방사광 기술을 사용하여 리튬 이온과 나트륨 이온 배터리 용 전극 재료의 특성

요약

우리는 싱크로트론 X-선 흡수 분광 (XAS) 및 X 선 회절에 리튬 이온 및 NA-이온 전지의 전극 재료의 층간 삽입 / 탈리 프로세스의 세부 사항을 조사하는 (XRD) 기술의 사용을 설명한다. 시츄 및 현지 외 실험 장치의 동작과 관련된 구조적 거동을 이해하기 위해 사용되는 두

초록

그러한 천이 금속 산화물 또는 인산염 등의 층간 화합물은 리튬 이온 및 NA-이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용되는 전극 재료이다. 삽입 또는 알칼리 금속 이온을 제거하는 동안, 화합물에서 전이 금속의 산화 환원 상태 변경과 같은 위상 천이 및 / 또는 격자 파라미터가 증가하거나 감소함에 따라 구조적인 변형이 발생한다. 차례로 이러한 동작은 잠재적 인 프로파일, 속도 기능, 사이클의 삶과 배터리의 중요한 특성을 결정합니다. 싱크로트론 방사선에 의해 생성 된 매우 밝고 동조 x-레이는 이러한 프로세스에 대한 정보를 제공하는 고해상도 데이터의 빠른 획득을 허용한다. X-선 흡수 분광 (XAS)가 로컬 전자 및 기하학적 구조 (레 독스 상태에있는 등의 변화 및 결합에 대한 정보를 제공하는 동안 같은 상전이 같은 벌크 재료의 변환은, 직접적으로, X-선 회절 (XRD)을 사용하여 관찰 할 수있다 엘그들은 물질의 전기 화학적 및 구조적 특성 사이의 직접적인 상관 관계를 허용하기 때문에 engths). 작동 세포상에서 수행 시츄 실험에서 특히 유용하다. 이러한 실험은 시간 소모적이며 인해 반쪽 전지의 구성에 사용되는 알칼리 금속 애노드의 반응성 및 공기 민감성으로 설계하는 도전 및 / 또는 다른 세포 성분 및 하드웨어에서의 신호 간섭의 가능성이 될 수있다. 이러한 이유로, 일부 경우에 (예를 들어 부분적으로 충전 또는 순환 세포로부터 수확 된 전극 상) 현지 외 실험을 실시하는 것이 적절하다. 여기, 우리는 방사광을 포함하는 실험에 모두 전 현장과 현장 샘플 준비를 위해 상세한 프로토콜을 제시하고 이러한 실험을 수행하는 방법을 보여줍니다.

서론

가전​​ 제품 용 리튬 이온 전지는 현재 전 세계적으로 1백10억달러 시장을 명령 ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) 이러한 플러그인 하이브리드 전기 자동차 (PHEV를) 및 전기 자동차 (전기 자동차) 등 신흥 차량용 애플리케이션을위한 최고의 선택입니다. 오히려 리튬보다 나트륨 이온을 이용한 이러한 장치 유사체의 개발 초기 단계에 있지만 대규모 에너지 저장 비용 및 공급 보안 인수 ^{1, 2에} 기초하여 (즉, 그리드 애플리케이션)에 대한 매력적인 여겨진다. 알칼리 금속 이온이 전위차에 삽입 공정을 거쳐 호스트 구조로서 작용하는 두 개의 전극 사이를 셔틀; 모두 듀얼 인터 시스템은 동일한 원리로 작동한다. 자신이 상대하는 전기 화학 전지atively 간단한 통상의 유기 용매의 혼합물 (도 1)에 용해 된 염으로 이루어진 전해질 용액으로 포화 된 다....

프로토콜

1. 실험 계획

1. 관심의 빔 라인의 실험을 확인합니다. 가이드로 빔 라인 웹 페이지를 참조하십시오. SSRL XAS 및 XRD, 이들에 대한 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. 빔 라인 과학자에 연락 실험의 세부 사항을 논의.
2. 관련 웹 사이트로 이동하여 마감 및 제안서에 대한 요구 사항을 확인합니다.
3. 빔 시간 제안서를 작성하고 제출합니다.
4. 제안은, 일정 빔 시간을 득점 한 후.
5. 빔 ....

결과

그림 2는 현장 실험에 사용되는 일반적인 순서를 보여줍니다. 합성 및 활성 물질 분말의 특성 후, 복합 전극 중 하나 상에 캐스팅 활물질, 폴리 비닐 리덴 플루오 라이드 (PVDF)와 같은 카본 블랙이나 N-메틸 피 롤리 디논 (NMP)에 현탁하고, 흑연 등의 도전성 첨가제 등의 바인더를 함유하는 슬러리로부터 제조된다 알루미늄 또는 구리 포일 집 전체. 알루미늄은 리튬 이온 전지의 음극 모두 나트륨 이온 배터리의 전극에 사용하고, 구리는 리튬 이온 전지의 양극에 사용되는. 전극 건조 절단하고 칭량 한 후, 세포는 미세 다공성 분리기, 적절한 전해액 및 리튬 또는 나 하나 호일로 이루어진 음극을 사용하여 불활성 분위기의 글로브 박스에 조립된다. 이러한 구성 요소는 다음 밀폐 공기를 유지하고 합리적으로 X-선 투명 폴리 에스테르로 만들어진, 보호 파우치에 밀봉된다. 알루미늄과니켈 탭은 각각 양극과 음극에 전기 접점을 만드는 데 사용된다. 애노드로서 사용되는 리튬 또는 소프트 나 금속이.......

토론

XANES 데이터의 분석 LiNi _{x 다음} 제작으로 공동 _1-2X 망간 _X O ₂ (0.01 ≤ X ≤ 1) 화합물은 니켈 ^{2 +,} 공동 ^{3 +가 포함되어} 있음을 나타냅니다, 그리고 망간 ^{4 +. 10} LiNi에 현장에서 최근 XAS 연구 _0.4 공동 _0.15 알 _0.05 망간 _0.4 O ₂ 니켈 ^{2 +는} 궁극적으로, 니켈 ^{4 +} delithiation 동안, 니켈 ^{3 +로} 산화 것을 보여 주었다, 그러나 공동 ^{3 +를} 포함하는 산화 환원 과정도 낮은 상태 -의 - 무료로 몇 가지 능력을 기여 이전의 가정에 대해 반대로 ^7. 낮은 코발트 조성물을 포함하는 또 다른 연구는, LiNi .......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
Equipment
Inert atmosphere glovebox	Vacuum Atmosphere Custom	order, Contact vendor	조립 중에 사용되며 알칼리 금속 및 습기에 민감한 부품을 보관하는 데 사용됩니다. (http://vac-atm.com)
불활성 분위기 글로브 박스	Mbraun		다양한 크기 (단일, 이중) 사용 가능, 미니 또는 가열 된 대기실, 산소 / 수분 제거 시스템, 선반, 전기 피드 스루, 등< / em>와 같은 다양한 옵션. (http://www.mbraunusa.com)
X선 분말 회절계(XRD)	Panalytical	X'Pert 분말	X'Pert는 모듈식 시스템입니다. 특수 실험에 사용할 수 있는 많은 액세서리. (www.panalytical.com)
X선 분말 회절계(XRD)		Bruker Bruker D2 Phaser	Bruker D2 Phaser는 소형으로 일상적인 분말 분석에 적합합니다. (www.bruker.com)
주사 전자 현미경(SEM)		JSM7500F	다양한 맞춤형 옵션이 있는 고해상도 전계 방출 주사 전자 현미경입니다. JEOL(http://www.jeolusa.com) 저비용 테이블탑 버전도 사용할 수 있습니다. 옵션에 대해서는 공급업체에 문의하십시오.
파우치 실러	VWR	11214-107	in>작업용. (https://us.vwr.com)
수동 압착 도구	Pred Materials	HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320	코인 셀을 밀봉하는 데 사용됩니다. 동전형 셀 하드웨어에 맞게 크기를 조정합니다. (www.predmaterials.com)
코인 셀 분해 도구	Pred Materials	공급업체에 문의	ex situ 작업을 위해 전극을 회수하기 위해 코인 셀을 분해하는 데 사용됩니다. 니들 노스 플라이어도 사용할 수 있습니다. 세포가 단락되지 않도록 끝을 테프론 테이프로 덮습니다. (www.predmaterials.com)
필름 주조 나이프	BYK Gardner	4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329	슬러리에서 전극 필름을 주조하는 데 사용됩니다. 미터법 또는 영국식 그라데이션으로 다양한 크기를 사용할 수 있습니다. 바 필름 또는 베이커 타입 애플리케이터 및 닥터 블레이드는 다재다능하지 않지만 저렴한 옵션입니다. 손으로 사용하거나 자동 필름 어플리케이터와 함께 사용할 수 있습니다. (https://www.byk.com)
닥터 블레이드, 베이커 어플리케이터	프레드 재료	, 베이커 타입 어플리케이터 및 닥터 블레이드. 필름 주조 칼도 사용할 수 있습니다.	슬러리에서 전극 필름을 주조하는 데 사용됩니다. 미터법 또는 영국식 그라데이션으로 다양한 크기를 사용할 수 있습니다. 바 필름 또는 베이커 타입 애플리케이터 및 닥터 블레이드는 다재다능하지 않지만 저렴한 옵션입니다. 손으로 사용하거나 자동 필름 어플리케이터와 함께 사용할 수 있습니다. (www.predmaterials.com)
자동 필름 어플리케이터	BYK 가드너	2101, 2105, 2121, 2122	옵션. 바 어플리케이터, 닥터 블레이드 또는 자동 전극 필름 생산을 위한 필름 주조 나이프와 함께 사용됩니다. 필름은 수작업으로 만들 수도 있지만 덜 균일합니다. (https://www.byk.com)
자동 필름 어플리케이터	Pred Materials	공급 업체에 문의	선택 사항. 바 어플리케이터, 닥터 블레이드 또는 자동 전극 필름 생산을 위한 필름 주조 나이프와 함께 사용됩니다. 필름은 수작업으로 만들 수도 있지만 덜 균일합니다. (www.predmaterials.com)
Potentiostat/Galvanostat	Bio-Logic Science Instruments	VSP	Portable 5채널 컴퓨터 제어 Potentiostat/Galvanostat는 in sitetu 실험을 위해 세포를 순환하는 데 사용됩니다. (http://www.bio-logic.info)
Potentiostat/Galvanostat	Gamry Instruments	Reference 3000	in site 실험을 위해 세포를 순환하는 데 사용되는 휴대용 단일 채널 컴퓨터 제어 potentiostat/galvanostat. (www.gamry.com)
Area Diffraction Machine		무료 다운로드	2D 회절 데이터 분석에 사용됩니다. Mac 및 Windows 버전을 사용할 수 있습니다. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/
IFEFFIT			Hephaestus, Athena 및 Artemis를 포함한 XAS 분석을 위한 대화형 프로그램 제품군을 무료로 다운로드할 수 있습니다. Mac, Windows 및 UNIX에서 사용할 수 있습니다. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/
SIXPACK			IFEFFIT을 기반으로 하는 XAS 분석 프로그램을 무료로 다운로드할 수 있습니다. Windows 및 Mac 버전. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html
CelRef		그래픽	단위 셀 정제 무료 다운로드. Windows 전용입니다. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm 및 http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/
< 강> 시약 / 재료< / 강>
전극 활물질	다양		한 사내에서 합성하거나 다양한 공급 업체에서 얻습니다.
합성 플레이크 흑연	Timcal	SFG-6	전극용 전도성 첨가제. (www.timcal.com)
아세틸렌 블랙	Denka Denka	Black	전극용 전도성 첨가제. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html)
1-메틸-2-피롤리디논(NMP)	시그마-알드리치	328634	전극 슬러리를 만드는 데 사용됩니다. (www.sigmaaldrich.com)
Al 집전체	Exopack	z-flo 2650	탄소 코팅 호일. 한쪽 면에 코팅되어 있습니다. (http://www.exopackadvancedcoatings.com)
Al 집전체	Alfa-Aesar	10558	0.025mm(0.001인치) 두께, 30cm x 30cm(12인치 x 12인치), 99.45%(금속 기준), 비코팅(http://www.alfa.com)
Cu 집전체	Pred 재료	전착 Cu 호일	리튬 이온 배터리용 양극 재료와 함께 사용합니다. (www.predmaterials.com)
리튬 호일	Rockwood 리튬	접촉 공급 업체	반쪽 전지 용 양극. 다양한 두께와 너비로 제공됩니다. 반응성이 뛰어나고 공기에 민감합니다. He 또는 Ar 아래의 불활성 분위기 글로브 박스에 보관 및 취급하십시오 (N2< / sub>와 반응). (www.rockwoodlithium.com)
리튬 호일	Sigma-Aldrich	320080	양극. 다양한 두께와 너비로 제공됩니다. 반응성이 뛰어나고 공기에 민감합니다. He 또는 Ar 아래의 불활성 분위기 글로브 박스에 보관 및 취급하십시오 (N2< / sub>와 반응). (www.sigmaaldrich.com)
나트륨 잉곳	282065	그마-알드리치	. 호일로 압출 할 수 있습니다. 반응성이 뛰어나고 공기에 민감합니다. 비활성 분위기의 글러브 박스에서 보관하고 취급하십시오. (www.sigmaaldrich.com)
전해질 솔루션	BASF	Selectilyte P-Series 공급업체에 문의	원하는 제형에 대해서는 공급업체에 문의하십시오. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes)
디메틸 카보네이트 (DMC)	시그마 알드리치	517127	ex situ< / em> 실험을 위해 전극을 세척하는 데 사용됩니다. (www.sigmaaldrich.com)
미세 다공성 분리기	Celgard	2400	폴리 프로필렌 멤브레인 (http://www.celgard.com< / a >)
코인 셀 하드웨어 (케이스, 캡, 개스킷)	Pred 재료	CR2016, CR2025, CR2320, CR2032	사용 가능한 압착 공구와 일치하는 크기, Al-clad 구성 요소도 사용 가능. (www.predmaterials.com)
웨이브 와셔	Pred Materials	SUS316L	(www.predmaterials.com)
Spacers	Pred Materials	SUS316L	(www.predmaterials.com)
Ni 및 Al pretaped 탭	Pred Materials	공급업체	에 문의크기는 변경될 수 있습니다. 맞춤 주문에 대해 문의하십시오. (www.predmaterials.com)
폴리에스테르 파우치	VWR	11214-301	작업을 위한 전기화학 전지를 밀봉하는 데 사용됩니다in-situ . 강한 신호 간섭 때문에 튼튼한 파우치를 피하십시오. (https://us.vwr.com)
Kapton 필름	McMaster-Carr	7648A735	ex situ 실험용 전극을 덮는 데 사용되며 0.0025 두께(www.mcmaster.com)
헬륨, 아르곤 및 4-10% 수소	Air Products	원하는 조성 및 순도 수준에	대해 공급업체에 문의하십시오.헬륨 또는 아르곤은 세포 조립이 수행되고 알칼리 금속이 저장되는 글로브 박스를 채우는 데 사용됩니다. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx)
질소는 리튬과 반응하므로 질소를 사용하지 마십시오. 나트륨을 보관하는 경우에만 헬륨을 사용하십시오. 필요한 순도 수준은 글로브 박스에 수분 및 산소 제거 시스템이 장착되어 있는지 여부에 따라 다릅니다. 물/산소 제거 시스템을 재생하는 데 필요한 수소 혼합물(존재하는 경우)  또는 다른 적합한 가스 공급 업체

셀 현장 , 반쪽 세포를 위한 : 반쪽 세포에 대한 양극 시 현장 는