Мы описали использование синхротронного рентгеновского абсорбционной спектроскопии (XAS) и рентгеновской дифракции (РД) методы, чтобы проверяющие детали интеркаляция / деинтеркаляции процессов в электродных материалов для литий-ионных и Na-ионных батарей. И в месте и бывшие экспериментов на месте используются, чтобы понять структурную поведение, имеющие отношение к эксплуатации приборов
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Характеристика электродных материалов для литий-ионных и натрия-ионных аккумуляторов с использованием методов синхротронного излучения
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Интеркаляционные соединения, такие как оксиды или фосфаты переходных металлов являются наиболее часто используемые материалы электродов в литий-ионных и Na-ионных батарей. Во время вставки или удаления ионов щелочных металлов, окислительно-восстановительные состояния переходных металлов в соединениях изменить и структурные превращения, такие как фазовых переходов и / или увеличения решетки параметров или уменьшать произойти. Такие действия в свою очередь, определяют важные характеристики батарей, таких как потенциальных профилей, возможностей ставок, и жизни цикла. Чрезвычайно яркие и настраиваемые рентгеновские лучи, произведенные синхротронного излучения позволяют быстро приобретение данных высокого разрешения, которые предоставляют информацию об этих процессах. Преобразования в сыпучих материалов, таких как фазовые переходы, может быть непосредственным наблюдением с помощью рентгеновской дифракции (РД), в то время как рентгеновская спектроскопия поглощения (XAS) дает информацию о местных электронных и геометрических структур (например, изменения в окислительно-восстановительных государств и облигации лengths). экспериментов на месте, проведенных в операционных клеток особенно полезны, поскольку они позволяют прямую связь между электрохимических и структурных свойств материалов. Эти эксперименты отнимает много времени и может быть сложным для разработки за счет реакционной способности и чувствительность воздуха анодов щелочных металлов, используемых в конфигурации половины клеток, и / или возможность интерференции сигнала от других клеточных компонентов и аппаратных средств. По этим причинам, целесообразно проводить бывших экспериментов на месте (например, на электродах найденным частично заряженных или отработавших цикл клеток) в некоторых случаях. Здесь мы представляем подробные протоколы для подготовки как экс месте и в образцах на места для экспериментов с использованием синхротронного излучения и продемонстрировать, как эти эксперименты делаются.
Введение
Литий-ионные аккумуляторы для бытовой электроники в настоящее время командовать рынок $ 11 млрд по всему миру ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) и являются основным выбором для развивающихся автомобильных приложений, таких как гибридных электрических транспортных средств (PHEVs) и электрических транспортных средств (EVS). Аналоги на эти устройства, использующие ионы натрия, а не литий находятся на более ранних стадиях развития, но считаются привлекательными для крупнома....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Планирование экспериментов
- Определить линии луча эксперименты интересов. Обратитесь к линии луча веб-страниц в качестве проводников. Для SSRL XAS и РСА, это 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/
- Связаться с линии луча ученым и обсудить детали эксперимента.
- Пр....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Рисунок 2 показывает типичную последовательность, используемую для эксперимента в месте. После синтеза и характеристики активных порошков, композитные электроды получены из растворов, содержащих активный материал, связующее вещество, такое как поливинилиденфторид (PVDF) и проводящих добавок, таких как сажа или графит, суспендированного в N-метилпирролидинон (NMP), отливают на любой алюминиевая или медная фольга токоприемники. Алюминий используется для катодов литий-ионный аккумулятор и всех эле.......
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Анализ данных XANES показывает, что, как сделал LiNi х Co 1-2x Мп х O 2 (0,01 ≤ х ≤ 1) соединения содержит Ni 2 +, Co 3 +, и Mn 4 +. 10 Недавний на месте исследование XAS на LiNi 0.4 Ко 0.15 Аль 0,05 Мп 0,4 O 2, показали, что Ni 2 + окисляют до Ni 3 + и, в конечном счете, Ni 4 + во delithiation, но что окислительно-восстановительные процессы с участ.......
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Благодарности
Эта работа проводится при поддержке помощника секретаря по вопросам энергетической эффективности и возобновляемых источников энергии, Управления транспортных средств Технологий Министерства энергетики США по договору № DE-AC02-05CH11231. Части этого исследования проводились в Стэнфордском синхротронного излучения источника света, в дирекции SLAC National Accelerator Laboratory и бюро Научного Пользовательское фонда эксплуатируется для Министерства энергетики США Управление по науке Стэнфордского университета. Программа биологии SSRL Структурная Молекулярная поддерживается энергетики Управления биологических и экологических исследований, и Национальными Институтами Зд....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Equipment | |||
| Inert atmosphere glovebox | Vacuum Atmospheres | Индивидуальный заказ, свяжитесь с поставщиками | Используется во время сборки ячеек и для хранения щелочных металлов и компонентов, чувствительных к влаге. (http://vac-atm.com) |
| Перчаточный ящик в инертной атмосфере | Mbraun | Доступны различные размеры (одинарные, двойные), множество опций, таких как мини или обогреваемые прихожие, системы удаления кислорода/воды, стеллажи, электрические проходы, <> и т.д. (http://www.mbraunusa.com) | |
| Рентгеновский порошковый дифрактометр (XRD) | Аналитический | X'Pert Powder | X'Pert представляет собой модульную систему. Доступно множество аксессуаров для специализированных экспериментов. (www.panalytical.com) |
| Рентгеновский порошковый дифрактометр (XRD) | Bruker | Bruker D2 Phaser | Bruker D2 Phaser компактен и хорошо подходит для рутинного анализа порошка. (www.bruker.com) |
| Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ | JSM7500F | Полевой эмиссионный сканирующий электронный микроскоп высокого разрешения с многочисленными настраиваемыми опциями. JEOL (http://www.jeolusa.com) Недорогие настольные версии также доступны. Свяжитесь с поставщиком для уточнения вариантов. | |
| Запайщик пакетов | VWR | 11214-107 | Используется для запечатывания пакетов для <>in situ work. (https://us.vwr.com) |
| Ручной обжимной инструмент | Pred Materials | HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320 | Используется для герметизации монетных ячеек. Сопоставьте размер с оборудованием ячейки типа «таблетка». (www.predmaterials.com) |
| Инструмент для разборки монетных ячеек | Pred Materials | Контактный поставщик | Используется для разборки монетных ячеек для восстановления электродов для работы ex situ. Также можно использовать плоскогубцы с игольчатым носом. Крышка заканчивается тефлоновой лентой, чтобы избежать закорачивания ячеек. (www.predmaterials.com) |
| Ножи для литья пленки | BYK Gardner | 4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329 | Используются для литья электродных пленок из шламов. Доступны различные размеры, с метрической или английской градацией. Аппликаторы и ракельные лезвия типа Бейкера являются менее универсальными, но более дешевыми вариантами. Может использоваться вручную или с автоматическими аппликаторами пленки. (https://www.byk.com) |
| Ракельные лезвия, аппликаторы Baker | Pred Materials | Аппликатор типа Baker и ракельное лезвие. Также доступны ножи для литья пленки. | Используется для литья электродных пленок из шламов. Доступны различные размеры, с метрической или английской градацией. Аппликаторы и ракельные лезвия типа Бейкера являются менее универсальными, но более дешевыми вариантами. Может использоваться вручную или с автоматическими аппликаторами пленки. (www.predmaterials.com) |
| Автоматический аппликатор пленки | BYK Gardner | 2101, 2105, 2121, 2122 | Опционально. Используется с аппликаторами, ракельными лезвиями или ножами для литья пленки для автоматического производства электродной пленки. Пленки также могут быть изготовлены вручную, но они менее однородны. (https://www.byk.com) |
| Автоматический аппликатор пленки | Pred Materials | Связаться с поставщиком | Опционально. Используется с аппликаторами, ракельными лезвиями или ножами для литья пленки для автоматического производства электродной пленки. Пленки также могут быть изготовлены вручную, но они менее однородны. (www.predmaterials.com) |
| Потенциостат/Гальваностат | Bio-Logic Science Instruments | VSP | Портативный 5-канальный компьютерно управляемый потенциостат/гальваностат, используемый для циклирования клеток в экспериментах in situ. (http://www.bio-logic.info) |
| Potentiostat/Galvanostat | Gamry Instruments | Reference 3000 | Портативный одноканальный потенциостат/гальваностат, управляемый компьютером, используемый для циклирования клеток в экспериментах in situ. (www.gamry.com) |
| Машина для площадочной дифракции | Скачать бесплатно | Используется для анализа 2D дифракционных данных. Доступны версии для Mac и Windows. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ | |
| IFEFFIT | Скачать | бесплатно набор интерактивных программ для анализа XAS, включая Гефест, Афину и Артемиду. Доступно для Mac, Windows и UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/ | |
| SIXPACK | Скачать | бесплатно программу анализа XAS, основанную на IFEFFIT. Версии для Windows и Mac. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html | |
| CelRef | Скачать бесплатно | Графическое уточнение ячеек единиц измерения. Только для Windows. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm и http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/ | |
| Reagent/Material | |||
| Electrode активные материалы | различные | синтезированные внутри компании или полученные от различных поставщиков. | |
| Синтетический чешуйчатый графит | Timcal | SFG-6 | Проводящая добавка для электродов. (www.timcal.com) |
| Ацетилен черный | Denka Denka | Black | Проводящая добавка для электродов. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html) |
| 1-метил-2-пирролидинон (NMP) | Сигма-Олдрич | 328634 | используется для изготовления электродных суспензий. (www.sigmaaldrich.com) |
| Аль токосъемники | Exopack | z-flo 2650 | Фольга с углеродным покрытием. Покрыто с одной стороны. (http://www.exopackadvancedcoatings.com) |
| Алюминиевые токосъемники | Alfa-Aesar | 10558 | 0,025 мм (0,001 дюйма) толщина, 30 см x 30 см (12 дюймов x 12 дюймов), 99,45% (металлическая основа), без покрытия (http://www.alfa.com) |
| Cu токосъемники | Pred Materials | Электроосажденная медная фольга | Для использования с анодными материалами для литий-ионных аккумуляторов. (www.predmaterials.com) |
| Литиевая фольга | Rockwood Lithium Контакт | продавца | Anode для полуэлементов. Доступны в различных вариантах толщины и ширины. Реактивный и чувствительный к воздуху. Хранить и обрабатывать в перчаточном ящике в инертной атмосфере под He или Ar (реагирует с N2). (www.rockwoodlithium.com) |
| Литиевая фольга | Sigma-Aldrich | 320080 | Анод для полуэлементов. Доступны в различных вариантах толщины и ширины. Реактивный и чувствительный к воздуху. Хранить и обрабатывать в перчаточном ящике в инертной атмосфере под He или Ar (реагирует с N2). (www.sigmaaldrich.com) |
| Натриевый слиток | Sigma-Aldrich | 282065 | анодами для полуэлементов. Может быть выдавлен в фольгу. Реактивный и чувствительный к воздуху. Храните и обрабатывайте в инертной атмосфере бардачок только под Хе. (www.sigmaaldrich.com) |
| Электролитные растворы | BASF | Selectilyte P-Series Свяжитесь с поставщиком | получения желаемых составов. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes) |
| Диметилкарбонат (DMC) | Sigma-Aldrich | 517127 | Используется для промывки электродов в экспериментах ex situ. (www.sigmaaldrich.com) |
| Микропористые сепараторы | Celgard | 2400 | Полипропиленовые мембраны (http://www.celgard.com) |
| Фурнитура "таблетка" (корпус, колпачок, прокладка) | Pred Materials | CR2016, CR2025, CR2320, CR2032 | Размер соответствует имеющемуся обжимного инструменту, также доступны компоненты с покрытием Al. (www.predmaterials.com) |
| Волновые шайбы | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Распорки | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Ni и Al pretapeed tabs | Pred Materials | Связаться с поставщиком | Размеры могут быть изменены. Узнайте о заказах на заказ. (www.predmaterials.com) |
| Полиэфирные подсумки | VWR | 11214-301 | Используются для герметизации электрохимических ячеек для in situ work. Избегайте тяжелых подсумков из-за сильных помех сигнала. (https://us.vwr.com) |
| Каптоновая пленка | McMaster-Carr | 7648A735 | Используется для покрытия электродов для экспериментов ex situ, 0,0025 в толще (www.mcmaster.com) |
| Гелий, аргон и 4-10% водород в гелии или аргоне | Продукты Air Свяжитесь | с продавцом для получения желаемых составов и уровней | чистотыГелием или аргоном заполняют перчаточный ящик, где осуществляется сборка ячеек и хранится щелочной металл. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx) |
| Не используйте азот, потому что он вступает в реакцию с литием. Используйте только гелий, если хранится натрий. Требуемый уровень чистоты зависит от того, оснащен ли перчаточный ящик системой удаления воды и кислорода. Смеси водорода, необходимые для регенерации системы удаления воды/кислорода, если они присутствуют или любому другому подходящему поставщику газа |
Ссылки
- 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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
