Methodenartikel

Karakterisering van elektrode materialen voor lithium-ion en Natrium ion accu's met synchrotron straling Technieken

DOI:

10.3791/50594

⸱

11 november 2013

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

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

We beschrijven het gebruik van synchrotron X-straal absorptie spectroscopie (XAS) en röntgendiffractie (XRD) technieken om details van intercalatie / deintercalation processen elektrodematerialen voor Li-ion en Na-ion batterijen probe. Zowel in situ en ex situ experimenten worden gebruikt om structurele gedrag van de werking van inrichtingen relevante begrijpen

Samenvatting

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

Intercalatie verbindingen zoals overgangsmetaal oxiden of fosfaten zijn de meest gebruikte elektrodematerialen Li-ion en Na-ion batterijen. Tijdens inbrengen of verwijderen van alkalimetaalionen, de redox staten van overgangsmetalen in de verbindingen veranderen en structurele transformaties zoals faseovergangen en / of roosterparameter stijgingen of dalingen voordoen. Deze gedragingen bepalen op hun beurt belangrijke kenmerken van de batterijen, zoals de mogelijke profielen, tarief mogelijkheden en cyclus leven. De extreem lichte en instelbare x-stralen geproduceerd door synchrotron straling toestaan ​​snelle verwerving van hoge-resolutie gegevens die informatie over deze processen te verstrekken. Transformaties in de bulk materialen, zoals fase-overgangen, kan direct worden waargenomen met behulp van röntgendiffractie (XRD), terwijl de X-ray absorptie spectroscopie (XAS) geeft informatie over de lokale elektronische en geometrische structuren (bijvoorbeeld veranderingen in redox staten en obligatiemarkten lengths). In situ experimenten die met die cellen uitgevoerd zijn bijzonder nuttig omdat ze laten directe correlatie tussen de elektrochemische en structurele eigenschappen van de materialen. Deze experimenten zijn tijdrovend en kan een uitdaging te ontwerpen door de reactiviteit en air-gevoeligheid van de alkalimetaal anodes in de halfcel configuraties en / of de mogelijkheid van interferentie van signalen uit andere celbestanddelen en hardware. Om deze redenen is het wenselijk om ex situ experimenten (bijv. op elektroden geoogst van gedeeltelijk geladen of gefietst cellen) in sommige gevallen uit te voeren. Hier presenteren we gedetailleerde protocollen voor de bereiding van zowel ex situ als in situ monsters voor experimenten met synchrotronstraling en laten zien hoe deze experimenten worden uitgevoerd.

Inleiding

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

Lithium-ion batterijen voor consumentenelektronica momenteel commando een 11000000000 $ markt wereldwijd ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) en zijn de eerste keuze voor nieuwe voertuigen toepassingen zoals plug-in hybride elektrische voertuigen (PHEV's) en elektrische voertuigen (EV's). Analogen van deze hulpmiddelen waarin natriumionen dan lithium zijn in eerdere stadia van ontwikkeling, maar zijn aantrekkelijk voor grootschalige energieopslag (bijvoorbeeld netwerk toepassingen) gebaseerd op de kosten en argumenten leveringszekerheid 1, 2 beschouwd. Beide dubbele intercalatie werken volgens hetzelfde principe, alkalimetaalionen pendelen tussen twee elektroden die als gastheer structuren die insertie processen ondergaan verschillende potentialen. De elektrochemische cellen zelf rellatief eenvoudige, bestaande uit samengestelde positieve en negatieve elektroden op stroomcollectoren, gescheiden door een poreus membraan verzadigd met een elektrolytische oplossing gewoonlijk uit een zout opgelost in een mengsel van organische oplosmiddelen (figuur 1). Grafiet en LiCoO 2 zijn de meest gebruikte negatieve en positieve elektroden, respectievelijk voor lithium-ion batterijen. Verscheidene alternatieve elektrodematerialen zijn ook ontwikkeld voor specifieke toepassingen, waaronder varianten van LiMn 2 O 4 spinel, LiFePO 4 met olivijn structuur en NMC (lini x Mn x co 1-2x O 2 stoffen) positieven en harde koolstofatomen, Li 4 Ti 5 O 12, en legeringen van lithium met tin voor 3 negatieven. Hoogspanning materialen zoals Lini 0,5 Mn 1.5 O 4, nieuwe hoge capaciteit materialen zoals gelaagde-gelaagde composieten (bv XLI 2 MnO 3 · (1-x) LiMn 0,5 Ni 0,5 O 2), verbindingen met overgangsmetalen die meerdere veranderingen in redox toestanden kunnen ondergaan, en Li-Si legering anoden zijn onderwerpen van intensief onderzoek en, indien succesvol ingezet, moet verhogen praktische energiedichtheid van lithium-ion cellen verder. Een andere klasse van materialen, bekend als conversie elektroden, waarbij overgangsmetaal oxiden, sulfiden of fluoriden reversibel worden gereduceerd tot het metaalelement en een lithiumzout, worden ook overwogen voor gebruik als batterijelektroden (voornamelijk als vervanging voor anodes) 4. Voor apparaten op basis van natrium, zijn harde koolstoffen, legeringen, Nasicon structuren en titanaten onderzocht voor gebruik als anodes en diverse overgangsmetaaloxiden en polyanionische verbindingen als kathoden.

Omdat lithium-ion en natrium-ion batterijen niet gebaseerd zijn op vaste chemie, variëren hun prestatiekenmerken aanzienlijk afhankelijk van thij elektroden die worden gebruikt. De redox gedrag van de elektroden bepaalt de potentiaalprofielen, snelheid mogelijkheden en cyclus leven van de apparaten. Conventionele poeder röntgendiffractie (XRD) technieken kunnen worden gebruikt voor initiële structurele karakterisering van ongerepte materialen en ex situ metingen gefietst elektroden, maar praktische overwegingen zoals lage signaalsterkte en de relatief lange tijd die nodig is om gegevens te verzamelen beperken de hoeveelheid informatie dat kan worden verkregen over de kwijting en laad processen. In tegenstelling, de hoge helderheid en korte golflengtes van synchrotron straling (bv. λ = 0,97 Å aan de Stanford Synchrotron Radiation Lichtbron's beamline 11-3), gecombineerd met het gebruik van beeld van hoge throughput detectoren, vergunning overname van gegevens met hoge resolutie op monsters in zo weinig als 10 sec. In situ werk wordt uitgevoerd in de transmissie-modus op de mobiele componenten lading ondergaan en ontladen in hermetisch afgeslotenzakjes transparant voor X-stralen, zonder te stoppen om gegevens te verwerven. Hierdoor kan elektrodenstructuur veranderingen waargenomen als "momentopnamen" de celcyclus, en meer informatie te verkrijgen dan met conventionele technieken.

Röntgen absorptie spectroscopie (XAS), soms ook aangeduid als X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) geeft informatie over de lokale elektronische en geometrische structuur van materialen. In XAS experimenten, is de foton energie afgestemd op de karakteristieke absorptie randen van de specifieke elementen onderzocht. Vaakst voor batterij materialen, deze energieën komen overeen met de K-randen (1s orbitalen) van de overgangsmetalen van belang, maar zacht XAS experimenten afgestemd op O, F, C, B, N en de L 2,3 randen van de eerste rij overgangsmetalen worden soms ook op ex situ monsters 5 uitgevoerd. De spectra gegenereerd door XAS experimenten kunnen worden onderverdeeld in verschillende distInCT regio's, die verschillende informatie (zie Newville, M., Fundamentals of XAFS, http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf ). Het belangrijkste kenmerk, bestaande uit de absorptie rand en de uitbreiding van ongeveer 30-50 eV dan is de X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) regio en geeft de ionisatie drempel aan staten continuüm. Deze bevat informatie over de oxidatietoestand en coördinatie chemie van de absorber. De hogere energie gedeelte van het spectrum staat bekend als het Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) regio en komt overeen met de verstrooiing van de uitgeworpen fotoelectron uit naburige atomen. Fourier analyse van dit gebied geeft kort bereik structurele informatie zoals bindingslengten en de aantallen en soorten naburige ionen. Preedge voorzien onder de characteristic absorptie energieën van sommige verbindingen soms ook lijken. Deze komen voort uit dipool verboden elektronische overgangen gebonden toestanden van octaëdrische geometrieën of dipool toegestaan ​​orbitale hybridisatie effecten tetraëdrische die leeg en kunnen vaak worden gecorreleerd aan de locale symmetrie van de absorberende ionen (bijvoorbeeld of het tetraëdrisch gecoördineerde of octaëdrisch) 6.

XAS is een bijzonder nuttige techniek voor het bestuderen van gemengde metalen systemen, zoals NMC initiële redox staten bepalen en die overgangsmetaalionen ondergaan redox tijdens delithiation en lithiering processen. Gegevens over verschillende metalen kunnen snel worden verkregen in een enkel experiment en interpretatie is redelijk eenvoudig. Daarentegen Mössbauerspectroscopie beperkt tot slechts enkele metalen die in batterijmaterialen (primair, Fe en Sn). Terwijl magnetische metingen kunnen ook worden gebruikt om oxidatietoestanden te bepalen, kan magneetkoppeling effecten complicatieste interpretatie bijzonder voor complexe oxiden zoals NMC.

Goed geplande en uitgevoerde in situ en ex situ synchrotron XRD en XAS experimenten geven aanvullende informatie en staat een vollediger beeld te vormen van de structurele veranderingen die zich in de elektrode materialen tijdens batterijgebruik dan wat kan worden verkregen via conventionele technieken. Dit op zijn beurt, geeft een beter begrip van wat betreft het elektrochemische gedrag van de apparaten.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Planning van experimenten

  1. Identificeer beam lijn experimenten van belang. Raadpleeg beam lijn webpagina's als gidsen. Voor SSRL XAS en XRD, deze 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. Contact beam lijn wetenschapper en bespreken de details van experiment.
  2. Controleer deadlines en vereisten voor het indienen van voorstellen door te gaan naar de desbetreffende website.
  3. Schrijf bundeltijd voorstel in en verstuur.
  4. Nadat het voorstel is gescoord, schema bundeltijd.
  5. Volg de instructies van de mogelijkheid om voor te bereiden op bundeltijd. Beschouw de details van het experiment, trvoer van materialen (in het bijzonder van hulpmiddelen die alkalimetalen) en apparatuur, en twijfelt aan de veiligheid. Safety training is over het algemeen nodig is voor nieuwe gebruikers.

2. Voorbereiding van Materialen, Elektroden, en cellen

  1. Synthetiseren of het verkrijgen van actief materiaal van belang.
  2. Karakteriseren materiaal door middel van conventionele röntgen poeder diffractie, met behulp van stappen 2.2.1-2.2.9.
    1. Vermalen poeder en zeef om een ​​uniforme verdeling van de deeltjesgrootte te garanderen.
    2. Laad monster in de monsterhouder. Verwijder de achterplaat van de houder en plaats hem tegen een glasplaatje. Vul de holte met poeder, bevestig vervolgens backplate, flip en verwijder glijbaan. Dit zorgt ervoor dat het poeder zelfs bij het oppervlak van de houder en dat het oppervlak vlak is.
    3. Log in op logboek voor de diffractometer.
    4. Plaats monsterhouder in diffractometer en uitlijnen.
    5. Sluit de deuren van diffractometer.
    6. Met behulp van Data Collector programma op de computer aangesloten op Panalytical diffractometer, toename spanning en stroom op waarden die geschikt voor de meting. Selecteer spleten en balk maskers voor het experiment. Selecteer of een programma voor het scannen wijzigen.
    7. Start het programma en de naam datafile. Lock diffractometer deuren door met kenteken als daarom wordt gevraagd door het programma. Verzamelen van gegevens.
    8. Analyseer patroon met behulp van High Score programma. In het bijzonder, op zoek naar de aanwezigheid van onzuiverheden (extra reflecties) en of patroon overeenkomt met dat van referentiematerialen of berekende patronen.
    9. Verwijder monster uit diffractometer. Zet stroom en spanning, en sluit deuren beneden. Log uit, en merkt iets ongebruikelijks.
  3. Verkrijgen Rasterelektronenmicrografieën naar deeltje morfologie bepalen, waarbij stappen 2.3.1-2.3.10.
    1. Bereid monster door het aanbrengen van carbon tape om een ​​aluminium stub, en beregening sample poeder op kleverige kant. Test voor magnetisme door met een keuken magneet over het monster.
    2. Plaats monster in SEM kamer via airlock.
    3. Zodra vacuüm gevestigd, zet versnellingsspanning op.
    4. In de lage vergroting modus, om contrast en helderheid. Dit wordt het gemakkelijkst uitgevoerd met de ACB knop.
    5. Vind interessegebied handmatig scannen in de x-en y-richting.
    6. Schakel over naar SEM of zachte straal functies als hogere vergroting gewenst is. Selecteer de gewenste detector, en stel werkafstand op waarden die geschikt voor het experiment.
    7. Stel het contrast en de helderheid in met ACB knop.
    8. Focus afbeelding met stadium z controle.
    9. Lijn balk, corrigeren astigmatisme en focus met behulp van x-en y-knoppen.
    10. Maak foto's als u wenst, foto knop, en op te slaan in de juiste map op de computer.
    11. Wanneer u klaar bent, schakelt u het versnellen spanning. Verplaats monster positie te wisselen en te verwijderen uit de kamer via luchtsluis.
  4. Voer elementanalyse door ICP indien nodig en karakteriseren materialen met eventueel andere technieken zoals IRof Raman spectroscopie.
  5. Fabriceren elektroden, met behulp van stappen 2.5.1-2.5.8.
    1. Voeg een oplossing van 5-6% (gew.) polyvinylideenfluoride (PVDF) in N-methylpyrrolidinon (NMP).
    2. Molen samen actief materiaal en geleidende additief (acetyleen zwart, grafiet, enz.).
    3. Voeg NMP oplossing van stap 2.3.1 tot droge poeder uit stap 2.3.2 en meng. Verhoudingen variëren naargelang de aard van het actieve materiaal, maar een uiteindelijke droge samenstelling 80:10:10 (actief materiaal: PVDF: geleidend additief) is gebruikelijk.
    4. Met behulp van een rakel en (optioneel) een vacuüm tafel, gegoten elektrode drijfmest op een Al of Cu stroomafnemer. Koolstof beklede Al folie kan worden gebruikt voor Li-ion batterij kathode materialen en alle Na-ion elektrodematerialen en Cu-folie wordt gebruikt voor Li-ion anode materialen.
    5. Laat elektroden aan de lucht drogen.
    6. Droge elektroden verder met behulp van een IR-lamp, hete plaat, of vacuüm oven.
    7. Snijd of punch elektroden met de maat die u nodig. Weeg elektrodes.
    8. Transfer elektroden om een ​​inerte atmosfeer dashboardkastje. Een extra drogen stap met een stofzuiger verwarmd antichambre verbonden aan het dashboardkastje wordt aanbevolen om alle resterende vocht te verwijderen.
  6. Monteer elektrochemische apparaten (meestal munt cellen, maar ook andere configuraties kunnen worden gebruikt voor elektrochemische karakterisering) voor eerste karakterisering, ex situ monsters en / of balk lijn experiment, met behulp van stappen 2.6.1-2.6.7.
    1. Verzamel alle benodigde componenten in de inerte atmosfeer dashboardkastje.
    2. Knip lithium of natrium folie aan de gewenste grootte.
    3. Knip microporeuze separator op de gewenste grootte.
    4. Layer onderdelen in deze volgorde in het apparaat: elektrode, separator, elektrolytische oplossing, en Li Na of folie.
    5. Spacers en golf ringen als dit nodig is.
    6. Seal cel met behulp van een knoopcel pers.
    7. Voor in situ XRD-experimenten, hechten tabbladen om beide kanten van knoopcel en verzegelen apparaat in polyester hoes.
  7. Voer elektrochemische experiment voor eerste karakterisering of ex situ werk, met behulp stappen 2.7.1-2.7.6.
    1. Sluit de kabels van de potentiostaat / galvanostaat of fietser om het apparaat en meet open circuit potentieel.
    2. Schrijf programma voor de elektrochemische experiment gewenste of selecteer een gearchiveerd programma.
    3. Run experiment en data te verzamelen.
    4. Voor de ex situ experimenten, demonteer het apparaat in dashboardkastje, zorg ervoor dat u kortsluiting het. Voor knoopcellen, gebruikt u een knoopcel disassembler betaalbare tang omwikkeld met teflon tape.
    5. Spoel elektroden met dimethylcarbonaat om resterende elektrolyt zout te verwijderen. Laat ze drogen.
    6. Cover elektroden voor ex situ studie met Kapton folie voor XRD experimenten of plakband voor XAS en op te slaan in het dashboardkastje totdat het experiment wordt uitgevoerd.
  8. Poeders bedoeld voor studie door XAS moet worden gezeefd om de deeltjesgrootte homo zorgenheterogeniteit. Zij kunnen vervolgens worden gestrooid op verschillende stukken plakband. Een reeks monsters kunnen vervolgens worden bereid door het stapelen geleidelijk talrijker stukken van het verpoederde band samen. Dit is vooral handig als de gebruiker onzeker over de hoeveelheid poeder die nodig is voor de optimale signaal.
    1. Als alternatief kan poeders voor XAS metingen worden verdund met BN als de gebruiker is vol vertrouwen over wat zal resulteren in een optimale signaal.

3. Prestaties van experimenten bij de synchrotron

  1. Enkele dagen voor het experiment is om te beginnen, een plan transport van materialen en apparatuur om de faciliteit.
    1. Voor apparaten met alkalimetaal anodes, is de scheepvaart verplicht om gevaren in verband met vervoer in persoonlijke of openbare voertuigen te voorkomen.
    2. Apparatuur zoals draagbare galvanostaat / potentiostaten en laptop computers en ongevaarlijke monsters, zoals elektroden voor ex situ werk kan broug zijnht om de faciliteit door de individuele uitvoering van de experimenten op elke geschikte wijze.
  2. Controleren en te registreren bij de faciliteit.
  3. Zowel in situ en ex situ XRD-experimenten nemen een referentiepatroon van LaB 6 ten behoeve van de kalibratie.
    1. Contact beamline wetenschapper en personeel voor instructies.
    2. Kalibreren balk naar rechts balk voorwaarden te vinden.
    3. Meet referentie patroon van LaB 6.
  4. Voor in situ XRD experimenten opgezet apparaat en start experiment volgende stappen 3.4.1-3.4.6.
    1. Plaats zakje in Al drukplaten en zorgen dat gaten goed uitgelijnd om de röntgenbundel te zenden.
    2. Vind optimale straalpositie en belichtingstijd. Langdurige blootstelling kan leiden tot oververzadiging. Beslis of monster wordt gewiegd of stationair.
    3. Neem eerste patroon voordat elektrochemie wordt gestart.
    4. Bevestig leads uit verzanostat / potentiostaat naar apparaat.
    5. Start elektrochemie experiment.
    6. Verkrijgen van gegevens. Zodra experiment is aan de gang, het verzamelen van gegevens is automatisch, en de gebruiker hoeft alleen maar te overzien om er zeker van experiment gaat zoals gepland.
  5. Opgezet XAS experimenten.
    1. Check in en neem contact beamline wetenschapper en personeel voor instructies.
    2. Plaats monster en folie referentiemateriaal (afhankelijk van metaal dat wordt gemeten, bijvoorbeeld Ni voor Ni K rand).
    3. Lijn monster.
    4. Bepaal energie van specifieke metalen rand met behulp IFEFFIT's Hephaestus. Stem monochromator, dan de-tune ongeveer 30% hogere harmonischen te elimineren. Verander winsten aan te passen I 1 en I 2 maatregel offsets.
    5. Neem meting. Twee of meer scans moeten worden genomen en samengevoegd voor het element van belang.
    6. Herhaal de stappen 3.5.3 tot 3.5.5 voor de aanvullende elementen, zoals nodig.

4. GegevensAnalyse

  1. Voor XRD werk, kalibreren beeld LaB 6.
    1. Download Area Diffractie Machine, dat beschikbaar is via de Google-code ( http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ ).
    2. Open de afbeelding voor LaB 6 diffractie en gebruik initiële kalibratie waarden uit het bestand header.
    3. Open de referentie-Q (= 2π / d) waarden van LaB 6.
    4. Kalibreer de LaB 6 diffractie afbeelding met de Q-waarden en de eerste schatting van de kalibratie waarden.
    5. Verkrijgen juiste kalibratie waarden afbeelding fitting.
    6. Sla de kalibratie waarden in de kalibratie-bestand.
  2. Kalibreren van de gegevens beelden van het experiment.
    1. Open de diffractie beelden van het experiment.
    2. Open het bestand kalibratie van het lab 6 referentie (opgeslagen in stap 4.1.6).
    3. Open the referentie Q (= 2π / d) waarden van Al of Cu (huidige collectoren voor de elektroden) en ze gebruiken als interne verwijzingen.
    4. Kalibreer het patroon beelden door image fitting.
    5. Integreer de afbeelding om Q vs lichtsterkte afhankelijk (lijn scans).
    6. Fit patronen met behulp van de gewenste fitting programma (CelRef, Powdercell, RIQAS, GSAS, enz.).
  3. Verwerken elektrochemische gegevens met behulp van een handige plotten programma (Excel, Origin, KaleidaGraph, Igor, enz.).
  4. Voor XAS gegevens, gebruiken ARTEMIS / ATHENA in de IFEFFIT softwarepakket voor analyse.
    1. Kalibreer gegevens met de eerste piek in de afgeleide van de absorptiespectra van de referentie metalen.
    2. Samenvoegen zoals scans.
    3. Aftrekken achtergrond en normaliseren van gegevens.
    4. Gebruik de AUTOBK functie om de EXAFS data isoleren.
    5. Fouriertransformatie de EXAFS data.
    6. Gebruik een kleinste kwadraten fit aan de Fourier getransformeerde spectra in R of k ruimte om structura extraherenl informatie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Figuur 2 toont een typische sequentie die voor een in situ experiment. Na synthese en karakterisering van actief materiaal poeders, composietelektroden worden bereid uit suspensies die de werkzame stof, een bindmiddel zoals polyvinylideenfluoride (PVDF) en geleidende additieven zoals roet of grafiet gesuspendeerd in N-methylpyrrolidinon (NMP), uitgegoten op hetzij aluminium of koper folie stroomafnemers. Aluminium wordt gebruikt voor de lithium-ion batterij kathodes en alle natrium-ion batterij...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Analyse van XANES gegevens blijkt dat als model Lini x Co 1-2x Mn x O 2 (0,01 ≤ x ≤ 1) verbindingen bevat Ni 2 +, Co 3 + en Mn 4 +. 10 Een recent in situ XAS studie over lini 0.4 Co 0,15 Al 0,05 Mn 0,4 O 2 bleek dat Ni 2 + werd geoxideerd tot Ni 3 + en, uiteindelijk, Ni 4 + tijdens delithiation, maar dat redox processen waarbij Co 3 + bij...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

Auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk wordt ondersteund door de adjunct-secretaris voor energie-efficiëntie en hernieuwbare energie, Bureau van Vehicle Technologies van het Amerikaanse ministerie van Energie onder contract nummer DE-AC02-05CH11231. Delen van dit onderzoek werden uitgevoerd aan de Stanford Synchrotron Radiation Lichtbron, een directoraat van SLAC National Accelerator Laboratory en een Office of Science gebruikersfaciliteit bediend voor het Amerikaanse ministerie van Energie Office of Science van de Universiteit van Stanford. De SSRL Structurele Moleculaire Biologie Programma wordt ondersteund door de DOE Office van biologische en milieu-onderzoek, en door de National Institutes of Health, National Center for Research Resources, Biomedische Technologie Programma (P41RR001209).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Equipment
Inert atmosphere gloveboxVacuum AtmospheresCustom order, contact vendorsUsed during cell assembly and to store alkali metals and moisture sensitive components. (http://vac-atm.com)
Inert atmosphere gloveboxMbraunVarious sizes (single, double) available, many options such as mini or heated antechambers oxygen/water removal systems, shelving, electrical feedthroughs, etc. (http://www.mbraunusa.com)
X-ray powder diffractometer (XRD)PanalyticalX'Pert PowderX'Pert is a modular system. Many accessories available for specialized experiments. (www.panalytical.com)
X-ray powder diffractometer (XRD)BrukerBruker D2 PhaserBruker D2 Phaser is compact and good for routine powder analyses. (www.bruker.com)
Scanning Electron Microscope (SEM)JSM7500FHigh resolution field emission scanning electron microscope with numerous customizable options. JEOL (http://www.jeolusa.com) Low cost tabletop versions also available. Contact vendor for options.
Pouch SealerVWR11214-107Used to seal pouches for in situ work. (https://us.vwr.com)
Manual crimping toolPred MaterialsHSHCC-2016, 2025, 2032, 2320Used to seal coin cells. Match size to coin cell hardware. (www.predmaterials.com)
Coin cell disassembling toolPred MaterialsContact vendorUsed to take apart coin cells to recover electrodes for ex situ work. Needlenose pliers can also be used. Cover ends with Teflon tape to avoid shorting cells. (www.predmaterials.com)
Film casting knivesBYK Gardner4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329Used to cast electrodes films from slurries. Different sizes available, with either metric or English gradations. Bar film or Baker-type applicators and doctor blades are less versatile but lower cost options. Can be used by hand or with automatic film applicators. (https://www.byk.com)
Doctor blades, Baker applicatorsPred MaterialsBaker type applicator and doctor blade. Film casting knives also available.Used to cast electrodes films from slurries. Different sizes available, with either metric or English gradations. Bar film or Baker-type applicators and doctor blades are less versatile but lower cost options. Can be used by hand or with automatic film applicators. (www.predmaterials.com)
Automatic film applicatorBYK Gardner2101, 2105, 2121, 2122Optional. Used with bar applicators, doctor blades, or film casting knives for automatic electrode film production. Films can also be made by hand but are less uniform. (https://www.byk.com)
Automatic film applicatorPred MaterialsContact vendorOptional. Used with bar applicators, doctor blades, or film casting knives for automatic electrode film production. Films can also be made by hand but are less uniform. (www.predmaterials.com)
Potentiostat/GalvanostatBio-Logic Science InstrumentsVSPPortable 5 channel computer-controlled potentiostat/galvanostat used to cycle cells for in situ experiments. (http://www.bio-logic.info)
Potentiostat/GalvanostatGamry InstrumentsReference 3000Portable single channel computer-controlled potentiostat/galvanostat used to cycle cells for in situ experiments. (www.gamry.com)
The Area Diffraction MachineFree downloadUsed for analysis of 2D diffraction data. Mac and Windows versions available. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/
IFEFFITFree downloadSuite of interactive programs for XAS analysis, including Hephaestus, Athena, and Artemis. Available for Mac, Windows, and UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/
SIXPACKFree downloadXAS analysis program that builds on IFEFFIT. Windows and Mac versions. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html
CelRefFree downloadGraphical unit cell refinement. Windows only. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm and http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/
Reagent/Material
Electrode active materialsvariousSynthesized in-house or obtained from various suppliers.
Synthetic flake graphiteTimcalSFG-6Conductive additive for electrodes. (www.timcal.com)
Acetylene blackDenkaDenka BlackConductive additive for electrodes. (http://www.den

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

R ntgen diffractieR ntgenabsorptiespectroscopieIn situ experimentenEx situ monstersKarakterisering van elektrodematerialenAssemblage van knoopcelbatterijenAnalyse van fasetransitieMonitoring van redoxstatusBatterijprestatie testen

Gerelateerde artikelen