Protocole de test électrochimiques et caractérisation de aprotique Li-O

L'objectif général de cette procédure est de démontrer un agencement systématique et efficace des tests courants d'une batterie aprotique au lithium-oxygène, incluant un test électrochimique et la caractérisation des matériaux de la batterie. Ce protocole implique l'étude du mécanisme de la batterie aprotique au lithium-oxygène, ainsi que le développement de matériaux pour batteries, tels que des matériaux actifs ou des électrocatalyseurs, des cathodes, des électrolytes aprotiques et des matériaux d'anode. Le principal avantage de ce protocole est qu'il inclut des composants pouvant influencer les réactions électrochimiques dans la batterie au lithium-oxygène, tels que l'azote, le dioxyde de carbone et l'humidité provenant de l'atmosphère.

Il réduit également les sous-produits tels que l'hydroxyde de lithium et le carbonate de lithium. Pour commencer cette procédure, mélangez le matériau de cathode préparé au préalable et le fluorure de polyvinylidène, ou PVDF, selon un rapport pondéral de quatre pour un. Ajoutez du MP en quantité d'environ trois fois le poids du mélange.

Agiter le mélange pour obtenir une suspension homogène. Appliquer la suspension en une couche d'une épaisseur d'environ 100 micromètres sur du papier carbone à l'aide d'une raclette. Ensuite, sécher le stratifié toute une nuit dans une étuve sous vide à 100 degrés Celsius.

Le jour suivant, découpez le stratifié en disques à l’aide d’un perforateur et pesez-les. Pour la préparation de l’électrolyte aprotique, séchez le triflate de lithium toute la nuit dans une étuve sous vide à 100 degrés Celsius. Dans une boîte à gants remplie d’argon, préparez une solution d’une mole par litre de triflate de lithium séché dans du tétraéthylène glycol diméthyl éther.

Agiter la solution avec un agitateur magnétique jusqu'à ce que le sel soit dissous. Pour préparer l'anode, découper des pastilles de lithium en disques à l'aide d'un perforateur. Monter la cellule Swagelok comme indiqué ici.

Serrer l'extrémité de l'anode et desserrer l'extrémité de la cathode. Ensuite, placer l'un des disques de lithium sur la tige en acier inoxydable de l'extrémité de l'anode. Placer un séparateur en fibre de verre au-dessus de l'anode en métal de lithium.

Ajoutez cinq à sept gouttes d'électrolyte pour humidifier complètement le séparateur en fibre de verre. Ensuite, appuyez délicatement sur le séparateur pour éliminer les bulles. Puis, placez un morceau de cathode sur le dessus du séparateur humidifié, avec la matière active tournée vers l'anode.

Couvrez la cathode avec un morceau de treillis en aluminium. Appuyez sur les couches à l’aide du tube en aluminium et serrez l’extrémité de la cathode. Scellez l’ensemble de la cellule Swagelok dans une chambre en verre et fixez la chambre avec une pince.

Après avoir retiré la cellule de la boîte à gants, raccordez la chambre en verre à une bouteille d'oxygène d'ultra-haute pureté. Purgez la chambre avec un débit continu d'oxygène à une atmosphère pendant 30 minutes. À ce stade, assurez-vous que le thermostat est réglé à 25 degrés Celsius.

Placer la cellule et les électrodes dans le thermostat et les fixer, puis accrocher la cathode et l'anode sur la chambre en verre à l'aide des pinces électroniques correspondantes. Ensuite, ouvrir le logiciel de fonctionnement du système de test de batterie et sélectionner le canal connecté au câble. Régler la tension de coupure de décharge à 2,2 volts pour le test de décharge.

Configurer le temps de pas de décharge/charge sur 10 heures pour le test de cyclage contrôlé par capacité. Ensuite, régler la tension de coupure de décharge à 2,2 volts et la tension de coupure de charge à 4,5 volts pour le test de cyclage contrôlé par tension. Puis, exécuter la procédure en cliquant sur le bouton de démarrage dans l'interface logicielle.

Une fois l'essai terminé, démonter la cellule dans la boîte à gants. Placer les électrodes dans des vials en verre pour une caractérisation ultérieure. Après avoir retiré les pièces restantes de la cellule de la boîte à gants, placer les composants Swagelok, la tige en acier inoxydable, les tubes en aluminium et les grilles en aluminium dans un bécher contenant de l'eau déionisée.

Ensuite, les nettoyer par ultrasonication pendant 15 à 30 minutes. Enfin, sécher les pièces de la cellule et la chambre en verre dans un thermostat réglé entre 60 et 80 degrés Celsius. Les images MEB du noir de carbone avant et après le chargement en catalyseur montrent la préservation de la structure de surface poreuse.

Les images de MET montrent les nanoparticules du nanoélectrocatalyseur, uniformément réparties sur le substrat de carbone, et des nanoparticules bien cristallisées sont visibles sur l'image de MET à haute résolution. Les spectres XANES montrent que les nanoparticules du nanoélectrocatalyseur sont partiellement oxydées, en raison de la préparation des cathodes à l'air. Les profils de tension typiques pour les cycles de décharge et de charge-décharge sont présentés ici.

Dans l'image MEB de la cathode déchargée, les produits présentent une forme toroïdale, largement reconnue comme la morphologie principale du peroxyde de lithium dans une cellule lithium-oxygène. Les pics de peroxyde de lithium et de carbone sont observés sur le diffractogramme XRD de la cathode déchargée, ce qui suggère que les réactions secondaires sont minimisées dans la cellule. Les spectres XPS montrent que le peroxyde de lithium et l'hydroxyde de lithium se forment à la surface de la cathode après décharge.

Le peroxyde de lithium est réduit, mais l'hydroxyde de lithium subsiste après la charge. Une quantité infime de superoxyde de lithium est détectée par spectroscopie Raman. Les signaux de vibration de l'hydroxyde et du carbonyle dans les spectres FTIR indiquent la présence de l'électrolyte éther, ainsi que d'autres espèces hydroxyde, carbonate ou carbonyle, formées lors de réactions secondaires.

Une fois maîtrisée, ce type de cellule peut être assemblé en cinq minutes, à condition d'être réalisé correctement. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine des batteries métal-air pour explorer les performances des batteries lors de tests électrochimiques ainsi que la catégorisation des matériaux de batterie. Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de se rappeler de travailler dans une boîte à gants remplie d'argon afin d'éviter les réactions secondaires et les sous-produits.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière d'étudier systématiquement et efficacement les batteries au lithium-oxygène. N'oubliez pas que le travail avec les métaux alcalins et les solvants organiques peut être extrêmement dangereux, et que des précautions telles que le port de gants, le travail dans une boîte à gants et le travail sous une hotte chimique doivent être prises lors de la réalisation de cette procédure.