방법 논문

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

DOI:

10.3791/50594

⸱

2013년 11월 11일

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

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

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

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

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

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

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 다공성 막에 의해 분리 집전에 복합 양극 및 음극으로 이루어진. 흑연과는 LiCoO2는 리튬 이온 전지에 대해, 각각, 가장 일반적으로 사용되는 음극 및 양극이다. 여러 다른 전극 ​​재료도의 LiMn 2 O 4 스피넬, 올리 빈 구조로 된 LiFePO4의 변종을 포함하여, 특정 응용 프로그램을 위해 개발되었으며, NMCs 반응 및 하드 탄소에 (LiNi는 MN이 공동 1 배 O 2 화합물 X X) 리 4 티타늄 5 O (12) 및 네거티브 3 주석과 리튬의 합금. LiNi 0.5 망간 1.5 O 4와 같은 고전압 재료 등의 계층화 계층화 된 복합 재료 (예를 들면 XLI 2 MnO의 <새로운 고용량 자료0.5 부> 3 · (1-X)의 LiMn 니켈 0.5 O 2), 산화 환원 상태에있는 여러 변화를 받아야하고, 리튬 Si 합금의 양극이 성공적으로 배포하는 경우, 경우, 현재 강렬한 연구의 주제, 그리고 수 전이 금속과 화합물 또한 리튬 이온 전지의 실제 에너지 밀도를 높입니다. 전이 금속 산화물, 황화물, 또는 불화물은 가역적 금속 원소와 리튬 염으로 감소되는 변환 전극으로 알려진 물질의 또 다른 부류는, (주로 양극위한 대체와 같은) 전지의 전극으로 사용하기위한 고려도있다 4. 나트륨에 기반 디바이스의 경우, 단단한 탄소, 합금, NASICON 구조 및 티타 네이트는 음극, 양극과 같은 다양한 전이 금속 산화물 및 폴리 음이온 화합물로 사용하기 위해 연구되고있다.

리튬 이온과 나트륨 이온 전지는 화학 반응에 기초하여 고정되지 않으므로, 성능 특성이 상당히 t에 따라 달라그는 사용되는 전극. 전극의 산화 환원 문제는 잠재적 인 프로필, 속도 기능 및 장치의 사이클의 삶을 결정한다. 종래의 분말 X-선 회절 (XRD) 기술은 깨끗한 재료 및 순환 전극에 외부 계 측정 초기 구조적 특성화에 사용될 수 있지만, 그러한 낮은 신호 강도 및 데이터를 수집하는데 필요한 비교적 긴 시간과 같은 실제적인 고려는 정보의 양을 제한 즉, 방전과 충전 프로세스를 얻을 수있다. 한편, 싱크로트론 방사선의 높은 광택과 단파장 높은 처리량 화상 감지기, 샘플의 고해상도 데이터의 허가 취득의 사용과 결합 (스탠포드 방사광있는 광원의 빔라인 11-3에서 예 λ = 0.97 A) 적은 초 10로가. 현장 작업에서 요금을 겪고 세포 구성 요소를 전송 모드에서 수행 밀폐 방전됩니다데이터를 수집하는 작업을 중지하지 않고 X-레이에 투명 파우치. 결과적으로, 전극의 구조적 변화는 세포주기로서 "타임 스냅 샷"로서 관찰 될 수 있고, 더 많은 정보는, 종래 기술에 비해 얻을 수있다.

X-선 흡수 분광 (XAS)는 또한 때때로 X-선 흡수 미세 구조 (XAFS)은 재료의 로컬 전자 및 기하학적 구조에 대한 정보를 제공한다라고 함. XAS 실험에서 광자 에너지는 조사중인 특정 요소의 특성 흡수 에지에 동조된다. 가장 일반적으로 전지 재료에 대해,이 에너지는 관심의 전이 금속의 K-가장자리 (1S 궤도)에 해당하지만, 부드러운 XAS 실험은 O로 조정, F, C, B, N 및 첫 번째 행의 L 2,3 가장자리 전이 금속은 때때로 현지 외 샘플 5에서 수행됩니다. XAS 실험에 의해 생성 된 스펙트럼 DIST 몇개로 분할 할 수있다다른 정보를 포함 inct 지역 (Newville, M., XAFS의 기본 참조 http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf을 ). 주요 기능은, 흡수 단으로 구성된 약 30 ~ 50 에버스 이상 연장하는 에지 구조 근처 X-선 흡수 (XANES) 지역과 국가를 연속체 이온화 임계 값을 나타냅니다. 이 흡수체의 산화 상태와 배위 화학에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 스펙트럼의 높은 에너지 부분이 확장 된 X-선 흡수 미세 구조 (EXAFS) 영역이라고도 및 토출 광전자 떨어져 인접 원자 산란에 해당된다. 이 영역의 푸리에 분석은 결합 길이 및 번호와 이웃 이온의 종류로 단거리 구조 정보를 제공한다. Preedge는 characterist 아래에 있습니다일부 화합물의 IC 흡수 에너지는 또한 때때로 나타납니다. 이들은 면체 형상에 대한 바인딩 상태, 또는 사면체 사람의 극 허용 궤도 하이브리드 효과를 비우 쌍극자 금지 된 전자 전환에서 발생하고 종종 흡수 이온 (예를 들어,이 사면체 또는 팔면체 조정 여부)의 로컬 대칭 상관 관계가 될 수있다 6.

XAS 초기 산화 환원 상태를 결정하기 위해 그러한 NMCs 같은 혼합 금속 시스템을 연구하고있는 전이 금속 이온 delithiation 및 리튬 화 과정에서 산화 환원을 거쳐위한 특히 유용한 기술이다. 여러 가지 금속에 대한 데이터는 하나의 실험에서 빠르게 얻어 질 수 있으며, 해석은 비교적 간단하다. 반면, 뫼스 바우어 분광기 전지 재료 (주로 철과의 Sn)에 사용되는 불과 몇 금속으로 제한됩니다. 자기장 측정은 또한 산화 상태를 결정하는데 이용 될 수 있지만, 자기 결합 효과 합병증 수특히 같은 NMCs 같은 복합 산화물에 대한 테 해석.

잘 계획해서 실행 현지 내외의 싱크로트론 XRD와 XAS 실험은 보완 정보를 제공하고보다 완전한 그림이 종래의 기술을 통해 얻을 수있는 것보다 일반 배터리로 작동하는 동안 전극 재료에서 발생하는 구조적인 변화로 형성 될 수 있습니다. 이것은, 차례로, 장치의 전기 화학적 거동을 제어 정보의 더 큰 이해를 제공한다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

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

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 시간을 준비하기 위해 시설에서 제공하는 지침을 따르십시오. 실험, T의 세부 사항을 고려및 장비, 및 안전 문제 (특히 알칼리 금속을 포함하는 장치) 재료의 ransport. 안전 교육은 일반적으로 새로운 사용자를 위해 필요합니다.

2. 재료, 전극, 및 셀의 제조

  1. 합성 또는 그 활성 물질을 얻을 수 있습니다.
  2. 단계를 사용하여, 종래의 X-선 분말 회절에 의해 물질을 특성화 2.2.1-2.2.9.
    1. 균일 한 입자 크기 분포를 보장하는 분말 체를 분쇄.
    2. 샘플 홀더에 샘플을로드합니다. 홀더에서 백 플레이트를 제거하고 유리 슬라이드에 배치합니다. 분말 공동을 기입 한 후 백 플레이트, 플립 홀더를 장착하고 슬라이드를 제거합니다. 이것은 분말도 홀더 표면과 표면이 평평 있다는 것을 보장한다.
    3. 회절에 대한 로그 북에 로그인합니다.
    4. 회절에 샘플 홀더를 삽입하고 정렬합니다.
    5. 회절의 문을 닫습니다.
    6. 팬에 연결된 컴퓨터에서 데이터 수집기​​ 프로그램을 사용하여alytical 회절, 증가 전압 측정을위한 적절한 값을 현재. 실험을 위해 슬릿 빔 마스크를 선택합니다. 선택하거나 스캔 프로그램을 수정합니다.
    7. 프로그램 이름의 데이터 파일을 시작합니다. 프로그램이 메시지가 표시되면 배지를 강타해서 회절 문을 잠급니다. 데이터를 수집합니다.
    8. 높은 점수의 프로그램을 사용하여 패턴을 분석합니다. 특히, 불순물 (여분 반사)의 존재를보고 패턴은 표준 물질 또는 계산 패턴이 일치하는지 여부.
    9. 회절에서 샘플을 제거합니다. 전류와 전압, 주변의 문을 아래로 돌립니다. 이상한 조건을 지적, 로그 아웃합니다.
  3. 단계 2.3.1-2.3.10를 사용하여 입자의 형태학을 평가하기 위해 주사 전자 현미경 사진을 얻습니다.
    1. 알루미늄 스텁에 탄소 테이프를 부착하고, 끈적 끈적한면에 시료 분말을 뿌려 샘플을 준비합니다. 샘플을 통해 부엌 자석을 잡고 자기에 대한 테스트합니다.
    2. airlo 통해 SEM 챔버에 샘플을 삽입CK.
    3. 진공이 설정되면,에 가속 전압 전원을 켭니다.
    4. 낮은 배율 모드에서 명암과 밝기를 조정합니다. 이것은 가장 편리 ACB 버튼을 사용하여 수행됩니다.
    5. 수동으로 x와 y 방향으로 검색하여 관심 영역을 찾을 수 있습니다.
    6. 높은 배율이 필요한 경우 SEM 또는 부드러운 빔 모드로 전환합니다. 원하는 검출기를 선택하고 실험에 대한 적절한 값으로 작동 거리를 설정합니다.
    7. ACB 노브를 사용하여 명암과 밝기를 조정합니다.
    8. 무대 Z 컨트롤을 이미지에 초점을 맞 춥니 다.
    9. 빔, 정확한 난시를 맞추고 x와 y 노브를 사용하여 초점을 맞 춥니 다.
    10. 원하는대로 사진 버튼을 사용하여 사진을 촬영하고 컴퓨터에 해당하는 폴더에 저장합니다.
    11. 완료되면, 가속 전압 전원을 끄십시오. 위치를 교환하고 출입구를 통해 챔버에서 제거 할 샘플을 이동합니다.
  4. 필요한 경우 ICP에 의해 원소 분석을 실시하고, 같은 IR 등 기타 원하는 기술과 재료의 특성을또는 라만 분광기.
  5. 단계를 사용하여 전극을 제조 2.5.1-2.5.8.
    1. 5-6% N-methylpyrolidinone에서 (wt.) 폴리 불화 비닐 리덴 (PVDF) (NMP)의 용액을 만든다.
    2. 밀 함께 활성 물질과 전도성 첨가제 (등 아세틸렌 블랙, 흑연,.).
    3. 2.3.2 단계에서 분말을 건조 및 혼합 단계 2.3.1에서 NMP 솔루션을 추가합니다. 비율은 활성 물질의 성질에 따라 다르지만, 80:10:10 (활물질 : PVDF : 도전 조제)의 최종 건조 조성은 일반적이다.
    4. 알루미늄 또는 구리 집에 닥터 블레이드 (선택 사항) 진공 테이블, 캐스팅 전극 슬러리를 사용. 탄소 피복 알루미늄 포일은 리튬 이온 전지의 음극 재료와 모든 NA-이온 전극 재료에 대해 사용될 수 있고, 구리 호일은 Li 이온 애노드 재료에 사용된다.
    5. 공기 건조에 전극을 허용합니다.
    6. 또 IR 램프, 핫 플레이트, 또는 진공 오븐을 사용하여 건조 전극.
    7. 잘라내거나 필요한 크기로 전극을 펀치. 전동 무게송시.
    8. 불활성 분위기의 글러브 박스에 전극을 전송합니다. 글러브 박스에 부착 된 진공 가열 대기실을 사용하여 추가로 건조 단계는 모든 잔여 수분을 제거하는 것이 좋습니다.
  6. 전기 화학 소자 (일반적으로 코인 셀 만, 다른 구성은 전기 화학적 특성 분석을 위해 사용될 수있다)의 초기 특성화, 계외 샘플 및 / 또는 빔 라인의 실험 단계에 사용 2.6.1-2.6.7를 조립한다.
    1. 불활성 분위기의 글로브 박스에 필요한 모든 구성 요소를 수집합니다.
    2. 원하는 크기로 리튬 또는 나트륨 호일을 잘라.
    3. 원하는 크기로 미세 구분을 잘라.
    4. 장치의 순서로 레이어 구성 요소 : 전극, 분리막, 전해액 및 리튬 또는 나 호일.
    5. 필요에 따라 스페이서와 웨이브 와셔를 추가합니다.
    6. 코인 셀 프레스를 사용하여 셀을 밀봉합니다.
    7. 현장 XRD 실험에서, 코인 셀의 양쪽에 탭을 부착하고 폴리 주머니에 장치를 밀봉하십시오.
  7. 단계를 2.7.1-2.7.6 사용하여, 초기 특성 또는 전 현장 작업을 위해 전기 화학적 실험을 수행합니다.
    1. 장치에 텐쇼 / galvanostat 또는 자전거 타는 사람에서 리드를 연결하고, 개방 회로 잠재력을 측정합니다.
    2. 원하는 전기 실험을 위해 프로그램을 작성하거나 아카이브 프로그램을 선택합니다.
    3. 실험을 실행하고 데이터를 수집합니다.
    4. 전 현장 실험을 위해, 단락시키지주의하면서, 글러브 박스에서 장치를 분해. 동전 세포를 들어, 코인 셀 디스어셈블러 도구 또는 테플론 테이프로 감싸 펜치 하나를 사용하십시오.
    5. 잔여 전해질 염을 제거하는 디메틸 카보네이트와 전극을 씻어. 그들이 건조하도록 허용합니다.
    6. XRD 실험 또는 스카치 테이프 XAS 및 글러브 박스에 저장 실험이 실시 될 때까지에 대한 캡톤 호일로 전 현장 연구를위한 덮개 전극.
  8. XAS 의해 연구를 위해 의도 된 분말은 입자 크기를 보장하기 위해 균질 체질되어야neity. 그런 다음 스카치 테이프의 여러 조각에 뿌려 수 있습니다. 일련의 샘플은 함께 분말 테이프 점차 더 많은 조각을 적층하여 제조 할 수있다. 사용자가 최적의 신호에 필요한 분말의 양에 대한 불확실 경우에 특히 유용하다.
    1. 사용자가 최적의 신호가 발생합니다 일에 대해 확신하는 경우 또는, XAS 측정을위한 분말은 BN로 희석 할 수있다.

3. 싱크로 시설에서의 실험의 성능

  1. 실험 시설로, 재료 및 장비의 계획 수송을 시작하기 며칠 전에.
    1. 알칼리 금속 양극을 포함하는 장치의 경우, 선박은 개인 또는 공용 차량 운송과 관련된 위험을 방지하기 위해 필요합니다.
    2. 휴대용 galvanostat / potentiostats 및 노트북 컴퓨터와 같은 전 현장 작업 전극으로 위험하지 않은 샘플 등의 장비 broug 수 있습니다임의의 편리한 방식으로 실험을 수행 개인이 시설에 HT.
  2. 체크인 및 시설에 등록 할 수 있습니다.
  3. 현장과 현지 외 XRD 실험 모두에 대해, 교정의 목적을 위해 실험실 (6)의 참조 패턴을.
    1. 지침은 빔라인의 과학자와 기술자에게 문의하십시오.
    2. 바로 빔 조건을 찾기 위해 빔을 보정합니다.
    3. 연구소 6 참조 패턴을 측정합니다.
  4. 현장 XRD 실험에서, 장치를 설정하고 실험 다음 단계를 3.4.1-3.4.6 시작하십시오.
    1. 알 압력 플레이트에 주머니를 삽입하고 구멍이 제대로 X-선 빔을 전송 할 수 있도록 정렬되어 있는지 확인합니다.
    2. 최적의 빔 위치와 노출 시간을 찾을 수 있습니다. 장기간 노출이 과포화로 이어질 수 있습니다. 샘플을 흔들거나 정지 할 것인지를 결정합니다.
    3. 전기 화학이 시작되기 전에 초기 패턴을 가져 가라.
    4. 진 galv에서 리드를 연결합니다장치에 anostat / 텐쇼.
    5. 전기 화학 실험을 시작합니다.
    6. 데이터를 가져옵니다. 실험이 진행되면, 데이터 수집은 자동으로, 사용자가 계획대로 확인 실험이 진행되었는지 확인하기 위해 감독하기 만하면됩니다.
  5. XAS 실험을 설정합니다.
    1. 체크인 및 지침 빔라인의 과학자와 기술자에게 문의하십시오.
    2. 샘플 및 (, 니켈 K 에지에 대한 예를 들어, 니켈 측정되는 금속에 따라) 호 참조 자료를 삽입합니다.
    3. 샘플을 맞 춥니 다.
    4. IFEFFIT의 헤파이스토스를 사용하여 특정 금속 가장자리의 에너지를 결정합니다. 조정 단색, 고차 고조파를 제거하는 약 30 %의 다음 디 튜닝. I 1을 조정하는 이득을 변경하고 I 2 측정 오프셋.
    5. 측정을 가져 가라. 두 개 이상의 스캔 촬영 및 그 요소에 통합되어야한다.
    6. 필요에 따라 반복, 추가 요소 3.5.5에 3.5.3 단계를 반복합니다.

4. 데이터분석

  1. XRD 작업, 실험실 6 이미지를 보정합니다.
    1. 구글 코드를 통해 사용할 수 있습니다 지역 회절 기계 (다운로드 http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ ).
    2. 연구소 6 회절 이미지를 열고 파일 헤더에서 초기 보정 값을 사용합니다.
    3. 기준 Q (= 2π / D) 실험실 6의 값을 엽니 다.
    4. Q 값과 보정 값의 초기 추측과 연구소 6 회절 이미지를 보정합니다.
    5. 이미지 피팅에 의해 정확한 보정 값을 구합니다.
    6. 교정 파일에 보정 값을 저장합니다.
  2. 실험의 데이터 이미지를 보정합니다.
    1. 실험에서 회절 이미지를 엽니 다.
    2. (단계 4.1.6에 저장) 실험실 6 기준에서 교정 파일을 엽니 다.
    3. 오픈 일전자 참조 Q (= 2π / D) 알루미늄 또는 구리 (전극 집 전체)의 값과 내부 참조로 사용합니다.
    4. 이미지 피팅에 의해 패턴 이미지를 보정합니다.
    5. 강도 데이터 (라인 스캔) 대 Q에 이미지를 통합 할 수 있습니다.
    6. 원하는 맞춤 프로그램을 사용하여 맞춤 패턴 (CelRef, Powdercell, RIQAS, GSAS, 등.).
  3. 어떤 편리한 플로팅 프로그램 (엑셀, 원산지, 칼레이다, 이고르, 등.)를 사용하여 전기 화학적 데이터를 처리합니다.
  4. XAS 데이터의 경우, 분석을위한 IFEFFIT 소프트웨어 패키지에 ARTEMIS / ATHENA를 사용합니다.
    1. 레퍼런스 금속의 흡수 스펙트럼의 유도체에서 첫 번째 피크를 사용하여 데이터를 보정.
    2. 스캔과 같은 병합합니다.
    3. 배경 빼기와 데이터를 표준화.
    4. EXAFS 데이터를 분리 AUTOBK 기능을 사용하십시오.
    5. 푸리에 EXAFS 데이터를 변환.
    6. structura를 추출하기 위해 R 또는 K 공간에서의 푸리에 변환 스펙트럼에 맞는 최소 제곱을 사용하여L 정보.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

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

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...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

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

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 ...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

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

저자가 공개하는 게 없다.

감사의 글

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

이 작품은 에너지 효율을위한 차관과 신 재생 에너지, 계약 번호 DE-AC02-05CH11231에서 미국 에너지 국의 자동차 기술 사무소에 의해 지원됩니다. 이 연구의 일부는 스탠포드 방사광있는 광원, SLAC 국립 가속기 연구소의 이사회와 스탠포드 대학에서 과학의 에너지 사무실의 미국학과에 대한 운영 과학의 사용자 시설의 사무실에서 수행되었다. SSRL 구조 분자 생물학 프로그램은 생물 환경 연구의 DOE 사무소에 의해 지원되고, 건강, 연구 자원에 대한 국가 센터, 바이오 메디컬 기술 프로그램 (P41RR001209)의 국립 연구소에 의해.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Equipment
Inert atmosphere gloveboxVacuum Atmosphere Customorder, Contact vendor조립 중에 사용되며 알칼리 금속 및 습기에 민감한 부품을 보관하는 데 사용됩니다. (http://vac-atm.com)
불활성 분위기 글로브 박스Mbraun다양한 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)PanalyticalX'Pert 분말X'Pert는 모듈식 시스템입니다. 특수 실험에 사용할 수 있는 많은 액세서리. (www.panalytical.com)
X선 분말 회절계(XRD)Bruker Bruker D2 PhaserBruker D2 Phaser는 소형으로 일상적인 분말 분석에 적합합니다. (www.bruker.com)
주사 전자 현미경(SEM)JSM7500F다양한 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 실러VWR11214-107in>작업용. (https://us.vwr.com)
수동 압착 도구Pred MaterialsHSHCC-2016, 2025, 2032, 2320코인 셀을 밀봉하는 데 사용됩니다. 동전형 셀 하드웨어에 맞게 크기를 조정합니다. (www.predmaterials.com)
코인 셀 분해 도구Pred Materials공급업체에 문의ex 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 나이프BYK Gardner4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329슬러리에서 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 어플리케이터프레드 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 어플리케이터BYK 가드너2101, 2105, 2121, 2122옵션. 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 어플리케이터Pred Materials공급 업체에 문의선택 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/GalvanostatBio-Logic Science InstrumentsVSPPortable 5채널 컴퓨터 제어 Potentiostat/Galvanostat는 in sitetu 실험을 위해 세포를 순환하는 데 사용됩니다. (http://www.bio-logic.info)
Potentiostat/GalvanostatGamry InstrumentsReference 3000in site 실험을 위해 세포를 순환하는 데 사용되는 휴대용 단일 채널 컴퓨터 제어 potentiostat/galvanostat. (www.gamry.com)
Area Diffraction Machine무료 다운로드2D 회절 데이터 분석에 사용됩니다. Mac 및 Windows 버전을 사용할 수 있습니다. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/
IFEFFITHephaestus, 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/
SIXPACKIFEFFIT을 기반으로 하는 XAS 분석 프로그램을 무료로 다운로드할 수 있습니다. Windows 및 Mac 버전. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html
CelRef그래픽단위 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 활물질다양한 사내에서 합성하거나 다양한 공급 업체에서 얻습니다.
합성 플레이크 흑연TimcalSFG-6전극용 전도성 첨가제. (www.timcal.com)
아세틸렌 블랙Denka DenkaBlack전극용 전도성 첨가제. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html)
1-메틸-2-피롤리디논(NMP)시그마-알드리치328634전극 슬러리를 만드는 데 사용됩니다. (www.sigmaaldrich.com)
Al 집전체Exopackz-flo 2650탄소 코팅 호일. 한쪽 면에 코팅되어 있습니다. (http://www.exopackadvancedcoatings.com)
Al 집전체Alfa-Aesar105580.025mm(0.001인치) 두께, 30cm x 30cm(12인치 x 12인치), 99.45%(금속 기준), 비코팅(http://www.alfa.com)
Cu 집전체Pred 재료전착 Cu 호일리튬 이온 배터리용 양극 재료와 함께 사용합니다. (www.predmaterials.com)
리튬 호일Rockwood 리튬접촉 공급 업체반쪽 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 호일Sigma-Aldrich320080양극. 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 잉곳282065그마-알드리치. 호일로 압출 할 수 있습니다. 반응성이 뛰어나고 공기에 민감합니다. 비활성 분위기의 글러브 박스에서 보관하고 취급하십시오. (www.sigmaaldrich.com)
전해질 솔루션BASFSelectilyte P-Series 공급업체에 문의원하는 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 알드리치517127ex situ< / em> 실험을 위해 전극을 세척하는 데 사용됩니다. (www.sigmaaldrich.com)
미세 다공성 분리기Celgard2400폴리 프로필렌 멤브레인 (http://www.celgard.com< / a >)
코인 셀 하드웨어 (케이스, 캡, 개스킷)Pred 재료CR2016, CR2025, CR2320, CR2032사용 가능한 압착 공구와 일치하는 크기, Al-clad 구성 요소도 사용 가능. (www.predmaterials.com)
웨이브 와셔Pred MaterialsSUS316L(www.predmaterials.com)
SpacersPred MaterialsSUS316L(www.predmaterials.com)
Ni 및 Al pretaped 탭Pred Materials공급업체에 문의크기는 변경될 수 있습니다. 맞춤 주문에 대해 문의하십시오. (www.predmaterials.com)
폴리에스테르 파우치VWR11214-301작업을 위한 전기화학 전지를 밀봉하는 데 사용됩니다in-situ . 강한 신호 간섭 때문에 튼튼한 파우치를 피하십시오. (https://us.vwr.com)
Kapton 필름McMaster-Carr7648A735ex situ 실험용 전극을 덮는 데 사용되며 0.0025 두께(www.mcmaster.com)
헬륨, 아르곤 및 4-10% 수소Air Products원하는 조성 및 순도 수준에대해 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

참고문헌

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

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청

허가 요청

태그

XX

관련 논문