Descreve-se o uso de síncrotron de raios-X espectroscopia de absorção (XAS) e difração de raios X (XRD) técnicas para investigar detalhes dos processos de intercalação / deintercalation em materiais de eletrodos para baterias Li-ion e Na-íon. In situ e ex situ experiências são utilizados para compreender o comportamento estrutural relevante para o funcionamento de dispositivos
É necessária uma assinatura do JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou inicie seu teste gratuito.
Artigo de método
Caracterização de Materiais de Eletrodo de íons de lítio e íon sódio Baterias Utilizando Técnicas Synchrotron Radiation
Neste artigo
Resumo
Resumo
Compostos de intercalação, como óxidos ou fosfatos de metais de transição são os materiais de eletrodo mais comumente usados em Li-ion e baterias Na-íon. Durante a inserção ou remoção de íons de metais alcalinos, os estados redox de metais de transição em compostos mudança e transformações estruturais, tais como transições de fase e / ou aumentos de parâmetro de rede ou diminuições ocorrem. Esses comportamentos, por sua vez determinar as características importantes das baterias, como as potenciais perfis, capacidades de taxa, e as vidas de ciclo. Os raios-X extremamente brilhantes e ajustáveis produzidos pela radiação síncrotron permitir a aquisição rápida de dados de alta resolução que fornecem informações sobre estes processos. Transformações nos materiais a granel, como transições de fase, pode ser observado diretamente por difração de raios-X (XRD), enquanto raios-X espectroscopia de absorção (XAS) dá informações sobre as estruturas eletrônicas e geométricas locais (por exemplo, mudanças nos estados redox e vínculo lengths). Em experiências realizadas in situ nas células que operam são particularmente úteis porque permitem uma correlação directa entre as propriedades electroquímicas e estruturais dos materiais. Estas experiências são consumidoras de tempo e pode ser um desafio para a concepção, devido à reactividade e ar-sensibilidade dos ânodos de metal alcalino utilizados nas configurações de meia-célula, e / ou a possibilidade de interferência de sinal a partir de outros componentes de hardware e de células. Por estas razões, é oportuno realizar experimentos ex situ (por exemplo, sobre eletrodos colhidas a partir de células parcialmente carregadas ou ciclada) em alguns casos. Aqui, apresentamos protocolos detalhados para a preparação de ambas ex situ e in situ em amostras de experimentos envolvendo radiação síncrotron e demonstrar como essas experiências são feitas.
Introdução
As baterias de íon de lítio para a eletrônica de consumo atualmente comandar um 11.000 milhões dólares no mercado mundial ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) e são a primeira escolha para aplicações veiculares emergentes como o plug-in de veículos híbridos elétricos (PHEVs) e veículos elétricos (EVs). Análogos a esses dispositivos que utilizam os íons de sódio em vez de lítio estão em estágios iniciais de desenvolvimento, mas são consideradas atraentes para o armazenamen....
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Protocolo
1. Planejamento de Experimentos
- Identificar experiências linha feixe de interesse. Consulte a linha de feixe de webpages como guias. Para SSRL XAS e DRX, estes 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/
- Contacte a linha de feixe de cientista e discutir detalhes do experimento.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Resultados
A Figura 2 mostra uma sequência típica usada para uma experiência in situ. Após a síntese e caracterização de pós de materiais activos, os eléctrodos compósitos são preparados a partir de suspensões contendo o material activo, um aglutinante, tal como o fluoreto de polivinilideno (PVDF) e aditivos condutores, como negro de carbono ou grafite suspensos em N-metilpirrolidinona (NMP), ou moldada coletores de corrente de alumínio ou de cobre da folha. O alumínio é utilizado para catodos de baterias.......
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Discussão
A análise dos dados indica que como XANES-made Lini x 1 Co-2x Mn x O 2 (0,01 ≤ x ≤ 1) compostos contém Ni 2 +, Co 3 + e Mn 4 +. 10 Um recente estudo in situ XAS em Lini 0.4 Co 0,15 Al 0,05 Mn 0,4 O 2 mostraram que Ni 2 + foi oxidado para Ni 3 + e, em última instância, Ni 4 + durante delithiation, mas que os processos redox envolvendo Co 3 + contribu.......
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Divulgações
Autores têm nada a revelar.
Agradecimentos
Este trabalho é apoiado pelo Secretário Assistente para a Eficiência Energética e Energias Renováveis, Escritório de Veículo Tecnologias do Departamento de Energia dos EUA sob Contrato n º DE-AC02-05CH11231. Partes deste trabalho foram realizadas no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, uma Direcção de SLAC National Accelerator Laboratory e um Escritório de Ciência Facility Usuário operado pelo Departamento de Energia Escritório de Ciência dos EUA pela Universidade de Stanford. O Programa de Biologia Molecular Estrutural SSRL é apoiado pelo Escritório DOE de pesquisa biológica e ambiental, e pelos Institutos Nacionais de Saúde, Centro Nacional de Pesquisa de Re....
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| EquipamentoPorta-luvas | |||
| atmosfera inerte | Atmosferas a vácuo | Pedido personalizado, entre em contato com fornecedores | Usado durante a montagem da célula e para armazenar metais alcalinos e componentes sensíveis à umidade. (http://vac-atm.com) |
| Porta-luvas de atmosfera inerte | Mbraun | Vários tamanhos (simples, duplos) disponíveis, muitas opções, tais como mini ou antecâmaras aquecidas, sistemas de remoção de oxigénio/água, prateleiras, passagens eléctricas, etc. (http://www.mbraunusa.com) | |
| Difratômetro de raios X em pó (XRD) | Panalytical | X'Pert Powder | X'Pert é um sistema modular. Muitos acessórios disponíveis para experimentos especializados. (www.panalytical.com) |
| Difratômetro de raios X em pó (XRD) | Bruker | Bruker D2 Phaser | Bruker D2 Phaser é compacto e bom para análises de pó de rotina. (www.bruker.com) |
| Microscópio Eletrônico de Varredura (SEM) | JSM7500F | Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo de alta resolução com inúmeras opções personalizáveis. JEOL (http://www.jeolusa.com) Versões de mesa de baixo custo também disponíveis. Entre em contato com o fornecedor para obter opções. | |
| Seladora de bolsas | VWR | 11214-107 | Utilizada para selar bolsas para in situ work. (https://us.vwr.com) |
| Ferramenta de crimpagem manual | Pred Materials | HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320 | Usado para selar células de moedas. Combine o tamanho com o hardware da célula tipo moeda. (www.predmaterials.com) |
| Ferramenta de desmontagem de células tipo moeda | Pred Materials | Contactar o fornecedor | Usado para desmontar células tipo moeda para recuperar eléctrodos para ex situ trabalho. Alicate de ponta fina também pode ser usado. Cubra as extremidades com fita de Teflon para evitar curto-circuito nas células. (www.predmaterials.com) |
| Facas de fundição de filme | BYK Gardner | 4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329 | Usado para fundir filmes de eletrodos de pastas. Diferentes tamanhos disponíveis, com gradações métricas ou inglesas. Filme de barra ou aplicadores do tipo Baker e lâminas raspadoras são opções menos versáteis, mas de menor custo. Pode ser usado manualmente ou com aplicadores automáticos de filme. (https://www.byk.com) |
| Lâminas raspadoras, aplicadores Baker | Materiais Pred | Aplicador tipo padeiro e lâmina raspadora. Facas de fundição de filme também estão disponíveis. | Usado para moldar filmes de eletrodos de pastas. Diferentes tamanhos disponíveis, com gradações métricas ou inglesas. Filme de barra ou aplicadores do tipo Baker e lâminas raspadoras são opções menos versáteis, mas de menor custo. Pode ser usado manualmente ou com aplicadores automáticos de filme. (www.predmaterials.com) |
| Aplicador automático de filme | BYK Gardner | 2101, 2105, 2121, 2122 | Opcional. Usado com aplicadores de barra, lâminas raspadoras ou facas de fundição de filme para produção automática de filme de eletrodo. Os filmes também podem ser feitos à mão, mas são menos uniformes. (https://www.byk.com) |
| Aplicador automático de filme | Pred Materiais | Entre em contato com o fornecedor | Opcional. Usado com aplicadores de barra, lâminas raspadoras ou facas de fundição de filme para produção automática de filme de eletrodo. Os filmes também podem ser feitos à mão, mas são menos uniformes. (www.predmaterials.com) |
| Potenciostato/Galvanostato | Instrumentos Científicos Biológicos | VSP | Potenciostato/galvanostato portátil controlado por computador de 5 canais usado para fazer o ciclo de células para experimentos in situ. (http://www.bio-logic.info) |
| Potenciostato/Galvanostato | Gamry Instruments | Referência 3000 | Potenciostato/galvanostato portátil de canal único controlado por computador usado para fazer o ciclo de células para experimentos in situ. (www.gamry.com) |
| A máquina | download gratuito | Usado para análise de dados de difração 2D. Versões para Mac e Windows disponíveis. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ | |
| IFEFFIT | Download grátis | Conjunto de programas interativos para análise XAS, incluindo Hefesto, Atena e Ártemis. Disponível para Mac, Windows e UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/ | |
| SIXPACK | Download gratuito do | programa de análise XAS que se baseia no IFEFFIT. Versões para Windows e Mac. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html | |
| CelRef | Download grátis | Refinamento gráfico de células unitárias. Somente Windows. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm e http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/ | |
| Reagente/Material | |||
| Materiais ativos de eletrodo | vários | sintetizados internamente ou obtidos de vários fornecedores. | |
| Grafite sintética em flocos | Timcal | SFG-6 | Aditivo condutor para eletrodos. (www.timcal.com) |
| Acetileno preto | Denka | Denka Preto | Aditivo condutor para eletrodos. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html) |
| 1-metil-2-pirrolidinona (NMP) | Sigma-Aldrich | 328634 | Usado para fazer pastas de eletrodos. (www.sigmaaldrich.com) |
| Todos os coletores de corrente | Exopack | z-flo 2650 | Folhas revestidas de carbono. Revestido de um lado. (http://www.exopackadvancedcoatings.com) |
| Coletores de corrente | Al Alfa-Aesar | 10558 | 0,025 mm (0,001 pol) de espessura, 30 cm x 30 cm (12 pol x 12 pol), 99,45% (base de metais), não revestido (http://www.alfa.com) |
| Coletores de corrente de | Pred Materials | Folha | de eletrodepositadaPara uso com materiais anódicos para baterias de íons de lítio. (www.predmaterials.com) |
| Folha de lítio | Rockwood Lithium | Contate o fornecedor | Ânodo para meias células. Disponível em diferentes espessuras e larguras. Reativo e sensível ao ar. Armazene e manuseie em um porta-luvas de atmosfera inerte sob He ou Ar (reage com N2). (www.rockwoodlithium.com) |
| Folha de lítio | Sigma-Aldrich | 320080 | Ânodo para meias células. Disponível em diferentes espessuras e larguras. Reativo e sensível ao ar. Armazene e manuseie em um porta-luvas de atmosfera inerte sob He ou Ar (reage com N2). (www.sigmaaldrich.com) |
| Lingote de sódio | Sigma-Aldrich | 282065 | Ânodos para meias células. Pode ser extrudado em folhas. Reativo e sensível ao ar. Armazene e manuseie em um porta-luvas de atmosfera inerte apenas sob ele. (www.sigmaaldrich.com) |
| Soluções eletrolíticas | BASF | Selectilyte P-Series Fale com o fornecedor | Entre em contato com o fornecedor para obter as formulações desejadas. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes) |
| Carbonato de dimetila (DMC) | Sigma-Aldrich | 517127 | Usado para lavar eletrodos para experimentos ex situ. (www.sigmaaldrich.com) |
| Separadores microporosos | Celgard | 2400 | Membranas de polipropileno (http://www.celgard.com) |
| Hardware de célula tipo moeda (caixa, tampa, junta) | Materiais | Pred CR2016, CR2025, CR2320, CR2032 | Tamanho correspondente à ferramenta de crimpagem disponível, componentes revestidos de alumínio também disponíveis. (www.predmaterials.com) |
| Arruelas onduladas | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Espaçadores | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Ni e Al pretaped tabs | Pred Materials | Contatar fornecedor | Tamanhos sujeitos a alterações. Informe-se sobre pedidos personalizados. (www.predmaterials.com) |
| Bolsas de poliéster | VWR | 11214-301 | Utilizadas para selar células eletroquímicas para in situ work. Evite bolsas pesadas devido à forte interferência do sinal. (https://us.vwr.com) |
| Filme Kapton | McMaster-Carr | 7648A735 | Usado para cobrir eletrodos para experimentos ex situ, 0,0025 em espessura (www.mcmaster.com) |
| Hélio, argônio e 4-10% de hidrogênio em hélio ou argônio | Air Products | entre em contato com o fornecedor para composições desejadas e níveis | de purezaHélio ou argônio usado para encher o porta-luvas onde a montagem das células é realizada e o metal alcalino é armazenado. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx) |
| Não use nitrogênio porque ele reage com o lítio. Use apenas hélio se o sódio estiver sendo armazenado. O nível de pureza necessário depende se o porta-luvas está equipado com um sistema de remoção de água e oxigênio. Misturas de hidrogênio necessárias para regenerar o sistema de remoção de água/oxigênio, se presente ou qualquer outro fornecedor de gás adequado |
Referências
- 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.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Reimpressões e permissões
