非プロトン性のLi-Oの電気化学的試験のプロトコルとキャラクタリゼーション

本手順の全体的な目的は、電気化学的試験および電池材料の特性評価を含む、非プロトン性リチウム酸素電池のルーチン試験を系統的かつ効率的に配置することを実証することです。このプロトコルでは、非プロトン性リチウム酸素電池のメカニズムの解析、および活物質や電極触媒、正極、非プロトン性電解質、負極材料などの電池材料の開発を行います。本プロトコルの主な利点は、窒素、二酸化炭素、および大気中の水分など、リチウム酸素電池の電気化学反応に影響を及ぼす成分を考慮している点にあります。

また、水酸化リチウムや炭酸リチウムなどの副産物も減少させます。この手順を開始するには、あらかじめ調製した正極材とポリフッ化ビニリデン（PVDF）を4:1の重量比で混合します。そこに、混合物の重量の約3倍のMPを加えます。

混合物を撹拌し、均一な質感のスラリーにします。ドクターブレードを用いて、カーボンペーパー上にスラリーを厚さ約100 µmで塗布します。その後、ラミネートを真空乾燥機にて100 °Cで一晩乾燥させます。

翌日、ホールパンチャーでラミネートをディスク状に打ち抜き、重量を測定します。非プロトン性電解質を調製するため、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムを100 °Cの真空オーブンで一晩乾燥させます。アルゴン充填グローブボックス内で、乾燥させたトリフルオロメタンスルホン酸リチウムのテトラエチレングリコールジメチルエーテル溶液（1 M）を調製します。

塩が溶解するまで、マグネチックスターラーで溶液を撹拌します。アノードを準備するために、ホールパンチを使用してリチウムチップをディスク状に打ち抜きます。ここに示すように、Swagelokセルを組み立てます。

アノード端を締め、カソード端を緩めます。次に、リチウムディスクの1枚をアノード端のステンレス製ロッドの上に置きます。リチウム金属アノードの上にガラスファイバーセパレーターを配置します。

電解液を5〜7滴加え、ガラスファイバーセパレーターを十分に濡らします。次に、セパレーターを軽く押し、気泡を除去します。その後、濡れたセパレーターの上に、活性物質がアノード側を向くようにカソードを配置します。

カソードをアルミメッシュの一片で覆います。アルミチューブを用いて層を押し込み、カソード端を締め付けます。Swagelokセル全体をガラスチャンバーに入れ、クランプでチャンバーを固定します。

グローブボックスからセルを取り出した後、ガラスチャンバーを超高純度酸素タンクに接続します。1気圧の連続的な酸素流量で、チャンバー内を30分間パージしてください。この時点で、サーモスタットが25 °Cに設定されていることを確認してください。

セルと電極を恒温槽に入れ、固定します。次に、対応する電子クリップを用いて、カソードとアノードをガラスチャンバーに固定します。続いて、電池テストシステムの操作ソフトウェアを開き、ケーブルが接続されているチャンネルを選択します。放電試験のため、放電停止電圧を2.2 voltsに設定します。

容量制御サイクリング試験のため、放電充電ステップ時間を10時間に設定します。次に、電圧制御サイクリング試験のため、放電カットオフ電圧を2.2 Vに、充電カットオフ電圧を4.5 Vに設定します。その後、ソフトウェアインターフェース上の実行ボタンをクリックして、手順を開始します。

測定が完了したら、グローブボックス内でセルを分解します。電極は、さらなる特性評価のためにガラスバイアルに保存します。残りのセル部品をグローブボックスから取り出した後、Swagelok部品、ステンレス鋼ロッド、アルミニウムチューブ、およびアルミニウムメッシュを、脱イオン水を入れたビーカーに入れます。

次に、超音波洗浄を15〜30分間行います。最後に、セル部品とガラスチャンバーを60〜80 °Cに設定した恒温槽で乾燥させます。触媒担持前後のカーボンパウダーのSCM像から、多孔質表面構造が維持されていることが示されています。

TEM画像では、電極触媒ナノ粒子がカーボン基材上に均一に分散していることが示されており、高分解能TEM画像ではナノ粒子が良好に結晶化していることが確認できます。XANESスペクトルから、空気中で正極を調製したため、電極触媒ナノ粒子が部分的に酸化していることがわかります。ここでは、放電および充放電サイクルの代表的な電圧プロファイルを示します。

放電後の正極のSCM像において、生成物はドーナツ状の形状を示しており、これはリチウム空気電池における過酸化リチウムの主要な形態として広く認められています。放電後の正極のXRDパターンでは過酸化リチウムと炭素のピークが観察され、電池内での副反応が最小限に抑えられていることが示唆されます。XPSスペクトルからは、放電後に正極表面に過酸化リチウムと水酸化リチウムが形成されることが分かります。

リチウムペルオキシドは還元されますが、充電後には水酸化リチウムが残存します。ラマン分光法により、微量のリチウム超酸化物が検出されました。FTIRスペクトルの水酸化物およびカルボニル基の振動信号は、エーテル電解質の存在とともに、副反応で生成した他の水酸化物、炭酸塩、またはカルボニル種の存在を示しています。

適切に実施すれば、このタイプのセルは習熟後に5分で組み立てることができます。この技術の開発により、金属空気電池分野の研究者が、電気化学的試験と電池材料の分類の両面から電池性能を探索することが可能になりました。本手順を行う際は、副反応や副産物の生成を避けるため、アルゴンを満たしたグローブボックス内で操作することが重要です。

このビデオを視聴することで、リチウム酸素電池を体系的かつ効率的に研究する方法について十分に理解できるはずです。アルカリ金属や有機溶媒を取り扱うことは非常に危険であるため、本手順の実施にあたっては、手袋の着用、グローブボックス内での作業、および化学薬品用ドラフトチャンバー内での作業などの予防策を必ず講じてください。