Caratterizzazione di materiali per elettrodi per batterie agli ioni sodio e ioni di litio utilizzando tecniche Synchrotron Radiation

Summary

Descriviamo l'utilizzo della spettroscopia di sincrotrone a raggi X di assorbimento (XAS) e diffrazione di raggi X tecniche (XRD) per sondare i dettagli dei processi di intercalazione / deintercalazione in materiali per elettrodi per batterie Li-ion e Na-ioni. Sia in situ e vengono utilizzati esperimenti ex situ per comprendere il comportamento strutturale rilevanti per il funzionamento dei dispositivi

Abstract

Composti di intercalazione come ossidi di metalli di transizione o fosfati sono i materiali per gli elettrodi più comunemente utilizzati a Li-ion e batterie Na-ione. Durante l'inserimento o la rimozione di ioni di metalli alcalini, gli stati redox di metalli di transizione nei composti cambiano e trasformazioni strutturali come transizioni di fase e / o di parametri reticolari aumenti o diminuzioni si verificano. Questi comportamenti, a loro volta determinano importanti caratteristiche delle batterie come i profili potenziali, le capacità dei tassi, e la vita di ciclo. I raggi X estremamente luminosi e accordabili prodotti dalla radiazione di sincrotrone permettono una rapida acquisizione di dati ad alta risoluzione che forniscono informazioni su questi processi. Trasformazioni nei materiali alla rinfusa, come transizioni di fase, possono essere osservati direttamente mediante diffrazione di raggi X (XRD), mentre la spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) fornisce informazioni sulle strutture elettroniche e geometriche locali (ad esempio cambiamenti di stato redox e bond lengths). Negli esperimenti in situ effettuati su cellule operativi sono particolarmente utili perché consentono diretta correlazione tra le proprietà elettrochimiche e strutturali dei materiali. Questi esperimenti sono richiede tempo e può essere difficile progettare causa della reattività e sensibilità aria degli anodi di metallo alcalino utilizzati nelle configurazioni semi-cella, e / o la possibilità di interferenza del segnale da altri componenti cellulari e hardware. Per queste ragioni, è opportuno effettuare esperimenti ex situ (ad esempio sugli elettrodi raccolte da cellule parzialmente cariche o bici) in alcuni casi. Qui vi presentiamo protocolli dettagliati per la preparazione di entrambi ex situ e in situ di campioni per esperimenti che coinvolgono radiazione di sincrotrone e dimostrare come sono fatti questi esperimenti.

Introduction

Batterie agli ioni di litio per l'elettronica di consumo attualmente comandano un mercato 11 miliardi dollari in tutto il mondo ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) e sono la prima scelta per le applicazioni veicolari emergenti come plug-in veicoli ibridi elettrici (PHEV) e veicoli elettrici (EV). Analoghi a questi dispositivi che utilizzano ioni di sodio piuttosto che di litio sono in precedenti fasi di sviluppo, ma sono considerate attraenti su larga scala lo stocca....

Protocol

1. Pianificazione degli esperimenti

1. Identificare esperimenti linea di fascio di interesse. Fare riferimento alle pagine web di linea fascio come guide. Per SSRL XAS e XRD, questi 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. Contatta scienziato linea di fascio e discutere i dettagli dell&#....

Results

La figura 2 mostra una tipica sequenza utilizzata per un esperimento in situ. Dopo la sintesi e caratterizzazione di polveri del materiale attivo, elettrodi compositi vengono preparati impasti contenenti il ​​materiale attivo, un legante come polivinilidene fluoruro (PVDF) e additivi conduttivi come nerofumo o grafite sospeso in N-metilpirrolidinone (NMP), espressi su entrambi collettori di corrente foglio di alluminio o rame. L'alluminio è utilizzato per catodi di batterie agli ioni di litio e.......

Discussion

L'analisi dei dati XANES indicano che, come fatto a Lini _x Co _1-2x Mn _x O ₂ (0,01 ≤ x ≤ 1) composti contiene Ni ^{2 +,} Co ^{3 +} e Mn ^{4 +. 10} Un recente studio in situ XAS su Lini _0.4 Co _0.15 Al _0,05 Mn _0,4 O ₂ ha mostrato che Ni ^{2 +} è stato ossidato a Ni ^{3 +} e, in ultima analisi, Ni ^{4 +} durante delithiation, ma che i processi di ossidoriduzione che .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Scatola a guanti per atmosfera inerte	Atmosfere sottovuoto Ordine	personalizzato, contatta i fornitori	Utilizzato durante l'assemblaggio delle celle e per immagazzinare metalli alcalini e componenti sensibili all'umidità. (http://vac-atm.com)
Scatola a guanti per atmosfera inerte	Mbraun		Varie dimensioni (singole, doppie) disponibili, molte opzioni come mini o anticamere riscaldate, sistemi di rimozione ossigeno/acqua, scaffalature, passanti elettrici, ecc. (http://www.mbraunusa.com)
Diffrattometro a raggi X per polveri (XRD)	Panalytical	X'Pert Powder	X'Pert è un sistema modulare. Molti accessori disponibili per esperimenti specializzati. (www.panalytical.com)
Diffrattometro a raggi X per polveri (XRD)	Bruker	Bruker D2 Phaser	Bruker D2 Phaser è compatto e adatto per le analisi di routine delle polveri. (www.bruker.com)
Microscopio elettronico a scansione (SEM)		JSM7500F	Microscopio elettronico a scansione a emissione di campo ad alta risoluzione con numerose opzioni personalizzabili. JEOL (http://www.jeolusa.com) Sono disponibili anche versioni da tavolo a basso costo. Contatta il fornitore per le opzioni.
Sigillante per buste	VWR	11214-107	Utilizzato per sigillare buste per in situ work. (https://us.vwr.com)
Pinza a crimpare manuale	Materiali Pred	HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320	Utilizzato per sigillare le celle a bottone. Abbina le dimensioni all'hardware della pila a bottone. (www.predmaterials.com)
Utilizzato			per smontare le celle a bottone per recuperare gli elettrodi per il lavoro ex situ. È possibile utilizzare anche pinze ad ago. Coprire le estremità con nastro di teflon per evitare di cortocircuitare le celle. (www.predmaterials.com)
Coltelli per colata di film	BYK Gardner	4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329	Utilizzati per fondere film di elettrodi da fanghi. Diverse misure disponibili, con gradazioni metriche o inglesi. Gli applicatori e le racle a barra o a barra di tipo Baker sono opzioni meno versatili ma a basso costo. Può essere utilizzato a mano o con applicatori automatici di pellicola. (https://www.byk.com)
Racle, applicatori Baker,	materiali pred	applicatore e racla tipo Baker. Disponibili anche coltelli per la colata di film.	Utilizzato per fondere film di elettrodi da fanghi. Diverse misure disponibili, con gradazioni metriche o inglesi. Gli applicatori e le racle a barra o a barra di tipo Baker sono opzioni meno versatili ma a basso costo. Può essere utilizzato a mano o con applicatori automatici di pellicola. (www.predmaterials.com)
Applicatore automatico di film	BYK Gardner	2101, 2105, 2121, 2122	Opzionale. Utilizzato con applicatori di barre, racle o coltelli per la colata di film per la produzione automatica di film per elettrodi. I film possono essere realizzati anche a mano, ma sono meno uniformi. (https://www.byk.com)
Applicatore automatico di film	Materiali Pred Contatta	il fornitore	Opzionale. Utilizzato con applicatori di barre, racle o coltelli per la colata di film per la produzione automatica di film per elettrodi. I film possono essere realizzati anche a mano, ma sono meno uniformi. (www.predmaterials.com)
Potenziostato/Galvanostato	Scienze Biologiche	VSP	Potenziostato/galvanostato portatile a 5 canali controllato da computer utilizzato per il ciclo delle cellule per esperimenti in situ. (http://www.bio-logic.info)
Potenziostato/Galvanostato	Gamry Instruments	Riferimento 3000	Potenziostato/galvanostato portatile a canale singolo controllato da computer utilizzato per il ciclo delle celle per esperimenti in situ. (www.gamry.com)
gratuito		la diffrazione dell'area	Utilizzato per l'analisi dei dati di diffrazione 2D. Disponibili versioni per Mac e Windows. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/
IFEFFIT		Download gratuito	di programmi interattivi per l'analisi XAS, tra cui Efesto, Atena e Artemide. Disponibile per Mac, Windows e UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/
SIXPACK		Scarica gratuitamente	il programma di analisi XAS che si basa su IFEFFIT. Versioni per Windows e Mac. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html
CelRef		Download gratuito	Perfezionamento grafico della cella unitaria. Solo Windows. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm e http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/
Reagent/Material
Materiali attivi per elettrodi	vari		Sintetizzati internamente o ottenuti da vari fornitori.
Grafite sintetica lamellare	Timcal	SFG-6	Additivo conduttivo per elettrodi. (www.timcal.com)
Acetilene nero	Denka	Denka Nero	Additivo conduttivo per elettrodi. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html)
1-metil-2-pirrolidinone (NMP)	Sigma-Aldrich	328634	Utilizzato per produrre fanghi di elettrodi. (www.sigmaaldrich.com)
Collettori di corrente Exopack		z-flo 2650	Fogli rivestiti in carbonio. Rivestito su un lato. (http://www.exopackadvancedcoatings.com)
Collettori di corrente	Alfa-Aesar	10558	0,025 mm (0,001 pollici) di spessore, 30 cm x 30 cm (12 pollici x 12 pollici), 99,45% (base metallica), non rivestito (http://www.alfa.com)
Cu Collettori di corrente	Pred Materiali	Foglio	di Cu elettrodepositatoPer l'uso con materiali anodici per batterie agli ioni di litio. (www.predmaterials.com)
Foglio di litio	Rockwood Lithium	Contatta il fornitore	Anodo per semicelle. Disponibile in diversi spessori e larghezze. Reattivo e sensibile all'aria. Conservare e maneggiare in un vano portaoggetti in atmosfera inerte sotto He o Ar (reagisce con N2). (www.rockwoodlithium.com)
Foglio di litio	Sigma-Aldrich	320080	Anodo per semicelle. Disponibile in diversi spessori e larghezze. Reattivo e sensibile all'aria. Conservare e maneggiare in un vano portaoggetti in atmosfera inerte sotto He o Ar (reagisce con N2). (www.sigmaaldrich.com)
Lingotto di sodio	Sigma-Aldrich	282065	Anodi per semicellule. Può essere estruso in lamine. Reattivo e sensibile all'aria. Conservare e maneggiare in atmosfera inerte glovebox sotto il solo He. (www.sigmaaldrich.com)
Soluzioni elettrolitiche	BASF	Selectilyte P-Series Contatta il fornitore	Contatta il fornitore per le formulazioni desiderate. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes)
Dimetilcarbonato (DMC)	Sigma-Aldrich	517127	Utilizzato per lavare gli elettrodi per esperimenti ex situ. (www.sigmaaldrich.com)
Separatori microporosi	Celgard	2400	Membrane in polipropilene (http://www.celgard.com)
Hardware per celle a bottone (custodia, tappo, guarnizione)	Materiali Pred	CR2016, CR2025, CR2320, CR2032	Abbina le dimensioni alla pinza a crimpare disponibile, sono disponibili anche componenti rivestiti in Al. (www.predmaterials.com)
Rondelle ondulate	Pred Materials	SUS316L	(www.predmaterials.com)
Distanziatori	Pred Materials	SUS316L	(www.predmaterials.com)
Schede preregistrate Ni e Al	Pred Materials	Contatta il fornitore	Le taglie sono soggette a modifiche. Informarsi sugli ordini personalizzati. (www.predmaterials.com)
Buste in poliestere	VWR	11214-301	Utilizzate per sigillare celle elettrochimiche per in situ work. Evitare buste pesanti a causa di forti interferenze di segnale. (https://us.vwr.com)
Pellicola Kapton	McMaster-Carr	7648A735	Utilizzato per coprire gli elettrodi per esperimenti ex situ, 0,0025 in spessore (www.mcmaster.com)
Elio, argon e 4-10% di idrogeno in elio o argon	Air Products	contatta il fornitore per le composizioni e i livelli	di purezza desideratiL'elio o l'argon vengono utilizzati per riempire la scatola a guanti in cui viene effettuato l'assemblaggio delle celle e viene immagazzinato il metallo alcalino. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx)
Non usare l'azoto perché reagisce con il litio. Utilizzare solo elio se viene immagazzinato il sodio. Il livello di purezza necessario dipende dal fatto che la scatola a guanti sia dotata di un sistema di rimozione dell'acqua e dell'ossigeno. Miscele di idrogeno necessarie per rigenerare il sistema di rimozione acqua/ossigeno, se presenti. o qualsiasi altro fornitore di gas idoneo