מאמר שיטה

אפיון של חומרי אלקטרודה לסוללות ליתיום יון ויון נתרן באמצעות טכניקות Synchrotron קרינה

DOI:

10.3791/50594

⸱

11 בנובמבר 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

במאמר זה

סיכום

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

אנו מתארים את השימוש בספקטרוסקופיה סינכרוטרון רנטגן הקליטה (סאס) ועקיף X-ray טכניקות (XRD) כדי לבחון את הפרטים של תהליכי העיבור / deintercalation בחומרי אלקטרודה עבור סוללות ליתיום נטענת וNa-ion. שניהם באתרם וניסויים באתרו לשעבר נמצאים בשימוש כדי להבין את התנהגות מבנית רלוונטית להפעלתם של מכשירים

תקציר

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

תרכובות עיבור כגון תחמוצות של מתכות מעבר או פוספטים הן חומרי האלקטרודה הנפוצה ביותר בליתיום וסוללות Na-ion. במהלך החדרה או הסר של יונים של מתכות אלקליות, מדינות חיזור של מתכות מעבר בתרכובות לשנות ושינויים מבניים כגון מעברי מופע ו / או עליות פרמטר סריג או ירידות להתרחש. התנהגויות אלה בתורם לקבוע מאפיינים חשובים של הסוללות כגון פרופילי פוטנציאל, יכולות שיעור, וחיי מחזור. קרני ה-X הבהיר מאוד ומתכוננת המיוצרת על ידי קרינת סינכרוטרון מאפשרת רכישה מהירה של נתונים ברזולוציה גבוהה המספקים מידע על תהליכים אלה. תמורות שחלו בחומרים בתפזורת, כגון מעבר פאזה, ניתן לצפות ישירות באמצעות דיפרקציה רנטגן (XRD), בעוד ספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X (סאס) נותנת מידע על המבנים המקומיים האלקטרוניים וגיאומטריים (לדוגמא: שינויים במצבי חיזור והאג"ח lengths). בניסויים באתר מתבצעים על תאי הפעלה הם שימושיים במיוחד משום שהם מאפשרים קשר ישיר בין המאפיינים אלקטרוכימיים ומבניים של החומרים. ניסויים אלה הם גוזל זמן ויכולים להיות מאתגרים לעצב בשל תגובתיות ומיזוג הרגישות של אנודות מתכת אלקלית בשימוש בתצורות חצי התא, ו / או את האפשרות של התערבות אות ממרכיבי תא אחרים וחומרה. מסיבות אלה, ראוי לבצע ניסויים באתרו לשעבר (לדוגמא באלקטרודות שנקטפו מן התאים טעונים או רכב על אופניו באופן חלקי) במקרים מסוימים. כאן, אנו מציגים פרוטוקולים מפורטים להכנה של שניהם באתרו לשעבר ובדגימות באתר לניסויים מעורבים קרינת סינכרוטרון ולהדגים כיצד מתבצעים ניסויים אלה.

מבוא

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

סוללות ליתיום יון עבור מוצרי אלקטרוניקה כיום פקודת שוק 11000000000 $ בעולם ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) והם הבחירה המובילה עבור יישומי רכב מתפתחים כגון התוספת כלי רכב חשמלי היברידיים (PHEVs) וכלי רכב חשמליים (EVS). אנלוגים להתקנים אלה ניצול יוני נתרן ולא ליתיום נמצאים בשלבים מוקדמים של פיתוח, אך הם נחשבים לאטרקטיביים לאחסון אנרגיה בקנה מידה גדולה (כלומר יישומי רשת) על בסיס עלות וטיעונים בטחוניים אספקת 1, 2. שני מערכות העיבור כפולים עובדות על אותו העיקרון, יונים של מתכות אלקליות ההסעות בין שתי אלקטרודות המשמשות כמבני מארח, שעוברים תהליכי כניסה בפוטנציאלים שונים. התאים אלקטרוכימיים עצמם relatively פשוט, בהיקף של אלקטרודות חיוביות ושליליות מרוכבים על אספנים הנוכחיים, מופרדים על ידי קרום נקבובי רווי בפתרון אלקטרוליטי בדרך כלל בהיקף של מלח המומס בתערובת של ממסים אורגניים (איור 1). גרפיט וLiCoO 2 הם אלקטרודות שליליות וחיוביות מועסקים הנפוצות ביותר, בהתאמה, לסוללות ליתיום יון. כמה חומרי אלקטרודה חלופיים יש גם פותחו עבור יישומים ספציפיים, כוללים גרסאות של לצייר 2 O 4 ספינל, 4 LiFePO עם מבנה אוליבין, וNMCs (Lini x Mn x Co 1-2x O 2 תרכובות) לתוצאות חיוביות, ופחמנים קשים, Li 4 טי 5 O 12, וסגסוגות של ליתיום עם פח ל3 תשלילים. חומרי מתח גבוה כמו Lini 0.5 Mn 1.5 O 4, חומרים חדשים בעלת קיבולת גבוהה כגון חומרים מרוכבים שכבתי שכבתיים (למשל XLI 2 MNO 3 · (1-x) לצייר 0.5 0.5 O 2), תרכובות עם מתכות מעבר שיכול לעבור שינויים רבים במדינות חיזור, ואנודות סגסוגת Li-Si כרגע נושאים של מחקר אינטנסיבי, ואם נפרסו בהצלחה, צריכים להעלות את צפיפות אנרגיה מעשית של תאי ליתיום יון נוסף. סוג אחר של חומרים, המכונה אלקטרודות גיור, שבו תחמוצות של מתכות מעבר, סולפידים, או פלואורידים מופחתים הפיכה לאלמנט המתכת ומלח ליתיום, הם גם תחת שיקול לשימוש כאלקטרודות סוללה (בעיקר כתחליף לאנודות) 4. עבור מכשירים הבוסס על נתרן, פחמן קשה, סגסוגות, מבני NASICON, וtitanates מתוחקרים לשימוש כאנודות ותחמוצות מתכת מעבר שונות ותרכובות polyanionic כקתודות.

בגלל סוללות ליתיום יון ויון נתרן אינן מבוססות על תהליכים כימיים קבועים, מאפייני הביצועים שלהם משתנים במידה ניכרת בהתאם tהוא אלקטרודות כי הם מועסקים. חיזור ההתנהגות של אלקטרודות קובעת פרופילי הפוטנציאל, יכולות שיעור, וחיי מחזור של המכשירים. רנטגן עקיפה אבקה קונבנציונלית טכניקות (XRD) יכול לשמש לאפיון מבני ראשוני של חומרים טהורים ומדידות באתרו לשעבר באלקטרודות רכב על אופניו, אבל שיקולים מעשיים, כגון עוצמת אות נמוכה ופעמים רבות יחסית הנדרשות כדי לאסוף נתונים להגביל את כמות המידע שניתן להשיג בתהליכי הפריקה וטעינה. לעומת זאת, באורכי הגל גבוה ברק וקצר של קרינת סינכרוטרון (למשל λ = 0.97 Å בbeamline סטנפורד Synchrotron הקרינה של lightsource 11-3), בשילוב עם השימוש בגלאי תמונת תפוקה גבוהה, רכישת רישיון של נתונים ברזולוציה גבוהה על דגימות ב קטן כמו 10 שניות. בעבודה באתר מתבצע במצב הולכה על מרכיבי תא עוברים טעינה ופריקה בהרמטיתשקיות שקופות לקרן רנטגן, מבלי להפסיק את המבצע לרכישת נתונים. כתוצאה מכך, ניתן להבחין בשינויים מבניים אלקטרודה כמו "תמונות בזמן", כפי שמחזורי התא, וניתן לקבל מידע רב יותר מאשר עם טכניקות קונבנציונליות.

ספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X (סאס), גם המכונה לעתים מבנה קליטת קרני ה-X פיין (XAFS) נותן מידע על המבנה האלקטרוני וגיאומטרי המקומי של חומרים. בניסויי סאס, אנרגיית הפוטון היא מכוונת לקצוות ספיגה האופייניים לאלמנטים הספציפיים תחת חקירה. בדרך כלל לחומרי סוללה, האנרגיות האלה מתאימות לK-הקצוות (אורביטלי 1s) של מתכות המעבר של עניין, אבל ניסויי סאס הרך מכוון לO, F, C, B, N ו-L 2,3 הקצוות של השורה הראשונה הם גם לפעמים בוצעו מתכות מעבר על דגימות באתרו לשעבר 5. הספקטרום שנוצר על ידי ניסויי סאס יכול להיות מחולק לכמה distאזורי inct, המכילים מידע שונה (ראו Newville, מ ', יסודות XAFS, http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf). התכונה העיקרית, בהיקף של הקצה הקליטה והארכת על 30-50 מעבר eV היא קליטת קרני ה-X בקרבת מבנה Edge אזור (XANES) ומציינת את סף היינון לרצף מדינות. זה מכיל מידע על מצב החמצון והכימיה תיאום של בולם. חלק האנרגיה גבוה יותר של הספקטרום ידוע כמבנה המורחב רנטגן קליטת פיין (EXAFS) האזור ומתאים לפיזור של Photoelectron נפלט מאטומים שכנים. אנליזה פורייה של אזור זה נותנת מידע מבני לטווח קצר, כגון אורכי קשר והמספרים וסוגים של יונים שכנים. Preedge כולל מתחת לcharacteristאנרגיות קליטת ic של כמה תרכובות גם לפעמים מופיעות. אלה נובעים ממעברים אלקטרוניים אסורים דיפול לרוקן מדינות מחויבות לגיאומטריות octahedral או אפקטי הכלאה מסלולית אפשרו דיפול בtetrahedral אלה ולעתים קרובות יכולים להיות מתואמים לסימטריה המקומית של יון הספיגה (לדוגמא אם זה tetrahedrally או octahedrally מתואם) 6.

סאס הוא טכניקה שימושית במיוחד לחקר מערכות מתכת מעורבות כגון NMCs לקבוע מדינות חיזור ראשוניות ובו יוני מתכת המעבר עוברים חיזור במהלך תהליכי delithiation וlithiation. ניתן לקבל נתונים על מספר מתכות שונות במהירות בניסוי אחד ופרשנות היא פשוט למדי. לעומת זאת, ספקטרוסקופיה Mossbauer מוגבלת רק כמה מתכות המשמשות בחומרי סוללה (בעיקר, פה וSN). גם בזמן שניתן להשתמש בם מדידות מגנטיות כדי לקבוע מצבי חמצון, תופעות צימוד מגנטיות יכולות complicaפרשנות te במיוחד עבור תחמוצות מורכבות כגון NMCs.

מתוכנן היטב ומבוצע באתר וXRD סינכרוטרון באתרו לשעבר וניסויים סאס לתת מידע משלים ומאפשרים תמונה שלמה יותר להיווצר מהשינויים המבניים המתרחשים בחומרי אלקטרודה במהלך פעולת סוללה נורמלית מאשר ניתן להשיג את מה שבאמצעות טכניקות קונבנציונליות. זה, בתורו, נותן הבנה טובה יותר של מה שמסדיר את ההתנהגות אלקטרוכימי של המכשירים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. תכנון של ניסויים

  1. זהה את ניסויי שורת הקורה של עניין. עיין בדפי אינטרנט שורת הקרן כמדריכים. לSSRL סאס וXRD, אלה 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. צור מדען שורת הקורה ולדון בפרטים של ניסוי.
  2. בדקו בלוחות זמנים ודרישות להצעות על ידי הולך לאתר הרלוונטי.
  3. לכתוב הצעת זמן קרן ולהגיש.
  4. אחרי ההצעה כבר כבש, זמן קורה בלוח זמנים.
  5. עקוב אחר הוראות הניתנות על ידי את המתקן כדי להתכונן לזמן קורה. קחו למשל את הפרטים של הניסוי, לאransport של חומרים (במיוחד של מכשירים המכילים מתכות אלקליות) וציוד, וכל חששות בטיחות. הדרכת בטיחות נדרשה בדרך כלל למשתמשים חדשים.

2. הכנת חומרים, אלקטרודות, ותאים

  1. לסנתז או להשיג חומר פעיל של עניין.
  2. לאפיין חומר על ידי עקיפה אבקת רנטגן הקונבנציונלית, תוך שימוש בצעדים 2.2.1-2.2.9.
    1. טוחן את האבקה ומסננת, כדי להבטיח גודל חלקיקי הפצה אחידה.
    2. טען מדגם לבעל מדגם. הסר backplate מבעל ולמקם אותו נגד שקופיות זכוכית. למלא את החלל עם אבקה, לאחר מכן לצרף backplate, בעל להעיף ולהסיר שקופיות. הדבר מבטיח כי האבקה היא אפילו עם פני השטח של בעל וכי המשטח שטוח.
    3. היכנס ליומן לdiffractometer.
    4. הכנס בעל מדגם לdiffractometer וליישר.
    5. דלתות סגורות של diffractometer.
    6. באמצעות תכנית נתונים אספן במחשב מחוברת לפאןdiffractometer alytical, מתח והעלייה הנוכחי לערכים מתאימים למדידה. בחר חריצים ומסכות קרן לצורך הניסוי. בחר או לשנות את התכנית לסריקה.
    7. הפעל את התכנית ואת השם datafile. לנעול את דלתות diffractometer ידי והעברתי את התג כאשר תתבקש לעשות זאת על ידי התכנית. איסוף נתונים.
    8. ניתוח דפוס שימוש בתכנית ניקוד גבוה. בפרט, מחפש את הנוכחות של זיהומים (השתקפויות נוספות) והאם דפוס תואם לזה של חומרי עזר או דפוסים מחושבים.
    9. הסר מדגם מdiffractometer. הפעל את דלתות מתח וזרם, וקרובות. התנתק, וציין כל תנאים חריגים.
  3. השג micrographs אלקטרונים סורק להעריך מורפולוגיות חלקיקים, באמצעות צעדים 2.3.1-2.3.10.
    1. הכן את המדגם על ידי הצמדת קלטת פחמן בדל אלומיניום, ופזר אבקת מדגם על צד דביק. מבחן למגנטיות ידי החזקת מגנט מטבח על המדגם.
    2. הכנס מדגם לתוך תא SEM באמצעות airlock.
    3. ברגע שהוואקום נוצר, פונה האצת מתח על.
    4. במצב בהגדלה נמוך, לכוון את ניגודיות ובהירות. זה הכי נוח לעשות זאת באמצעות כפתור ACB.
    5. מצא את השטח של עניין על ידי הסריקה באופן ידני בכיווני x ו-y.
    6. לעבור לSEM או מצבי קורה עדינים אם ההגדלה גבוהה יותר היא רצויה. בחר גלאי רצוי, ולהגדיר מרחק עבודה לערכים מתאימים לניסוי.
    7. התאם את הקונטרסט ובהירות באמצעות כפתור ACB.
    8. פוקוס תמונה עם שליטת z הבמה.
    9. יישר קורה, אסטיגמציה הנכונה ולהתמקד באמצעות x וידיות y.
    10. קח את התמונות כרצויות, באמצעות כפתור צילום, וכדי להציל את התיקייה מתאימה במחשב.
    11. בסיום, כבה את האצת מתח. הזז מדגם להחליף עמדה ולהסיר מחדר באמצעות מנעל אוויר.
  4. לערוך ניתוח יסודי על ידי ICP במידת הצורך, ולאפיין חומרים עם כל טכניקות אחרות רצויים כגון IRאו ספקטרוסקופיית ראמאן.
  5. לפברק אלקטרודות, באמצעות צעדים 2.5.1-2.5.8.
    1. בצע פתרון של 5-6% (wt.) פלואוריד polyvinylidene (PVDF) ב N-methylpyrolidinone (NMP).
    2. חומרי מיל יחד פעילים ותוסף מוליך (שחורה אצטילן, גרפיט, וכו '.).
    3. הוספת פתרון NMP מהצעד 2.3.1 לייבוש אבקה מהצעד 2.3.2 ומערבבים. פרופורציות להשתנות בהתאם לאופי של החומר הפעיל, אך הרכב יבש סופי של 80:10:10 (חומר פעיל: PVDF: תוסף מוליך) הוא משותף.
    4. באמצעות סכין רופא ו( אופציונלי) שולחן ואקום, slurry האלקטרודה יצוק על גבי אספן הנוכחי אל או Cu. רדיד אל פחם מצופה עשוי לשמש עבור חומרי קתודה סוללת ליתיום נטענת וכל חומרי האלקטרודה Na-ion, ורדיד Cu משמש לחומרי האנודה Li-ion.
    5. לאפשר אלקטרודות לאוויר יבש.
    6. אלקטרודות יבשים באמצעות מנורת IR, פלטה, או בתנור ואקום נוסף.
    7. לחתוך או אגרוף אלקטרודות לגודל הדרוש. שוקל אלקטרונשירי הלל.
    8. העבר את האלקטרודות לתא כפפות אווירת אינרטי. צעד נוסף באמצעות ייבוש חדר המתנה מחוממת ואקום מחובר לתא הכפפות מומלץ להסיר את כל הלחות שיורית.
  6. להרכיב מכשירים אלקטרוכימיים (בדרך כלל תאי מטבע, אבל תצורות אחרות יכולות לשמש לאפיון אלקטרוכימי) לאפיון ראשוני, דגימות באתרו לשעבר, ו / או ניסוי שורת הקורה, תוך שימוש בצעדים 2.6.1-2.6.7.
    1. אסוף את כל הרכיבים הדרושים שבתא כפפות אווירת אינרטי.
    2. חותכים ליתיום או רדיד נתרן לגודל הרצוי.
    3. חותכים מפריד microporous לגודל הרצוי.
    4. מרכיבי שכבה בצו זה במכשיר: אלקטרודה, מפריד, פתרון אלקטרוליטי, ולסכל לי או Na.
    5. להוסיף מפרידי ומנקי גל בהתאם לצורך.
    6. לאטום תא באמצעות עיתונות תא בגודל מטבע.
    7. בניסויי XRD אתרו, לצרף את הכרטיסיות לשני צדי תא בגודל מטבע ולאטום מכשיר בכיס פוליאסטר.
  7. בצע ניסוי אלקטרוכימיים לאפיון ראשוני או עבודה באתרו לשעבר, באמצעות צעדים 2.7.1-2.7.6.
    1. חבר מוביל מpotentiostat / galvanostat או Cycler למכשיר ולמדוד את הפוטנציאל במעגל פתוח.
    2. לכתוב תכנית לניסוי אלקטרוכימי הרצוי, או בחר את תכנית בארכיון.
    3. הפעל ניסוי ואיסוף נתונים.
    4. לניסויים באתרו לשעבר, לפרק את המכשיר בתא כפפות, נזהר שלא לזה קצר במעגל. לתאי מטבע, להשתמש גם כלי disassembler תא מטבע או פלייר עטוף עם סרט טפלון.
    5. יש לשטוף את האלקטרודות עם dimethylcarbonate כדי להסיר מלח אלקטרוליט שיורית. לאפשר להם להתייבש.
    6. אלקטרודות כיסוי למחקר באתרו לשעבר עם רדיד Kapton לניסויי XRD או נייר דבק לסאס וחנות שבתא הכפפות עד שהניסוי מתבצע.
  8. אבקות המיועדות למחקר של סאס יש הסתנן כדי להבטיח homoge גודל חלקיקיםneity. הם עשויים אז להיות מפוזרים על כמה חתיכות של נייר דבק. סדרה של דגימות אז יכולה להיות שהוכנה על ידי לערום יותר ויותר חלקים רבים של קלטת האבקה יחד. התכונה זו שימושית במיוחד אם המשתמש הוא בטוח לגבי כמות האבקה הדרושה לאות האופטימלית.
    1. לחלופין, אבקות למדידות סאס עשויות להיות מדוללים בBN אם המשתמש הוא בטוח לגבי מה שיגרום לאות האופטימלית.

3. ביצוע הניסויים במתקן Synchrotron

  1. מספר ימים לפני הניסוי הוא להתחיל, תחבורת תכנית של חומרים וציוד למתקן.
    1. עבור מכשירים המכילים אנודות מתכת אלקלית, נדרש משלוח, כדי למנוע סיכונים הקשורים לתחבורה בכלי רכב אישי או ציבורי.
    2. ציוד כגון galvanostat / potentiostats הנייד ומחשבים ניידים ודוגמאות לא מזיקות כגון אלקטרודות לעבודה באתרו לשעבר עשוי להיות brougHT למתקן על ידי הפרט בביצוע הניסויים בכל צורה נוחה.
  2. הגעה ורישום במתקן.
  3. עבור שניהם באתרם וניסויים XRD אתרו לשעבר, לוקח תבנית התייחסות של מעבדה 6 לצורך הכיול.
    1. צור מדען beamline וכוח אדם לקבלת הוראות.
    2. לכייל את הקורה כדי למצוא תנאי קורה ימני.
    3. מדוד דפוס התייחסות של מעבדה 6.
  4. בניסויי XRD אתרו, להגדיר את המכשיר ולהתחיל את הצעדים הבאים ניסוי 3.4.1-3.4.6.
    1. הכנס נרתיק לתוך צלחות לחץ אל ולהבטיח כי חורים מיושרים כהלכה על מנת לאפשר לקרן הרנטגן לשדר.
    2. מצא את עמדת קרן אופטימלית וזמן חשיפה. חשיפה ממושכת יכולה להוביל לoversaturation. להחליט אם המדגם יהיה התנדנד או נייח.
    3. קח את התבנית ראשונית לפני אלקטרוכימיה הוא התחילה.
    4. צרף מוביל מgalvanostat / potentiostat למכשיר.
    5. להתחיל ניסוי אלקטרוכימיה.
    6. לקבל נתונים. ברגע שהניסוי יצא לדרך, איסוף נתונים הוא אוטומטי, ומשתמש רק צריך לפקח לעשות ניסוי בטוח הולך כמתוכנן.
  5. להגדיר ניסויי סאס.
    1. הגעה ולפנות למדען beamline וכוח אדם לקבלת הוראות.
    2. הכנס מדגם וחומר עזר רדיד (תלוי במתכת שהוא נמדד; למשל Ni לקצה Ni-K).
    3. יישר מדגם.
    4. לקבוע אנרגיה של קצה מתכת ספציפי באמצעות הפיסטוס של IFEFFIT. monochromator מנגינה, אז דה מנגינה בכ -30% לחסל את הרמוניות מסדר גבוהות יותר. שינוי רווחים להתאים לי 1 ואני 2 קיזוז מדד.
    5. קח את המדידה. יש לקחת שתיים או יותר סריקות והתמזגו לאלמנט של ריבית.
    6. חזור על השלבים 3.5.3 ל3.5.5 לאלמנטים נוספים, לפי צורך.

4. נתוניםאנליזה

  1. לעבודת XRD, לכייל את תמונת המעבדה 6.
    1. הורד איזור השתברות מכונת, אשר זמין דרך הקוד של גוגל (http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/).
    2. פתח את התמונה במעבדת 6 עקיפה ולהשתמש בערכי כיול ראשוניים מכותרת הקובץ.
    3. פתח את Q ההתייחסות (= 2π / ד) ערכים של מעבדה 6.
    4. לכייל את תמונת התאבכות המעבדה 6 עם ערכי Q והניחוש הראשוני של ערכי הכיול.
    5. להשיג ערכי כיול נכונים על ידי התאמת תמונה.
    6. שמור את ערכי כיול לקובץ הכיול.
  2. כייל את תמונות נתונים מהניסוי.
    1. פתח את התמונות העקיפה מהניסוי.
    2. פתח את קובץ הכיול מהתייחסות המעבדה 6 (שמרה בשלב 4.1.6).
    3. ה הפתוחהQ התייחסות דואר (= 2π / ד) ערכים של אל או Cu (אספנים הנוכחיים לאלקטרודות) ולהשתמש בם כאזכור פנימי.
    4. כייל את תמונות דפוס על ידי התאמת תמונה.
    5. לשלב את התמונה לQ לעומת נתוני עוצמה (סריקות קו).
    6. דפוסי Fit באמצעות התכנית הרצויה הולמת (CelRef, Powdercell, RIQAS, GSAS, וכו '.).
  3. לעבד את נתוני אלקטרוכימי באמצעות כל תכנית מזימות נוחה (Excel, מוצא, KaleidaGraph, איגור, וכו '.).
  4. לנתונים סאס, השתמש ארטמיס / ATHENA בחבילת תוכנת IFEFFIT לניתוח.
    1. לכייל נתונים באמצעות השיא הראשון בנגזרת של ספקטרום הספיגה של מתכות ההתייחסות.
    2. מיזוג כמו סריקות.
    3. לחסר רקע ולנרמל את הנתונים.
    4. השתמש בפונקצית AUTOBK לבודד נתונה EXAFS.
    5. התמרת נתונים EXAFS.
    6. השתמש בריבועים לפחות לנכון הספקטרום פורייה הפך בחלל R או K כדי לחלץ structuraמידע ליטר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

איור 2 מראה רצף אופייני המשמש לניסוי באתרו. לאחר סינתזה ואפיון של אבקות חומר פעילים, אלקטרודות מרוכבים מוכנות מן slurries המכיל את החומר הפעיל, קלסר כגון פלואוריד polyvinylidene (PVDF) ותוספים מוליכים כגון פחמן שחור או גרפיט הושעה ב N-methylpyrrolidinone (NMP), להטיל על אחד אספנים הנוכחיים רדיד אלומיניום או נחושת. אלומיניום משמש לקתודות סוללת ליתיום יון וכל אלקטרודות יון נתרן, נחושת משמשת אנודות סוללות ליתיום יון. לאחר האלקטרודות מיובשות, לחתוך, ושקלו, תא...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

ניתוח הנתונים מצביע על כך שXANES כתוצרת Lini x 1-2x Mn x O 2 (0.01 ≤ x ≤ 1) תרכובות Co מכילה Ni 2 +, 3 + Co, וMn 4 +. 10 מחקר סאס האחרון באתרם על Lini 0.4 Co 0.15 אל 0.05 Mn 0.4 O 2 הראה כי Ni 2 + היה מתחמצן ל 3 ניקל + וסופו של דבר, Ni 4 + במהלך delithiation, אבל זה כרוך בתהליכי חיזור Co 3 + תרמו כ קיבולת גם ב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

יש מחברים אין לחשוף.

תודות

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

עבודה זו נתמכת על ידי עוזרת מזכירה עבור יעילות אנרגיה והאנרגיה מתחדשים, משרד רכב טכנולוגיות של משרד האנרגיה של ארה"ב תחת חוזה מס 'DE-AC02-05CH11231. חלקיו של מחקר זה בוצעו באוניברסיטת סטנפורד Synchrotron קרינת lightsource, דירקטוריון של מעבדת המאיץ הלאומית SLAC ומשרד המתקן למשתמש המדע פעל למחלקה של משרד אנרגיה של המדע בארה"ב על ידי אוניברסיטת סטנפורד. התכנית לביולוגיה המבנית SSRL המולקולרי נתמכת על ידי משרד DOE של מחקר ביולוגי וסביבתי, ועל ידי המכונים הלאומיים לבריאות, המרכז הלאומי למשאבי מחקר, התכנית ביו טכנולוגיה (P41RR001209).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
<חזק>ציוד
אטמוספירה אינרטית תא כפפותאטמוספרות ואקוםהזמנה מותאמת אישית, צור קשר עם ספקיםמשמש במהלך הרכבת תאים ולאחסון מתכות אלקליות ורכיבים רגישים ללחות. (http://vac-atm.com)
תא כפפות אווירה אינרטיMbraunגדלים שונים (יחיד, כפול) זמינים, אפשרויות רבות כגון מיני או תאי כניסה מחוממים מערכות להסרת חמצן/מים, מדפים, הזנות חשמליות, etc. (http://www.mbraunusa.com)
דיפרקטומטר אבקת רנטגן (XRD)אבקת X'PertאנליטיתX'Pert היא מערכת מודולרית. אביזרים רבים זמינים לניסויים מיוחדים. (www.panalytical.com)
דיפרקטומטר אבקת רנטגן (XRD)BrukerBruker D2 PhaserBruker D2 Phaser הוא קומפקטי וטוב לניתוחי אבקה שגרתיים. (www.bruker.com)
מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)JSM7500Fמיקרוסקופ אלקטרונים סורק פליטת שדה ברזולוציה גבוהה עם אפשרויות רבות הניתנות להתאמה אישית. JEOL (http://www.jeolusa.com) קיימות גם גרסאות שולחניות בעלות נמוכה. צור קשר עם הספק לקבלת אפשרויות.
אוטם פאוץVWR11214-107משמש לאיטום שקיות עבור in in site work. (https://us.vwr.com)
כלי לחיצה ידניPred MaterialsHSHCC-2016, 2025, 2032, 2320משמש לאיטום תאי מטבע. התאם את הגודל לחומרה של תא מטבע. (www.predmaterials.com)
כלי פירוק תאי מטבעPred Materialsצור קשר עם הספקמשמש לפירוק תאי מטבע לשחזור אלקטרודות לעבודה ex situ. ניתן להשתמש גם בצבת מחט. הכיסוי מסתיים בסרט טפלון כדי למנוע קיצור תאים. (www.predmaterials.com)
סכיני יציקת סרטיםBYK Gardner4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329משמש ליציקת סרטי אלקטרודות מתמיסות. גדלים שונים זמינים, עם מדרגיות מטרית או אנגלית. סרט בר או אפליקטורים מסוג בייקר ולהבי רופא הם אפשרויות פחות מגוונות אך בעלות נמוכה יותר. ניתן להשתמש ביד או עם אפליקטורים אוטומטיים. (https://www.byk.com)
להבי רופא, אפליקטורים של בייקרחומרי טרףמוליך מסוג בייקר ולהב רופא. סכיני יציקת סרטים זמינים גם כן.משמש ליציקת סרטי אלקטרודות מתמיסות. גדלים שונים זמינים, עם מדרגיות מטרית או אנגלית. סרט בר או אפליקטורים מסוג בייקר ולהבי רופא הם אפשרויות פחות מגוונות אך בעלות נמוכה יותר. ניתן להשתמש ביד או עם אפליקטורים אוטומטיים. (www.predmaterials.com)
מוליך פילם אוטומטיBYK Gardner2101, 2105, 2121, 2122אופציונלי. משמש עם אפליקטורים בר, להבי רופא או סכיני יציקת סרטים לייצור סרטי אלקטרודות אוטומטיים. ניתן להכין סרטים גם בעבודת יד אך הם פחות אחידים. (https://www.byk.com)
מוליך סרט אוטומטיPred Materialsצור קשר עם הספקאופציונלי. משמש עם אפליקטורים בר, להבי רופא או סכיני יציקת סרטים לייצור סרטי אלקטרודות אוטומטיים. ניתן להכין סרטים גם בעבודת יד אך הם פחות אחידים. (www.predmaterials.com)
Potentiostat/GalvanostatBio-Logic Science InstrumentsVSPפוטנציוסטט/גלוונוסטט נייד 5 ערוצים מבוקר מחשב המשמש למחזור תאים לניסויים in situ. (http://www.bio-logic.info)
Potentiostat/GalvanostatGamry InstrumentsReference 3000פוטנציוסטט/גלוונוסטט נייד חד-ערוצי, המשמש למחזור תאים לניסויים in situ. (www.gamry.com)
עקיפהלהורדה בחינםמשמשת לניתוח נתוני עקיפה דו-ממדיים. גרסאות Mac ו-Windows זמינות. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/
IFEFFITחבילת תוכניות אינטראקטיביות להורדה בחינםלניתוח XAS, כולל הפייסטוס, אתנה וארטמיס. זמין עבור Mac, Windows ו-UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/
SIXPACKלהורדה בחינםשל תוכנת ניתוח XAS המבוססת על IFEFFIT. גרסאות Windows ו-Mac. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html
CelRefלהורדה בחינםחידוד תא יחידה גרפית. Windows בלבד. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm ו-http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/
<חזק>מגיב / חומר< / חזק>
חומרים פעילים אלקטרודותשוניםמסונתזים בבית או מתקבלים מספקים שונים.
גרפיט פתיתים סינטטיTimcalSFG-6תוסף מוליך לאלקטרודות. (www.timcal.com)
אצטילן שחורDenkaDenka תוסףמוליך שחור לאלקטרודות. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html)
1-מתיל-2-פירולידינון (NMP)סיגמא-אולדריץ'328634משמש לייצור תמיסות אלקטרודות. (www.sigmaaldrich.com)
אל אספני זרםExopackz-flo 2650רדיד מצופה פחמן. מצופה בצד אחד. (http://www.exopackadvancedcoatings.com)
אספני זרם AlAlfa-Aesar10558עובי 0.025 מ"מ (0.001 אינץ'), 30 ס"מ x 30 ס"מ (12 אינץ' x 12 אינץ'), 99.45% (בסיס מתכות), לא מצופה (http://www.alfa.com)
קולטי זרם Cuחומרי טרףרדיד Cu מופקדיםלשימוש עם חומרי אנודה לסוללות ליתיום-יון. (www.predmaterials.com)
רדיד ליתיוםRockwood Lithiumצור קשר עם הספקאנודה לחצאי תאים. ניתן להשיג בעוביים ורוחבים שונים. תגובתי ורגיש לאוויר. אחסן וטפל בתא כפפות באווירה אינרטית מתחת ל-He או Ar (מגיב עם N2). (www.rockwoodlithium.com)
רדיד ליתיוםSigma-Aldrich320080אנודה לחצאי תאים. ניתן להשיג בעוביים ורוחבים שונים. תגובתי ורגיש לאוויר. אחסן וטפל בתא כפפות באווירה אינרטית מתחת ל-He או Ar (מגיב עם N2). (www.sigmaaldrich.com)
מטיל נתרןSigma-Aldrich282065אנודות לחצאי תאים. ניתן להוציא לרדיד כסף. תגובתי ורגיש לאוויר. אחסן וטפל בתא כפפות באווירה אינרטית תחת הוא בלבד. (www.sigmaaldrich.com)
פתרונות אלקטרוליטיםBASFSelectilyte P-Series צורקשר עם הספק לקבלת ניסוחים רצויים. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes)
דימתיל קרבונט (DMC)סיגמא-אולדריץ'517127משמש לשטיפת אלקטרודות לניסויים ex situ. (www.sigmaaldrich.com)
מפרידים מיקרופורייםCelgard2400ממברנות פוליפרופילן (http://www.celgard.com)
חומרת תא מטבע (מארז, מכסה, אטם)חומרי טרףCR2016, CR2025, CR2320, CR2032התאמת גודל לכלי לחיצה זמין, רכיבי Al-clad זמינים גם כן. (www.predmaterials.com)
מנקי גליםחומרי טרףSUS316L(www.predmaterials.com)
מרווחיםחומרי טרףSUS316L(www.predmaterials.com)
Ni ו-Al כרטיסיות מודבקות מראש חומריטרףצור קשר עם הספקהמידות כפופות לשינויים. שאל לגבי הזמנות מותאמות אישית. (www.predmaterials.com)
שקיות פוליאסטרVWR11214-301משמש לאיטום תאים אלקטרוכימיים לעבודה . הימנע משקיות כבדות בגלל הפרעות אות חזקות. (https://us.vwr.com)
סרט קפטוןמקמאסטר-קאר7648A735משמש לכיסוי אלקטרודות לניסויים ex situ, 0.0025 בעובי (www.mcmaster.com)הליום
, ארגון ו-4-10% מימן בהליום או ארגוןAir Productsצור קשר עם הספק לקבלת הרכבים ורמותטוהר רצויותהליום או ארגון המשמשים למילוי תא הכפפות בו מתבצעת הרכבת תאים ומאוחסנת מתכת אלקלית. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx)
אל תשתמש בחנקן מכיוון שהוא מגיב עם ליתיום. השתמש רק בהליום אם מאוחסן נתרן.
רמת הטוהר הדרושה תלויה אם תא הכפפות מצויד במערכת להסרת מים וחמצן. תערובות מימן הדרושות לחידוש מערכת פינוי מים/חמצן, אם קיימות  או כל ספק גז מתאים אחר
' , , מכונת

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

in situex situ

מאמרים קשורים