Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania urządzeń
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Związki interkalacyjne, takie jak tlenki metali przejściowych lub fosforany, są najczęściej używanymi materiałami elektrodowymi w akumulatorach litowo-jonowych i na-jonowych. Podczas wprowadzania lub usuwania jonów metali alkalicznych zmieniają się stany redoks metali przejściowych w związkach i zachodzą przemiany strukturalne, takie jak przemiany fazowe i/lub wzrost lub spadek parametrów sieci. Te zachowania z kolei determinują ważne cechy akumulatorów, takie jak profile potencjału, możliwości szybkości i cykl życia. Niezwykle jasne i przestrajalne promieniowanie rentgenowskie wytwarzane przez promieniowanie synchrotronowe pozwala na szybkie pozyskiwanie danych o wysokiej rozdzielczości, które dostarczają informacji o tych procesach. Przemiany w materiałach sypkich, takie jak przemiany fazowe, można bezpośrednio obserwować za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), podczas gdy spektroskopia absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS) dostarcza informacji o lokalnych strukturach elektronicznych i geometrycznych (np. zmianach stanów redoks i długościach wiązań). Eksperymenty in situ przeprowadzone na ogniwach operacyjnych są szczególnie przydatne, ponieważ umożliwiają bezpośrednią korelację między właściwościami elektrochemicznymi i strukturalnymi materiałów. Eksperymenty te są czasochłonne i mogą być trudne do zaprojektowania ze względu na reaktywność i wrażliwość na powietrze anod z metali alkalicznych stosowanych w konfiguracjach półogniw i/lub możliwość zakłóceń sygnału z innych komponentów ogniw i sprzętu. Z tych powodów w niektórych przypadkach właściwe jest przeprowadzenie doświadczeń ex situ (np. na elektrodach pobranych z częściowo naładowanych lub cyklicznie naładowanych ogniw). W tym miejscu przedstawiamy szczegółowe protokoły przygotowania próbek zarówno ex situ, jak i in situ do eksperymentów z udziałem promieniowania synchrotronowego oraz pokazujemy, jak te eksperymenty są wykonywane.
Wprowadzenie
Baterie litowo-jonowe do elektroniki użytkowej mają obecnie na całym świecie rynek o wartości 11 miliardów dolarów (http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/) i są najlepszym wyborem dla nowych zastosowań samochodowych, takich jak hybrydowe pojazdy elektryczne typu plug-in (PHEV) i pojazdy elektryczne (EV). Analogie do tych urządzeń wykorzystujących jony sodu, a nie litu, są na wcześniejszych etapach rozwoju, ale są uważane za atrakcyjne dla magazynowania energii na dużą skalę (
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Planowanie eksperymentów
- Zidentyfikuj interesujące eksperymenty z liniami wiązki. Zapoznaj się ze stronami internetowymi linii belki jako przewodnikami. Dla SSRL XAS i XRD są to: http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-1/ i http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-3/ i http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl11-3/
- Skontaktuj się z naukowcem zajmującym się linią wiązki i omów szczeg....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Rycina 2 przedstawia typową sekwencję stosowaną w eksperymencie in situ. Po syntezie i charakterystyce proszków materiału aktywnego, z zawiesin zawierających materiał aktywny, spoiwo takie jak polifluorowodorek winylidenu (PVDF) i dodatki przewodzące, takie jak sadza węglowa lub grafit w N-metylopirolidonie (NMP), przygotowywane są elektrody kompozytowe, które nanosi się na prądozbieracze z folii aluminiowej lub miedzianej. Aluminium jest stosowane dla katod baterii litowo-jonowych oraz wszystki.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Analiza danych XANES wskazuje, że wykonane w stanie spoczynku związki LiNixCo1-2xMnxO2 (0,01≤x≤1) zawierają Ni2+, Co3+ i Mn4+. 10 Niedawne badanie XAS in situ dotyczące LiNi0,4Co0,15Al0,05Mn0,4O2 wykazało, że Ni2+ został utleniony do Ni3+ i ostatecznie do Ni4+ podczas delicytacji, ale że procesy redoks z udziałem Co3+ przyczynił.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ta praca jest wspierana przez Asystenta Sekretarza ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej, Biuro Technologii Pojazdów Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie Umowy Nr. DE-AC02-05CH11231. Część tych badań została przeprowadzona w Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, Dyrekcji SLAC National Accelerator Laboratory oraz w Office of Science User Facility prowadzonym dla Biura Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych przez Uniwersytet Stanforda. Program Strukturalnej Biologii Molekularnej SSRL jest wspierany przez Biuro Badań Biologicznych i Środowiskowych DOE oraz przez National Institutes of Health, National Center for Research Re....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Equipment | |||
| Inert atmosphere glovebox | Atmosfery | próżniowe Zamówienie niestandardowe, skontaktuj się z dostawcami | Używany podczas montażu ogniw oraz do przechowywania metali alkalicznych i elementów wrażliwych na wilgoć. (http://vac-atm.com) |
| Komora rękawicowa z obojętną atmosferą | Mbraun | Dostępne różne rozmiary (pojedyncze, podwójne), wiele opcji, takich jak mini lub podgrzewane przedsionki, systemy usuwania tlenu/wody, półki, przepusty elektryczne, etc. (http://www.mbraunusa.com) | |
| Rentgenowski dyfraktometr proszkowy (XRD) | Panalytical | X'Pert Powder | X'Pert to system modułowy. Dostępnych jest wiele akcesoriów do specjalistycznych eksperymentów. (www.panalytical.com) |
| Rentgenowski dyfraktometr proszkowy (XRD) | Bruker | Bruker D2 Phaser | Bruker D2 Phaser jest kompaktowy i nadaje się do rutynowych analiz proszków. (www.bruker.com) |
| Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) | JSM7500F | skaningowy mikroskop elektronowy o wysokiej rozdzielczości z emisją pola z wieloma konfigurowalnymi opcjami. JEOL (http://www.jeolusa.com) Dostępne są również tanie wersje stołowe. Skontaktuj się z dostawcą, aby uzyskać informacje o opcjach. | |
| Zgrzewarka do torebek | VWR | 11214-107 | Służy do zgrzewania torebek do in situ work. (https://us.vwr.com) |
| Ręczne narzędzie do zaciskania | Pred Materials | HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320 | Służy do uszczelniania ogniw monetowych. Dopasuj rozmiar do osprzętu baterii pastylkowej. (www.predmaterials.com) |
| Narzędzie do demontażu ogniw pastylkowych | Materiały pred | Skontaktuj się z dostawcą | Służy do rozbierania ogniw pastylkowych w celu odzyskania elektrod do pracy ex situ. Można również użyć szczypiec do igieł. Zakryj końce taśmą teflonową, aby uniknąć zwarcia ogniw. (www.predmaterials.com) |
| Noże do odlewania folii | BYK Gardner | 4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329 | Służy do odlewania folii elektrod z zawiesin. Dostępne są różne rozmiary, z gradacją metryczną lub angielską. Folia w kostkach lub aplikatory typu Baker i rakle są mniej wszechstronnymi, ale tańszymi opcjami. Może być używany ręcznie lub za pomocą automatycznych aplikatorów folii. (https://www.byk.com) |
| Rakle, aplikatory Baker | Pred Materials | aplikator typu Baker i rakla. Dostępne są również noże do odlewania folii. | Służy do odlewania folii elektrod z zawiesin. Dostępne są różne rozmiary, z gradacją metryczną lub angielską. Folia w kostkach lub aplikatory typu Baker i rakle są mniej wszechstronnymi, ale tańszymi opcjami. Może być używany ręcznie lub za pomocą automatycznych aplikatorów folii. (www.predmaterials.com) |
| Automatyczny aplikator folii | BYK Gardner | 2101, 2105, 2121, 2122 | Opcjonalnie. Używany z aplikatorami prętowymi, raklami lub nożami do odlewania folii do automatycznej produkcji folii elektrodowych. Folie mogą być również wykonywane ręcznie, ale są mniej jednolite. (https://www.byk.com) |
| Automatyczny aplikator folii | Pred Materials | Skontaktuj się z dostawcą | Opcjonalnie. Używany z aplikatorami prętowymi, raklami lub nożami do odlewania folii do automatycznej produkcji folii elektrodowych. Folie mogą być również wykonywane ręcznie, ale są mniej jednolite. (www.predmaterials.com) |
| Potentiostat/Galvanostat | Bio-Logic Science Instruments | VSP | Przenośny 5-kanałowy potencjostat/galwanostat sterowany komputerowo używany do cyklicznego cyklu komórek do eksperymentów in situ. (http://www.bio-logic.info) |
| Potentiostat/Galvanostat | Gamry Instruments | Reference 3000 | Przenośny, jednokanałowy, sterowany komputerowo potencjostat/galwanostat używany do cyklicznego przełączania komórek do eksperymentów in situ. (www.gamry.com) |
| dyfrakcji obszarowej | Do pobrania za darmo | Służy do analizy danych dyfrakcyjnych 2D. Dostępne wersje dla komputerów Mac i Windows. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ | |
| IFEFFIT | Bezpłatny pakiet | interaktywnych programów do analizy XAS, w tym Hefajstos, Atena i Artemida. Dostępne dla komputerów Mac, Windows i UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/ | |
| SIXPACK | Darmowy | program do analizy XAS, który bazuje na IFEFFIT. Wersje dla systemów Windows i Mac. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html | |
| CelRef | Darmowe pobieranie | Graficzne udoskonalenie komórki jednostkowej. Tylko dla systemu Windows. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm oraz http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/ | |
| odczynnik/Materiał | |||
| Materiały aktywne elektrody | różne | Syntetyzowane we własnym zakresie lub uzyskane od różnych dostawców. | |
| Syntetyczny grafit płatkowy | Timcal | SFG-6 | Dodatek przewodzący do elektrod. (www.timcal.com) |
| Acetylen | Denka | Denka Black | Dodatek przewodzący do elektrod. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html) |
| 1-metylo-2-pirolidynon (NMP) | Sigma-Aldrich | 328634 | Służy do wytwarzania zawiesin elektrod. (www.sigmaaldrich.com) |
| Al odbieraki prądu | Exopack | z-flo 2650 | Folie powlekane węglem. Powlekane z jednej strony. (http://www.exopackadvancedcoatings.com) |
| Odbieraki prądu Al | Alfa-Aesar | 10558 | grubości 0,025 mm (0,001 cala), grubości 30 cm x 30 cm (12 cali x 12 cali), 99,45% (na bazie metali), niepowlekane (http://www.alfa.com) |
| Odbieraki prądu | Cu Pred Materials | Folia Cu | osadzana elektrolitycznieDo stosowania z materiałami anodowymi do akumulatorów litowo-jonowych. (www.predmaterials.com) |
| Folia litowa | Rockwood | Lithium Skontaktuj się ze sprzedawcą | Anoda do półogniw. Dostępne w różnych grubościach i szerokościach. Reaktywny i wrażliwy na powietrze. Przechowywać i obchodzić w komorze rękawicowej w atmosferze obojętnej pod wpływem He lub Ar (reaguje z N2). (www.rockwoodlithium.com) |
| Folia litowa | Sigma-Aldrich | 320080 | Anoda do półogniw. Dostępne w różnych grubościach i szerokościach. Reaktywny i wrażliwy na powietrze. Przechowywać i obchodzić w komorze rękawicowej w atmosferze obojętnej pod wpływem He lub Ar (reaguje z N2). (www.sigmaaldrich.com) |
| Sztabka sodowa | Sigma-Aldrich | 282065 | Anody do półogniw. Może być wytłaczany na folie. Reaktywny i wrażliwy na powietrze. Przechowywać i obchodzić się w schowku podręcznym w atmosferze obojętnej tylko pod On. (www.sigmaaldrich.com) |
| Roztwory elektrolitów | BASF | Selectilyte P-Series Skontaktuj się z dostawcą | Skontaktuj się z dostawcą, aby uzyskać pożądane formuły. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes) |
| Węglan dimetylu (DMC) | Sigma-Aldrich | 517127 | Służy do mycia elektrod do eksperymentów ex situ. (www.sigmaaldrich.com) |
| Separatory mikroporowate | Celgard | 2400 | Membrany polipropylenowe (http://www.celgard.com) |
| Osprzęt do ogniw pastylkowych (obudowa, nasadka, uszczelka) | Materiały pred | CR2016, CR2025, CR2320, CR2032 | Dopasuj rozmiar do dostępnego narzędzia do zaciskania, dostępne są również elementy pokryte aluminium. (www.predmaterials.com) |
| Podkładki falowe | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Przekładki | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Zakładki Ni i Al wstępnie oklejone Materiały | Pred Skontaktuj | się z dostawcą | Rozmiary mogą ulec zmianie. Zapytaj o niestandardowe zamówienia. (www.predmaterials.com) |
| Woreczki poliestrowe | VWR | 11214-301 | Służą do uszczelniania ogniw elektrochemicznych do in situ work. Unikaj ciężkich woreczków ze względu na silne zakłócenia sygnału. (https://us.vwr.com) |
| Folia kaptonowa | McMaster-Carr | 7648A735 | Służy do pokrywania elektrod do eksperymentów ex situ, 0,0025 cala grubości (www.mcmaster.com) |
| Hel, argon i 4-10% wodoru w helu lub argonie | Air Products | skontaktuj się z dostawcą, aby uzyskać pożądane składy i poziomy | czystościHel lub argon używany do napełniania komory rękawicowej, w której odbywa się montaż ogniw i przechowywane są metale alkaliczne. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx) |
| Nie używaj azotu, ponieważ reaguje on z litem. Jeśli sód jest przechowywany, należy używać tylko helu. Wymagany poziom czystości zależy od tego, czy schowek podręczny jest wyposażony w system usuwania wody i tlenu. Mieszaniny wodoru potrzebne do regeneracji układu usuwania wody/tlenu, jeśli występują lub innego odpowiedniego dostawcy gazu |
Bibliografia
- 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).
- Palomares, V., Serras, P., Villaluenga, I., Huesa, K. B., Cerretero-Gonzalez, J., Rojo, T.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
