire d'ajouter.
  6. Assurez-vous que la pièce de séparateur plus enveloppe complètement autour de la pile ou rouler sorte que les électrodes ne sont pas exposés (à savoir les électrodes ne touchent pas le boîtier de vanadium).
  7. Insérez la pile dans le laminé de telle sorte que le vanadium peut le fil de cuivre et d'aluminium tige font saillie au-delà de 2-3 cmla partie supérieure de la boîte de vanadium. Ajouter goutte à goutte de l'électrolyte restant dans le haut du vanadium peut, utiliser 1,5 ml au total.
  8. Ajouter un bouchon en caoutchouc avec des encoches découpées dans les flancs de la tige d'aluminium et de fil de cuivre dans la partie supérieure de la boîte de vanadium. Sceller la boîte en faisant fondre la cire dentaire sur le dessus de la boîte et autour de l'extrémité de la gaine plastique du fil de cuivre. Vérifier que la cellule finale apparaît comme représenté sur la figure 2.
  9. Permettre à la cellule de «âge» ou «humide» horizontalement pour 12-24 heures. Avant utilisation, tester le potentiel en circuit ouvert par la tige de liaison en aluminium et le fil de cuivre aux bornes d'un multimètre et la mesure du potentiel de la cellule construite. Assurez-vous également qu'il n'y a pas de fuites par inspection visuelle.

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Résultats

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Nous avons démontré la polyvalence dans l'utilisation de cette cellule roll-over dans la littérature 15,28-30 et nous présentons ici un exemple avec le Li 0,18 Sr 0,66 Ti 0,5 Nb 0,5 O 3 électrode. 32

Avant d'essayer un raffinement séquentiel Rietveld (raffinements Rietveld en fonction de l'état de charge), un seul raffinement d'un modèle multiphase à la première série de données a été effectuée, avec ces données rec...

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Discussion

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Lors de la conception et de l'exécution d'une expérience in situ, soit avec le "roll-over" cellule de diffraction de neutrons ou d'une autre conception, il ya un certain nombre d'aspects qui doivent être contrôlés avec soin pour assurer une expérience réussie. Ceux-ci comprennent un choix judicieux du type et de la quantité de composants de la cellule, en veillant à ce que l'électrode préparée et cellulaire finale construits sont de haute qualité, le choix des conditions de diffrac...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Nous remercions AINSE Ltd pour son soutien par le biais du programme de bourses de recherche et de bourses de troisième cycle.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Slurry Preparation
PVDFMTI CorporationEQ-Lib-PVDFhttp://www.mtixtl.com/PVDFbinderforLi-ionbatteryelectrodes80g/bag-EQ-Lib-PVDF.aspx
Active Electrode MaterialResearchs*Cela dépend de l’électrode étudiée, généralement fabriquée en interne par le chercheur et varie à chaque fois que
Carbon noirMTI CorporationEQ-Lib-SuperC65http://www.mtixtl.com/TimicalSUPERC65forLithium-IonBatteries80g/bag-EQ-Lib-SuperC65.aspx
NMPMTI CorporationEQ-Lib-NMPhttp://www.mtixtl.com/N-Methyl-2-pyrrolidoneNMPsolventforPVDF
250g/bottleLib-NMP.aspx
Agitateur magnétiqueIKAC-MAG HS 7 IKAMAGhttp://www.ika.in/owa/ika/catalog.product_detail?iProduct=3581200
Fabrication d’électrodes
Racle (barre d’encoche)DPM Solutions Inc.100, 200, 300 & 400 microns  ; 4 faces Notch Bar
Al ou Cu Collecteurs de courantMTI CorporationEQ-bcaf-15u-280http://www.mtixtl.com/AluminumFoilforBatteryCathodeSub
strate-EQ-bcaf-15u-280.aspx
Four sous videBindere.g. VD 53http://www.binder-world.com/en/vacuum-drying-oven/vd-series/vd-53/
Presse à plaque planeMTI CorporationEQ-HP-88V-LDhttp://www.mtixtl.com/25THydraulicFlat
HotPress-EQ-HP-88V.aspx
Roll-over cell construction
V peut
électroder sur Al/CuMTI CorporationEQ-bcaf-15u-280http://www.mtixtl.com/AluminumFoilforBatteryCathodeSub
strate-EQ-bcaf-15u-280.aspx
à base de polyéthylène ou de membrane PVDFMTI CorporationEQ-bsf-0025-400Chttp://www.mtixtl.com/separatorfilm-EQ-bsf-0025-400C.aspx
LiPF6Sigma-Aldrich450227http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/450227?lang=en®ion=AU
isotopes de Cambridge de carbonatede diméthyle deutéréDLM-3903-PK  ;http://shop.isotope.com/productdetails.aspx?id=10032379&itemno=DLM-3903-PK
isotopes CDNl’éthylène carboante deutérésD-5489https://www.cdnisotopes.com/as/products/specifications/D-5489.php?ei=YWVraWmjoJ1i0lZ7nkr0RpwHr
Hxc9ornu14O4WUtZKbZWZrcq6j55
G0lOab3Wi0dMZ7xc+0Yse1leWVtZ
LnrGKvta7v591o4JrnkbRowHt/r
Li feuille métalliqueMTI CorporationLib-LiF-30Mhttp://www.mtixtl.com/Li-Foil-30,000 ml-35 mmW-0.17 mm
Th.aspx
en caoutchouc coupé à la taillegénériquecoupe une gomme générique à la taille
cire dentaireAinsworth DentalAIW042http://www.ainsworthdental.com.au/catalogue/Ainsworth-Modelling-Wax-500g.html
Fil de cuivre (isolé)fil de Cu gainé génériquequi peut être coupé à la taille Tige d’aluminium
(< 2 mm de diamètre)coupe génériqueà la taille souhaitée
GloveboxMbraunUNILabhttp://www.mbraun.com/products/glovebox-workstations/unilab-glovebox/
Ciseaux  ;générique
Fer à soudergénérique
In situ NPD
Diffractomètre à neutrons appropriéANSTOWombathttp://www.ansto.gov.au/ResearchHub/Bragg/Facilities/Instruments/Wombat/
Potentiostat/galvanostatAutolabPGSTAT302Nhttp://www.ecochemie.nl/Products/Echem/NSeriesFolder/PGSTAT302N
Connexions à la batterie à partir du potentiostat/galvanostatgénérique
Formation de l’instrument NPD et de son utilisation
Analyse des données
Visualisation des données et ajustement des pics, .par ex. LAMP suiteILLLAMPhttp://www.ill.eu/instruments-support/computing-for-science/cs-software/all-software/lamp/
Logiciel d’analyse Rietveld, par exemple GSASAPSGSAS
de Bouchon gomme https://subversion.xray.aps.anl.gov/trac/EXPGUI

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Wakihara, M. Recent developments in lithium ion batteries). Mater. Sci. Eng., R. 33, 109-134 (2001).
  3. Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chem. Mater. 22, 587-603 (2010).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for rechargeable batteries. J. Power Sources. 196, 6688-6694 (2011).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Colin, J. -F., Godbole, V., Novak, P. In situ neutron diffraction study of Li insertion in Li4Ti5O12. Electrochem. Commun. 12, 804-807 (2010).
  26. 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).
  27. Liu, H. D., Fell, C. R., An, K., Cai, L., Meng, Y. S. In-situ neutron diffraction study. Journal of Power Sources of the xLi(2)MnO(3)center dot(1-x)LiMO2 (x=0, 0.5; M. 240 (2), Ni, Mn, Co. 772-778 (2013).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Richard, D., Ferrand, M., Kearley, G. J. Analysis and Visualisation of Neutron-Scattering Data. J. Neutron Research. 4, 33-39 (1996).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).

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