מאמר שיטה

פרוטוקול של מבחן אלקטרוכימי אפיון Aprotic Li-O 2 סוללה

DOI:

10.3791/53740

⸱

12 ביולי 2016

 ,  ,  , 
1Chemistry Sciences and Engineering Division, Argonne National Laboratory, 2X-ray Science Division, Advanced Photon Sources, Argonne National Laboratory

במאמר זה

סיכום

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

פרוטוקול לבדיקה אלקטרוכימית של סוללת Li-O2 אפרוטית עם הכנת אלקטרודות ואלקטרוליטים ומבוא לשיטות האפיון הנפוצות מוצג כאן.

תקציר

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

אנו מדגימים שיטה לבדיקה אלקטרוכימית של סוללת Li-O2 אפרוטית. סוללת Li-O2 אפרוטית עשויה מאנודה Li-metal, אלקטרוליט אפרוטי וקתודה נושמת O2. האלקטרוליט האפרוטי הוא תמיסה של מלח ליתיום עם ממס אפרוטי ופחמן נקבובי משמש בדרך כלל כמצע הקתודה. כדי לשפר את הביצועים, אלקטרוקטליזטור מופקד על מצע הפחמן הנקבובי בשיטות תצהיר מסוימות, כגון שקיעת שכבה אטומית (ALD) ותגובת כימיה רטובה. חומרי הקתודה המוכנים מאופיינים במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), מיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM) ומבנה ספיגת קרני רנטגן קרוב לקצה (XANES). תא מסוג סווגלוק, אטום בתא זכוכית מלא ב- O2 טהור, משמש לבדיקה האלקטרוכימית במערכת בדיקת סוללות. התאים נבדקים במצב מבוקר קיבולת או במצב מבוקר מתח. תוצרי התגובה נחקרים על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים, עקיפה של קרני רנטגן (XRD), ספקטרוסקופיה פוטו-אלקטרונית של קרני רנטגן (XPS), ספקטרוסקופיה מוחלשת של השתקפות כוללת פורייה אינפרא אדום (ATR-FTIR), וספקטרוסקופיה של רמאן כדי לחקור את המסלול האפשרי של תגובת הפחתת חמצן (ORR) ותגובת התפתחות חמצן (OER). פרוטוקול זה מדגים סידור שיטתי ויעיל של בדיקות שגרתיות של סוללתLi-O 2 האפרוטית, כולל בדיקה אלקטרוכימית ואפיון חומרי הסוללה.

מבוא

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

בשנת 1996, אברהם ג'יאנג 1 דיווחו הסוללה ההפיכה בלתי מימי Li-O 2 הראשונה המורכבת קטודה פחמן נקבובי, אלקטרוליט אורגני, האנודה Li-מתכת. מאז, בשל שלה גבוהה מאוד צפיפות אנרגיה התיאורטית עולה על זה של כל מערכות אחסון אנרגיה קיימות אחרות, את הסוללת ליתיום-O 2, אשר מעוררת זרם על ידי החמצון של ליתיום על האנודה ואת הפחתת החמצן על הקתודה ( התגובה הכוללת Li + + O 2 + e - ↔ Li 2 O 2), קבל התעניינות משמעותית לאחרונה 1-8.

חומר קתודה עם הדרישות הבאות יוכל לספק את הצרכים של בעל ביצועים גבוהים של Li-O 2 סוללה: (1) דיפוזיה חמצן מהר; (2) מוליכות חשמלית יוניות טובות; (3) שטח פנים סגולי גבוה; ו (4) יציבות. שני שטח פן הנקבובי של הקתודה הוא קריטיים עבור. ביצועים אלקטרוכימי של סוללות 2 Li-O 9-12 המבנה הנקבובי מאפשרים בתצהיר של מוצרים פטורים מוצקים שנוצרו מן התגובה של Li קטיונים באות O 2; באזורי משטח גדולים לספק אתרים פעילים יותר כדי להכיל חלקיקי electrocatalytic המאיצים את התגובות אלקטרוכימיים. Electrocatalysts כאלה מתווספים חומר הקתודה ידי שיטות בתצהיר מסוימות, המספקות הדבקה חזקה מצע השליטה טובה של חלקיקי הזרז, עם שימור של מבנה השטח הנקבובי המקורי של המצע. 13-17 החומרים המוכנים כמו נבדקים בתאים מסוג Swagelok כמו הקתודה של סוללת ליתיום-O 2 aprotic. עם זאת, את הביצועים של התא לא רק תלוי באופי של חומרים הקתודה, אלא גם על סוג של האלקטרוליט aprotic 18-22 לבין האנודה Li-מתכת. 23-26 השפעות נוספות לכלול את הסכום ואת הריכוז של החומרים ואת procedure המשמש בדיקות טעינה / פריקה. תנאי ופרוטוקולים פרופר היה לייעל ולשפר את הביצועים הכוללים של חומרי הסוללה.

בנוסף תוצאות בדיקת אלקטרוכימיים, ביצועי הסוללה ניתן להעריך גם בכך שהיא מכנה חומרים והטהורים ואת תוצרי התגובה. 27-33 במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) משמש כדי לחקור את מייקרו השטח של חומר הקתודה ואת המורפולוגיה אבולוציה של המוצרים הפריקים. במיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים (TEM), רנטגן קליטה ליד מבנה קצה (XANES), ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS) ניתן להשתמש כדי לקבוע את ultrastructure, מדינה כימית, ורכיב של יסודות, במיוחד בשביל זה של חלקיקי זרז. קרן ה- X עקיף אנרגיה גבוהה (XRD) משמשת לזיהוי המוצרים הפריקים גבישים ישירות. פירוק אלקטרוליט אפשרי ניתן לקבוע על ידי פורה השתקפות כוללת מוחלשת להפוךאינפרא אדום (ATR-FTIR) ספקטרום ראמאן.

מאמר זה הוא פרוטוקול המדגים הסדר שיטתי ויעיל של בדיקות שגרתיות של סוללת ליתיום-O 2 aprotic, לרבות הכנת חומרים הסוללה ואביזרים, מבחן ביצועים אלקטרוכימיים, ואפיון של חומרים וטהור תוצרי התגובה. פרוטוקול הוידיאו מפורט נועד לעזור למתרגלים חדשים בתחום להימנע ממכשולים נפוצים רבים הקשורים בדיקות ביצועים ואפיון של Li-O 2 סוללות.

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

פרוטוקול

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

אנא להתייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים רלוונטיים (MSDS) לפני השימוש. כמה כימיקלים המשמשים סינתזות אלה בחריפות רעילים ומסרטנים. ייתכן שיהיה ננו מפגעים נוספים לעומת עמיתו נפחם. אנא להשתמש בכל שיטות הבטיחות המתאימות בעת ביצוע תגובת ננו כולל השימוש של בקרות הנדסה (במנדף, שבתא כפפות) וציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות, חלוק, מכנסיים באורך מלאים, סגורות נעליים). חלקים מההליכים הבאים הכוללים שימוש בטכניקות טיפול באוויר ללא תקן.

1. סינתזה של חומרים קטודה

הערה: יכול להיות מסונתז חומרי קתודה או על ידי בתצהיר שכבה אטומית או תגובה כימיה רטובה.

  1. שכבת הפקדה אטומית (ALD)
    1. לפזר 5 גרם של פחמן נקבובי ב 100 מ"ל 1 פתרון M KMnO 4 תחת בחישה מגנטית במשך 12 שעות.
    2. מורחים 100 מ"ג של הדואר חמצון אבקת פחם על מגש נירוסטה של ​​המכשיר ילד, מהדק כיסוי רשת נירוסטה על המגש.
    3. החזק את אבקת פחם במגש ב -200 מעלות צלזיוס מתחת זרימה רציפה של 300 הגז המוביל חנקן SCCM אולטרה-טוהר גבוהה בלחץ 1 Torr למשך 30 דקות.
    4. פנק את אבקת פחמן עם מחזור ילד מלא כדלקמן.
      הערה: קח חלקיקים Pd כדוגמה של electrocatalysts בפרוטוקול זה. ריאגנטים ניתן לשנות לפי דרישות ספציפיות. כל ריאגנטים משמשים-קבלו ללא כל טיהור נוספת.
      1. לחשוף את המצע פחמן (100 מ"ג) כדי hexafluoroacetylacetonate פלדיום (Pd (hfac) 2, 99.9%) ב 200 מעלות צלזיוס במשך 100 דקות.
      2. טהר את המגש עם זרימה רציפה של 300 גז מוביל חנקן SCCM אולטרה-טוהר גבוה בלחץ 1 Torr עבור 300 דקות.
      3. לחשוף את המצע פחמן פורמלין (HCHO 37 wt.% ב O H 2) ב 200 מעלות צלזיוס במשך 100 דקות.
      4. טהר tהוא המגש עם זרימה רציפה של 300 גז מוביל חנקן גבוה במיוחד טוהר SCCM בלחץ 1 Torr עבור 300 דקות.
    5. מחזור ילד וחזור לפי צורך. בדרך כלל 3-10 חזרות.
  2. תגובת Wet-כימיה
    הערה: קח Fe חלקיקים כדוגמה של electrocatalyst בפרוטוקול זה. ריאגנטים ניתן לשנות לפי דרישות ספציפיות. כל ריאגנטים משמשים-קבלו ללא כל טיהור נוספת.
    1. לפזר 5 גרם של פחמן נקבובי ב 100 מ"ל 1 פתרון M KMnO 4 תחת בחישה מגנטית במשך 12 שעות.
    2. שטפו את הפחמן מתחמצן עם מים ללא יונים.
    3. סנן את הפחמן נשטף עם בקבוק מסנן מצויד סיב זכוכית, ולאחר מכן לייבש אותו בתנור על 110 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות.
    4. לפזר את הפחמן יבשים 100 מ"ל מים deionized, ולאחר מכן להוסיף 1 גרם של FeCl 3 תחת בחישה מגנטית.
    5. התאם את ערך ה- pH על 9, באמצעות 1 פתרון M NaOH.
    6. מערבבים את resulting סלארי במשך 5 שעות, ולאחר מכן לסנן את התערובת הדלילה עם בקבוק מסנן מצויד סיב זכוכית.
    7. לשטוף את המוצר עם מים ואתנול ללא יונים. לאחר מכן לייבש אותו בתנור ב 110 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
    8. מחממים לטפל המוצר ב -450 מעלות צלזיוס עם זרימה רציפה של תערובת H 2 / Ar (4% H 2) בכבשן שפופרת קוורץ. השתמש קצב הזרימה של 100 מ"ל / דקה במשך 5 שעות.

2. הכנת אלקטרודות ואלקטרוליטים

  1. קָטוֹדָה
    1. מערבבים את חומר הקתודה כמו הכנה קלסר פולי (פלואוריד vinylidene) (PVDF) בתוך 4: יחס משקל 1.
      הערה: סך הכל של התערובת תלויה בכמות של קתודית. העמסת חומר קתודה על כל חתיכה היא בטווח של 0.1-1 מ"ג.
    2. הוסף 1-מתיל-2-pyrrolidinone (NMP) לתערובת, ומערבבים היטב לעשות slurry אפילו בעל מרקם. להוסיף NMP בסביבות שלוש פעמים את המשקל של התערובת.
    3. מעיל את התערובת הדלילה על קרבוn נייר ידי להב רופא עם עובי של כ -100 מיקרומטר.
    4. ייבש את לרבד בתנור ואקום ב 100 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
    5. פונץ לרבד לתוך דיסקים עם אגרופן חור בקוטר של 7/16 אינץ ', ולשקול אותו.
  2. אלקטרוליט Aprotic
    1. Trifluoromethanesulfonate ליתיום יבש (LiCF 3 SO 3) בתנור ואקום ב 100 מעלות צלזיוס למשך לילה.
    2. הוסף יבשים LiCF 3 SO 3 דימתיל אתר גליקול tetraethylene (TEGDME; H 2 O ~ 10 עמודים לדקה) עם ריכוז של 1 mol / L, מוסיפים הפתרון עם ערבוב מגנטי עד שהמלח נמס.
    3. שמור האלקטרוליט בתוך הכפפות מלאות Ar.
  3. אָנוֹדָה
    1. פונץ הליתיום רדיד / שבבי לתוך דיסקים עם אגרופן חור בקוטר של 7/16 אינץ '.

3. בדיקות אלקטרוכימי

  1. עצרת של תא Swagelok </ Strong>
    הערה: כל השלבים של האסיפה מופעלים בתוך הכפפות מלאות Ar, למעט 3.1.9.
    1. הרכיבו את הסט Swagelok כמו שמוצג באיור 1 א. הדק סוף האנודה, לשחרר סוף הקתודה.
    2. שים חתיכת שבב מתכת הליתיום (בקוטר 7/16 אינץ ') על החלק העליון של מוט נירוסטה של ​​סוף האנודה.
    3. שים חתיכת מפריד סיב זכוכית (קוטר 1/2 אינץ ') על גבי האנודה מתכת ליתיום.
    4. להוסיף 5-7 טיפות של אלקטרוליט להרטיב את המפריד סיב זכוכית מלאה. לחץ בעדינות את המפריד כדי להסיר בועות.
    5. שים חתיכת קתודה על החלק העליון של המפריד הרטוב, עם החומר הפעיל מול האנודה.
    6. מכסים את קטודה עם פיסת רשת אלומיניום (בקוטר 7/16 אינץ ').
    7. לחץ על השכבות הנ"ל עם צינור האלומיניום, ואז להדק סוף הקתודה.
    8. חותם את התא Swagelok כולו בתא זכוכית, ולתקן את החדר עם מלחציים, כפי שמוצג איור 1.
    9. קח את התא כולו מתוך שבתא הכפפות. חבר את תא זכוכית מיכל חמצן גבוה במיוחד טוהר, ולטהר אותו עם זרימת חמצן רציפה בלחץ כספומט 1 למשך 30 דקות.
  2. בדיקה ביצוע סוללה
    1. גדר תרמוסטט ל -25 מעלות צלזיוס.
    2. שם תאים ואלקטרודות (קליפים אלקטרוניים המחוברים לציוד באמצעות כבל) לתוך תרמוסטט, ולתקן אותם.
    3. קליפ הקתודה לבין האנודה על בתא זכוכית עם מקביל קליפים אלקטרוניים.
    4. פתח את תוכנת ההפעלה של מערכת בדיקת סוללה, ובחר לערוץ מחובר באמצעות הכבל.
    5. לקבוע נוהל של בדיקות אלקטרוכימיים.
      הערה: הגדר את צפיפות זרם של חומר פעיל 100 mA / g, וטווח מתח של 2.2-4.5 V.
      1. הגדר את המתח החתוך הפריק של 2.2 V עבור בדיקה פריקה.
      2. הגדר את הצעד-זמן הפריקה / טעינה של 5 או 10 שעות עבור מבחן אופניים שבשליטת קיבולת.
      3. הגדר את המתח החתוך הפריק של 2.2 V ולחייב מתח חתוך של 4.5 V בקרה ומדידת אופני מבוקרים-מתח.
    6. הפעל את ההליך על ידי לחיצה על כפתור "הפעל" על ממשק התוכנה.
  3. פירוק וניקוי של התא
    1. לפרק התאים שבתא הכפפות.
    2. שמור את האלקטרודות צלוחיות זכוכית עבור האפיונים הבאים. עבר חלקי תא מתוך שבתא הכפפות.
    3. מכניסים את חלקי Swagelok, מוטות נירוסטה, צינורות אלומיניום, משתלב אלומיניום בתמיסה אצטון (~ 20%) או מים ללא יונים בכוס, ולנקות אותם עם ultrasonication עבור 15-30 דקות.
    4. ייבש את החלקים ותאי זכוכית תרמוסטט מוגדר 60-80 מעלות צלזיוס.

4. הכנת דוגמאות אפיון

הערה: דוגמאות ערוכות ברדס (לחומרים כמו-מוכנים) או שבתא הכפפות מלאות Ar (עבור אווירדגימות רגישות).

  1. דגימות עבור SEM ו- XPS
    1. היצמד קלטת פחמן על הבמה המדגמת. הקלטת פחמן יכולה להיות גדולה כמו הבמה המדגמת, או קטנה כמו חתיכת הדגימה.
    2. חותכים חתיכה של הדגימה כ -5 מ"מ 2, ולתקוע אותו על קלטת פחמן.
      הערה: הדגימה יכולה להיות כל דגימות שאינן מגנטיות. עבור הדגימות לאחר בדיקות אלקטרוכימיים, לשטוף אותם עם ממס אלקטרוליט לפני המקל לקלטת פחמן.
    3. חותם את הדגימות רגישות-האוויר בצנצנת מייסון לפני המדידה.
    4. הפעילו את SEM 34-36 או XPS 37,38 פי הוראות היצרן.
  2. דגימות עבור TEM
    1. מיל 1 מ"ג של אבקת המדגם.
      הערה: דגימות אלקטרודה, לגרד את החומרים הפעילים את נייר פחם לפני הטחינה.
    2. טען את אבקת המדגם על רשת נחושת, ולהסיר את האבקה הרופפת.
    3. טענתי את g הנחושהלהיפטר לבעל המדגם של TEM.
      הערה: קבל את הצעד הזה נעשה מהר ככל האפשר עבור דגימות אוויר רגיש.
    4. בצע TEM. 39-41
  3. דגימות עבור XRD של אנרגיות גבוהות
    1. דגימות אבקה
      1. חותם קצה אחד של צינורות polyimide ידי חימר או דבק.
      2. טען את האבקה לתוך הצינור.
      3. חותם את הקצה השני של הצינור.
    2. דגימות דיסק
      הערה: כדי למדוד את החומרים הפעילים על האלקטרודה, אפשרות נוספת היא לגרד אותם נייר פחמן אחרי צעד 4.3.1.
      1. חותם את החתיכות המדגמות עם חתיכת סרט פוליאמיד. חותם על ידי הצבת דגימות באמצע חתיכה אחת של סרט, ומכסה אותם עם עוד חתיכת סרט.
        הערה: הדגימות לאחר בדיקות אלקטרוכימיים, לשטוף אותם עם ממס אלקטרוליט לפני האיטום.
    3. הפעילו את XRD אנרגיה גבוהה 42-44 במדינות המתקדמות Phמקורות oton ב Argonne National Laboratory.
  4. דגימות עבור XANES
    1. דגימות אבקה
      1. לדלל את הדגימות אם הריכוז של האלמנטים הנמדדים הוא גבוה, או באמצעות ניטריד בורון (BN) או פחמן שחור כסוכן לדלל. הנה, לדלל 3-5 WT. %.
      2. לחצו על האבקה לתוך דיסק עם קוטר של 7 מ"מ עובי של כ 1 מ"מ, באמצעות ערכת עיתונות KBR ו -7 מ"מ Die הגדר.
      3. חותם את הדיסק עם סרט חלון.
    2. דגימות דיסק
      1. חותם את הדגימה עם סרט חלון.
    3. הפעילו את בעלות אנרגיה גבוהה XANES 45-47 מתקדם פוטון מקורות Argonne National Laboratory.
  5. דגימות עבור ATR-FTIR
    1. נקה את ההשתקפות כוללת נחלש יהלום (ATR) היחיד לפני ואחרי המדידה.
    2. שים דגימות על יחידת היהלום עבור כל הדגימות המעוניינות.
    3. בצע ספקטרומטריית ATR-FTIR. 48,49
  6. דגימות עבור ראמאן ספקטרה
    1. שים את הדגימה על לוח שטוח (זכוכית, נירוסטה, וכו '.).
    2. מכסה את הדגימה עם שקופית כיסוי.
    3. חותם את הסט עבור דגימות אוויר רגיש.
    4. בצע ספקטרומטריית ראמאן. 50,51

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

תוצאות

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

איור 1 א מציג את ההתקנה של התא Swagelok מסוג של המבחן סוללת ליתיום-O 2. חתיכת סרט ליתיום מושם על מוט נירוסטה בסוף האנודה. הקתודה הנקבובית פתוחה O טהור 2 דרך צינור אלומיניום. סיבי זכוכית משמש כמפריד ו בולם של אלקטרוליט aprotic; ואל-הרשת משמשת אספן נוכחי. תא Swagelok מהסוג כולו אטום בתוך תא זכוכית מלא חמצן טוהר גבוה במיוחד. עבור מחקר מעמיק, שיטות אפיון מרובים מוחלים לבחון את מערכת הסוללה, כולל חומרים אלקטרודה הכ...

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

דיון

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

בהתחשב ברגישות של מערכת סוללת ליתיום-O 2 לאוויר, במיוחד CO 2 ולחות, המון צעדים בפרוטוקול נחוצים על מנת להפחית את interferents וכדי למנוע תגובות לוואי. לדוגמא, תאים מסוג Swagelok מורכבים בתוך הכפפות מלאות Ar באות O 2 <0.5 ppm ו- H 2 O <0.5 עמודים לדקה; וכל חומרי הקתודה, ממס אלקטרוליט ומלח, סיבי זכוכית, חלקי Swagelok, ותאי הזכוכית הם יבשים לפני ההרכבה כדי להפחית את זיהום הלחות. סוף האנודה הוא מוט נירוסטה כדי למנוע מגע ישיר בין המתכת ...

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

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

המחקר במעבדה הלאומית ארגון מומן על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, FreedomCAR ומשרד טכנולוגיות הרכב. השימוש במקור הפוטון המתקדם והמחקר שבוצע במרכז למיקרוסקופיה אלקטרונית במעבדה הלאומית ארגון נתמך על ידי משרד האנרגיה של ארצות הברית, משרד המדע, המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים, תחת חוזה מס. DE-AC02-06CH11357.

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

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
1-מתיל-2-פירולידינון (NMP), 99.5%Sigma-Aldrich328634
מערכת בדיקת סוללותMACCORSeries 4000 מערכת
דימתיל קרבונט (DMC), ≥ 99%סיגמא-אולדריץ'517127
אלכוהול אתילי, ≥ 99.5%תמיסת פורמלדהיד 459844 Sigma-Aldrich
, 37 wt. % ב-H2OSigma-Aldrich252549
פחמן שחור גרפיטי, >99.95%Sigma-Aldrich699632
ברזל(III) כלוריד (FeCl3), 97%Sigma-Aldrich157740
צינורות פולימיד קפטוןCole-ParmerEW-95820-09
קלטת פולימיד קפטוןקול-פארמרEW-08277-80
סרט חלון קפטוןSPEX הכנה לדוגמא3511
שבב ליתיום (99.9% ליתיום)MTI CorporationEQ-Lib-LiC25
ליתיום טריפלואורומתנסולפונאט (LiCF3SO3)Sigma-Aldrich481548
פלדיום הקספלואורואצטילאצילאטונאט (Pd(hfac)<תת>2), 99.9%אולדריץ'401471
פולי (וינילידן פלואוריד) (PVDF)אולדריץ'182702
אשלגן פרמנגנט (KMnO<תת>4), ≥ 99.0% Sigma-Aldrich223468
נתרן הידרוקסיד (NaOH), ≥ 97.0%סיגמא-אולדריץ'221465
טטראתילן גליקול דימתיל אתר (TEGDME), ≥ 99%Aldrich172405
Toray 030 נייר פחמןElectroChem Inc.
בדיקה אוטומטית590637

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Abraham, K. M., Jiang, Z. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery. J. Electrochem. Soc. 143, 1-5 (1996).
  2. Bruce, P. G., Freunberger, S. A., Hardwick, L. J., Tarascon, J. -M. Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage. Nat. Mater. 11, 19-29 (2012).
  3. Lu, J., et al. Aprotic and Aqueous Li-O2 Batteries. Chem. Rev. 114, 5611-5640 (2014).
  4. Black, R., Adams, B., Nazar, L. F. Non-Aqueous and Hybrid Li-O2 Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 801-815 (2012).
  5. Bruce, P. G., Hardwick, L. J., Abraham, K. M. Lithium-air and lithium-sulfur batteries. MRS Bull. 36, 506-512 (2011).
  6. Christensen, J., et al. A Critical Review of Li/Air Batteries. J. Electrochem. Soc. 159, 1-30 (2012).
  7. Girishkumar, G., McCloskey, B., Luntz, A. C., Swanson, S., Wilcke, W. Lithium-Air Battery: Promise and Challenges. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2193-2203 (2010).
  8. Lu, J., Amine, K. Recent Research Progress on Non-aqueous Lithium-Air Batteries from Argonne National Laboratory. Energies. 6, 6016-6044 (2013).
  9. Ding, N., et al. Influence of carbon pore size on the discharge capacity of Li-O2 batteries. J. Mater. Chem. A. 2, 12433(2014).
  10. Nimon, V. Y., Visco, S. J., De Jonghe, L. C., Volfkovich, Y. M., Bograchev, D. A. Modeling and Experimental Study of Porous Carbon Cathodes in Li-O2 Cells with Non-Aqueous Electrolyte. ECS Electrochem. Lett. 2, 33-35 (2013).
  11. Ottakam Thotiyl, M. M., Freunberger, S. A., Peng, Z., Bruce, P. G. The Carbon Electrode in Nonaqueous Li-O2 Cells. J. Am. Chem. Soc. 135, 494-500 (2012).
  12. Park, J. -B., Lee, J., Yoon, C. S., Sun, Y. -K. Ordered Mesoporous Carbon Electrodes for Li-O2 Batteries. Acs Appl. Mater. Interfaces. 5, 13426-13431 (2013).
  13. Lei, Y., et al. Synthesis of porous carbon supported palladium nanoparticle catalysts by atomic layer deposition: application for rechargeable lithium-O2 battery. Nano Lett. 13, 4182-4189 (2013).
  14. Lu, J., et al. Effect of the size-selective silver clusters on lithium peroxide morphology in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 5, 4895(2014).
  15. Lu, J., et al. A nanostructured cathode architecture for low charge overpotential in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2383(2013).
  16. Lu, J., et al. Synthesis and characterization of uniformly dispersed Fe3O4/Fe nanocomposite on porous carbon: application for rechargeable Li-O2 batteries. RSC Adv. 3, 8276-8285 (2013).
  17. Luo, X., et al. Pd nanoparticles on ZnO-passivated porous carbon by atomic layer deposition: an effective electrochemical catalyst for Li-O2 battery. Nanotechnology. 26, 164003(2015).
  18. Freunberger, S. A., et al. The Lithium-Oxygen Battery with Ether-Based Electrolytes. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 8609-8613 (2011).
  19. Laoire, C. O., Mukerjee, S., Abraham, K. M., Plichta, E. J., Hendrickson, M. A. Influence of Nonaqueous Solvents on the Electrochemistry of Oxygen in the Rechargeable Lithium-Air Battery. J. Phys. Chem. C. 114, 9178-9186 (2010).
  20. McCloskey, B. D., Bethune, D. S., Shelby, R. M., Girishkumar, G., Luntz, A. C. Solvents' Critical Rope in Nonaqueous Lithium-Oxygen Battery Electrochemistry. J. Phys. Chem. Lett. 2, 1161-1166 (2011).
  21. Assary, R. S., et al. Molecular-Level Insights into the Reactivity of Siloxane-Based Electrolytes at a Lithium-Metal Anode. ChemPhysChem. 15, 2077-2083 (2014).
  22. Du, P., et al. Compatibility of lithium salts with solvent of the non-aqueous electrolyte in Li-O2 batteries. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 5572-5581 (2013).
  23. Aleshin, G. Y., et al. Protected anodes for lithium-air batteries. Solid State Ion. 184, 62-64 (2011).
  24. Assary, R. S., et al. The Effect of Oxygen Crossover on the Anode of a Li-O2 Battery using an Ether-Based Solvent: Insights from Experimental and Computational Studies. ChemSusChem. 6, 51-55 (2013).
  25. Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., Teller, H. A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions. Solid State Ion. 148, 405-416 (2002).
  26. Dey, A. N. Lithium Anode Film And Organic And Inorganic Electrolyte Batteries. Thin Solid Films. 43, 131-171 (1977).
  27. Lau, K. C., Lu, J., Luo, X., Curtiss, L. A., Amine, K. Implications of the Unpaired Spins in Li-O2 Battery Chemistry and Electrochemistry: A Minireview. ChemPlusChem. 80, 336-343 (2015).
  28. Lau, K. C., et al. Theoretical Exploration of Various Lithium Peroxide Crystal Structures in a Li-Air Battery. Energies. 8, 529-548 (2015).
  29. Black, R., et al. Screening for Superoxide Reactivity in Li-O2 Batteries: Effect on Li2O2/LiOH Crystallization. J. Am. Chem. Soc. 134, 2902-2905 (2012).
  30. Gallant, B. M., et al. Influence of Li2O2 morphology on oxygen reduction and evolution kinetics in Li-O2 batteries. Energy Environ. Sci. 6, 2518-2528 (2013).
  31. Lu, J., et al. Magnetism in Lithium-Oxygen Discharge Product. ChemSusChem. 6, 1196-1202 (2013).
  32. Xu, J. -J., Wang, Z. -L., Xu, D., Zhang, L. -L., Zhang, X. -B. Tailoring deposition and morphology of discharge products towards high-rate and long-life lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2438(2013).
  33. Zhong, L., et al. In Situ Transmission Electron Microscopy Observations of Electrochemical Oxidation of Li2O2. Nano Lett. 13, 2209-2214 (2013).
  34. Hitachi S-4700 SEM Training & Reference Guide. , Available from: http://chanl.unc.edu/files/2013/04/sem-user-guide_v1.pdf (2015).
  35. SEM Hitachi S4700 User Manual. , Available from: http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Material/surface/naibu/SEM%20Hitachi%20S4700%20User%20Manual.doc (2015).
  36. Goldstein, J., et al. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. , Springer. New York, NY. (2003).
  37. X-Ray Photoelectron Spectrometer Operation Procedure. , Available from: https://nanofabrication.4dlabs.ca/uploads/documents/XPS_SOP.pdf (2015).
  38. Haasch, R. T. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 3 93-132 (2014).
  39. JEM-2100F Field Emission Transmission Electron Microscope. , Available from: http://cmrf.research.uiowa.edu/files/cmrf.research.uiowa.edu/files/JEOL%202100%20User%20Instructions.pdf (2015).
  40. Wen, J. -G. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 5 189-229 (2014).
  41. Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy. , Springer. New York, NY. (2009).
  42. Beamline 11-ID-C: High-energy Diffraction Beamline. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=15 (2015).
  43. Beamline 11-ID-D: Sector 11 - Time Resolved X-ray Spectroscopy and Scattering. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=17 (2015).
  44. Sardela, M. R. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 1 1-41 (2014).
  45. Beamline 9-BM-B,C: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=82 (2015).
  46. Beamline 20-BM-B: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=32 (2015).
  47. Bunker, G. Introduction to XAFS: A Practical Guide to X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy. , Cambridge University Press. 1 edition (2010).
  48. Nicolet FT-IR User's Guide. , Available from: http://chemistry.unt.edu/~verbeck/LIMS/Manuals/6700_User.pdf (2015).
  49. Nicolet iS5 User Guide. , (2015).
  50. Renishaw inVia Raman Microscope Training Notebook. , Available from: https://depts.washington.edu/ntuf/facility/docs/raman_training_rev2_120507.pdf (2015).
  51. Renishaw InVia Quick Operation Summary. , Available from: https://www.ccmr.cornell.edu/sites/default/files/facilities%20equipment/Raman_Operation_Procedures_July_14_2014.pdf (2015).
  52. Mitchell, R. R., Gallant, B. M., Thompson, C. V., Shao-Horn, Y. All-carbon-nanofiber electrodes for high-energy rechargeable Li-O2 batteries. Energy Environ. Sci. 4, 2952-2958 (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

Aprotic Li O2 BatteryElectrochemical TestCathode CharacterizationSEM TEM AnalysisXANES SpectroscopySwagelok Cell AssemblyCapacity Controlled CyclingVoltage Controlled CyclingXRD XPS AnalysisATR FTIR Raman

מאמרים קשורים