Методическая статья

Характеристика электродных материалов для литий-ионных и натрия-ионных аккумуляторов с использованием методов синхротронного излучения

DOI:

10.3791/50594

⸱

11 ноября 2013 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

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

Аннотация

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

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

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

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 крупномасштабного хранения энергии (т.е. грид-приложений) на основе стоимости и аргументов безопасности питания 1, 2. Оба двойные системы интеркаляционные работать по тому же принципу, ионы щелочных металлов курсируют между двумя электродами, выступающих в качестве принимающих структур, которые проходят процессы вставки на разных потенциалов. Электрохимические ячейки сами рстотносительно просто, состоящий из композитных положительных и отрицательных электродов на токоприемников, разделенных пористой мембраны, насыщенным раствором электролита обычно состоящей из соли растворяют в смеси органических растворителей (рис. 1). Графит и LiCoO 2 являются наиболее часто используются отрицательные и положительные электроды, соответственно, для ионно-литиевых батарей. Несколько альтернативных электродные материалы были также разработаны для конкретных приложений, в том числе вариантов LiMn 2 O 4 шпинели, LiFePO 4 со структурой оливина и НМЦ (LiNi х Мп х Co 1-2x O 2 соединения), для положительных и жесткие атомов углерода, Li 4 Ti 5 O 12, и сплавы лития с оловом для негативов 3. Материалы высокого напряжения, как Lini 0,5 Мп 1,5 O 4, новые материалы с высокой пропускной способностью, таких как слоисто-слоистых композитов (например XLI 2 MnO <суб> 3 · (1-х) LiMn 0,5 Ni 0,5 O 2), соединения с переходными металлами, которые могут пройти несколько изменений в окислительно-восстановительных государств, и Ли-Si с аноды в настоящее время субъекты интенсивных исследований, и, если успешно развернуты, должны поднять практические плотности энергии литий-ионных ячеек дальше. Другой класс материалов, называемый конверсии электродов, в которых оксиды переходных металлов, сульфиды, фториды или обратимо сводится к металлическим элементом и литиевой соли, также рассматриваемый для использования в качестве электродов батарей (в первую очередь в качестве замены для анодов) 4. Для устройств на базе натрия, жесткие атомов углерода, сплавы, NASICON структур и титанаты расследуются для использования в качестве анодов и различных оксидов переходных металлов и полианионных соединений в качестве катодов.

Поскольку литий-ионные и ион натрия батареи не основаны на фиксированных химии, их характеристики могут отличаться в зависимости от тон электродов, которые используются. Поведение окислительно-восстановительный электродов определяет потенциальные профили, возможности ставок, и цикловых жизнь устройств. Обычные порошок дифракции рентгеновских лучей (XRD) методы могут быть использованы для первоначальной структурной характеристике нетронутых материалов и измерений вне мест отработавших цикл электродов, но практических соображений, таких как низкой интенсивности сигнала и относительно больших временах, необходимых для сбора данных ограничить объем информации которые могут быть получены от процессов разрядки и зарядки. В противоположность этому, высокий блеск и короткие длины волн синхротронного излучения (например, λ = 0,97 А при пучкового Стэнфордского синхротронного излучения источника света в 11-3), в сочетании с использованием высокой пропускной изображения детекторов, лицензий и разрешений данных высокого разрешения на образцах в лишь 10 сек. В месте работы выполняется в режиме передачи на клеточных компонентов, подвергающихся зарядки и разрядки в герметичномешочки прозрачные для рентгеновских лучей, без необходимости остановки работы для получения данных. В результате электродные структурные изменения можно наблюдать как "моментальных снимков во времени", как и клеточных циклов, и многое другое информация может быть получена по сравнению с обычными методами.

Рентгеновская спектроскопия поглощения (XAS), также иногда называют рентгеновского поглощения Тонкая структура (XAFS) дает информацию о локальной электронной и геометрической структуры материалов. В РАС экспериментов, энергия фотона настроен на характерных краев поглощения на конкретные элементы в рамках расследования. Чаще всего для батареи материалов, эти энергии соответствуют K-краев (1s-орбиталей) переходных металлов, представляющих интерес, но мягкие XAS эксперименты настроен на O, F, C, B, N и L 2,3 края первого ряда переходные металлы также иногда проводились на образцах вне мест 5. Спектры порожденная РАС экспериментов можно разделить на несколько р-нINCT регионы, содержащие различную информацию (см. Newville, М., Основы XAFS, http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf ). Главной особенностью, состоящей из края поглощения и расширение о 30-50 эВ За это рентгеновского поглощения околопороговой структуры (XANES) область и указывает на порог ионизации в континуум состояний. Этот документ содержит информацию о состоянии окисления и координационной химии поглотителя. Чем выше энергия часть спектра известен как расширенного рентгеновского поглощения тонкой структуры (EXAFS) области и соответствует рассеянию выброшенного фотоэлектроном выключения соседние атомы. Фурье-анализ этого региона дает ближний структурную информацию, такую ​​как длин связей и количествах и типах соседних ионов. Preedge имеет ниже Characteristтакже иногда появляются энергии поглощения IC некоторых соединений. Они возникают из дипольных запрещенных электронных переходов, чтобы освободить связанные состояния для октаэдрических геометрии, или дипольных разрешенные эффекты орбитальной гибридизации в тетраэдрических них и часто могут быть соотнесены с локальной симметрии поглощающего иона (например, является ли это тетраэдрически или октаэдрически скоординированный) 6.

XAS является особенно полезным методом для изучения смешанные системы металлов, такие как НМЦ определить начальные окислительно-восстановительные состояния и которых ионы переходных металлов пройти окислительно-восстановительного потенциала во delithiation и литиирования процессов. Данные о нескольких различных металлов могут быть быстро получены в одном эксперименте и интерпретация достаточно проста. В противоположность этому, мессбауэровской спектроскопии ограничивается лишь несколько металлов, используемых в батареи материалов (в первую очередь, Fe и Sn). В то время как магнитные измерения также могут быть использованы для определения степени окисления, магнитные эффекты сочетания могут осложненийТе интерпретация особенно сложных оксидов, таких как НМЦ.

Хорошо спланированные и выполненный на месте и ex-situ синхротронного РСА и XAS эксперименты дают дополнительную информацию и дать более полную картину, который будет сформирован из структурных изменений, происходящих в электродных материалов во время нормальной работы аккумулятора, чем то, что можно получить с помощью обычных методов. Это, в свою очередь, дает более глубокое понимание того, что управляет электрохимического поведения устройств.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Планирование экспериментов

  1. 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/
    1. Связаться с линии луча ученым и обсудить детали эксперимента.
  2. Проверьте сроки и требования к предложениям, зайдя в соответствующем веб-сайте.
  3. Написать времени предложение луча и нажмите кнопку.
  4. После того, как предложение было забито, время график луча.
  5. Следуйте инструкциям на объекте, чтобы подготовиться к времени луча. Рассмотрим подробнее эксперимента, тransport материалов (особенно устройств, содержащих щелочные металлы) и оборудование, а также любые проблемы безопасности. Подготовка в области безопасности, как правило, требуется для новых пользователей.

2. Подготовка материалов, электродов, а клетки

  1. Обобщить или получить активный материал интересов.
  2. Охарактеризовать материал с помощью обычной рентгеновской порошковой дифракции, используя шаги 2.2.1-2.2.9.
    1. Измельчите порошок и сито, чтобы обеспечить равномерное распределение частиц по размерам.
    2. Загрузите образец в держателе образца. Удалить заднюю крышку из держателя и поместите его против предметное стекло. Заполните полость с порошком, затем приложите заднюю крышку, держатель флип и удалить слайд. Это гарантирует, что порошок даже с поверхностью держателя и что поверхность является плоской.
    3. Войдите в журнале для дифрактометра.
    4. Вставьте держатель образца в дифрактометре и выровнять.
    5. Закрыть двери дифрактометре.
    6. Использование программы сборщика данных на компьютере, подключенном к Панalytical дифрактометр, увеличение напряжения и тока до значений, соответствующих для измерения. Выберите щели и маски луча для эксперимента. Выберите или модифицировать программу для сканирования.
    7. Начните программу и имя файла данных. Блокировка дифрактометра двери, проводя знак, когда будет предложено программой. Сбор данных.
    8. Анализ выкройку из Высокая Оценка программы. В частности, обратите внимание на наличие примесей (экстрарефлексы) и соответствует ли образец, который справочных материалов или расчетных моделей.
    9. Снять образец с дифрактометра. Выключите тока и напряжения, а закрывать двери. Выйдите из системы, отмечая любые необычные условия.
  3. Получить на сканирующем электронном микроскопе для оценки морфологии частиц, используя шаги 2.3.1-2.3.10.
    1. Подготовка образца путем присоединения углерода ленту к алюминиевой заглушкой, и окропление образец порошка на клейкой стороной. Проверьте для магнетизма путем проведения кухня магнит над образца.
    2. Вставьте образец в SEM камеру через airloск.
    3. Как только вакуум устанавливается, включите ускоряющего напряжения на.
    4. В режиме низкой увеличения, настроить контрастность и яркость. Это наиболее удобно проводить с помощью кнопки ACB.
    5. Найти область интереса вручную сканирования в направлениях Х и Y..
    6. Перейти к SEM или режимов мягкий луч, если большем увеличении желательно. Выбор желаемого детектор и установить рабочее расстояние до значений, подходящих для эксперимента.
    7. Отрегулируйте яркость и контрастность с помощью ручки ACB.
    8. Фокус картинку с контрольными этап г.
    9. Совместите луч, правильный астигматизм и сфокусироваться с помощью х и у ручки.
    10. Сфотографируйте по желанию, используя кнопку фото, и сохранить в соответствующую папку на компьютере.
    11. Когда закончите, выключите ускоряющего напряжения. Перемещение образца для обмена позицию и снять с камеры через шлюз.
  4. Проведение элементного анализа по ПМС, если это необходимо, и характеризуют материалы с любыми другими желаемыми способами, такими как ИКили спектроскопии комбинационного рассеяния света.
  5. Изготовление электродов, используя шаги 2.5.1-2.5.8.
    1. Сделать раствор 5-6% (мас.) из поливинилиденфторида (ПВДФ) в N-methylpyrolidinone (NMP).
    2. Мельница вместе активный материал и проводящий добавка (ацетиленовой сажи, графита и т.д..).
    3. Добавить решение NMP с шага 2.3.1 для сухого порошка с шага 2.3.2 и перемешать. Пропорции варьировать в зависимости от природы активного материала, но конечный сухой состав 80:10:10 (активного материала: ПВДФ: проводящий добавка) является общим.
    4. Использование лезвие и (опционально) вакуумного стола, литая электрода суспензии на качестве токосъемника Аль или Cu. Углерод покрытием алюминиевая фольга может быть использован для литий-ионный аккумулятор катодных материалов и всех Na-ионных электродных материалов, а Cu фольга используется для литий-ионных анодных материалов.
    5. Разрешить электродов до воздушно-сухого.
    6. Сухие электроды дальше, используя ИК-лампы, плитой, или в вакуумной печи.
    7. Вырезать или удар электродов с размером необходимого. Взвесьте электроды.
    8. Трансфер электроды к инертной атмосферой перчаток. Дополнительный этап сушки с использованием вакуумного подогревом прихожую, прикрепленный к бардачке рекомендуется удалить все остатки влаги.
  6. Соберите электрохимические устройства (обычно монет клеток, но и другие конфигурации могут быть использованы для электрохимической характеристики) для начальной характеристике, образцы ex-situ, и / или линии луча эксперимент, используя шаги 2.6.1-2.6.7.
    1. Соберите все необходимые компоненты в инертной атмосферой перчаток.
    2. Cut литий или натрий фольгу до нужного размера.
    3. Cut микропористый сепаратор до нужного размера.
    4. Компоненты слой в этом порядке в устройстве: электродные, сепаратор, электролитического раствора, и Ли или Na фольга.
    5. Добавить распорки и волновые шайбы по мере необходимости.
    6. Уплотнение ячейки с помощью плоской литиевой нажмите.
    7. В Ситу РСА экспериментов, приложите вкладки по обе стороны от монеты ячейки и запечатать устройство в полиэфирной сумке.
  7. Выполните электрохимический эксперимент для первоначального характеристики или экс работы месте, используя шаги 2.7.1-2.7.6.
    1. Подключите провода от потенциостата / гальваностата или циклере к устройству и измерить открытый потенциал цепи.
    2. Написать программу для электрохимического эксперимента желаемого или выберите из архива программы.
    3. Запустите эксперимент и собирать данные.
    4. Для бывших экспериментов на месте, разбирать устройство в бардачке, заботясь, чтобы не короткого замыкания него. Для монет клеток, использовать или сотовый дизассемблера инструмент или плоскогубцы, завернутые тефлоновой лентой монеты.
    5. Промойте электроды с диметилкарбонатом чтобы удалить соль остаточного электролита. Позвольте им высохнуть.
    6. Обложка электроды для ex-situ исследования с каптоновой фольги для РФА экспериментов или скотчем для XAS и магазина в бардачке, пока эксперимент не осуществляется.
  8. Порошки, предназначенные для исследования XAS следует просеивают для обеспечения размера частиц однороднойнородность. Они могут затем посыпать на несколько кусков скотча. Готовили серию образцов затем могут быть получены путем укладки все более многочисленные части порошкообразного ленты вместе. Это особенно полезно, если пользователь не уверен в размере порошка, необходимого для оптимального сигнала.
    1. Кроме того, порошки для измерений РАС может быть разбавлен BN, если пользователь уверен, о том, что приведет к оптимальному сигнала.

3. Выполнение экспериментах на синхротронного фонда

  1. За несколько дней до эксперимент начнется, план перевозок материалов и оборудования на объект.
    1. Для устройств, содержащих анодов щелочных металлов, доставка требуется, чтобы избежать опасностей, связанных с перевозками в личных или общественных транспортных средств.
    2. Оборудование таких как портативные гальваностат / Потенциостаты и портативных компьютеров и неопасными образцов, таких как электроды для экс работы месте может быть brougHT на объект со стороны человека, осуществляющего эксперименты в любой удобной форме.
  2. Заезд и регистрация на объекте.
  3. Для обоих на месте и бывших экспериментов на месте РСА, получать опорный образец Лабораторная работа 6 для целей калибровки.
    1. Связаться пучкового ученого и персонала для получения инструкций.
    2. Калибровка луч найти условия правильные лучей.
    3. Измерьте опорное картину Лабораторная работа 6.
  4. Для наблюдений в точке экспериментов РСА, настроить устройство и начать эксперимент следующие шаги 3.4.1-3.4.6.
    1. Вставка мешочек на пластины Al давления и гарантировать, что отверстия выровнены, чтобы позволить пучок рентгеновских лучей для передачи.
    2. Найти оптимальное положение луча и времени экспозиции. Длительное воздействие может привести к перенасыщению. Решите, будет ли потрясли образец или стационарной.
    3. Возьмите первоначальный образец перед электрохимии запускается.
    4. Прикрепите провода от оцинкanostat / потенциостат к устройству.
    5. Начните электрохимии эксперимент.
    6. Получение данных. После того, как эксперимент идет полным ходом, сбор данных происходит автоматически, и пользователю необходимо только для наблюдения за убедиться, эксперимент идет по плану.
  5. Настройка XAS эксперименты.
    1. Заезд и связываться пучкового ученого и персонала для получения инструкций.
    2. Вставьте образец и опорный фольги материал (в зависимости от металла, который в настоящее время определена; например Ni для Ni K краю).
    3. Совместите образец.
    4. Определить энергию конкретного металла края с помощью Гефеста IFEFFIT в. Настройтесь монохроматор, то де-мелодия примерно на 30%, чтобы устранить высших гармоник. Изменение прибыли для регулировки I 1 и I 2 мерные смещения.
    5. Возьмите измерение. Два или более сканы должны быть приняты и объединены для интересующего элемента.
    6. Повторите шаги 3.5.3 к 3.5.5 для дополнительных элементов, по мере необходимости.

4. ДанныеАнализ

  1. Для РСА работы, калибровки лаборатории 6 файл.
    1. Скачать Area Diffraction машина, которая доступна через код Google ( http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ ).
    2. Откройте изображение Лабораторная работа 6 дифракции и использовать начальные значения калибровки из заголовка файла.
    3. Откройте справочную Q (= 2π / сут) значения Лабораторная работа 6.
    4. Калибровка дифракционное изображение Лабораторная работа 6 со значениями Q и начального приближения значений калибровки.
    5. Получить правильные значения калибровки подгонкой изображения.
    6. Сохранить значения калибровки в файл калибровки.
  2. Калибровка изображения данных из эксперимента.
    1. Откройте дифракционные изображения с экспериментом.
    2. Откройте файл калибровки из лаборатории 6 ссылки (сохраненный на шаге 4.1.6).
    3. Открыть йэ ссылка Q (= 2π / г) значения Al или Cu (токоприемников для электродов) и использовать их в качестве внутренних ссылок.
    4. Калибровка выкройки изображения, подгонки изображения.
    5. Интеграция образ на Q против данных интенсивности (линейные сканы).
    6. Fit шаблоны, используя нужный программы подгонки (CelRef, Powdercell, RIQAS, GSAS, и т.д..).
  3. Процесс электрохимические данные любым удобным программу построения графиков (Excel, Origin, Kaleidagraph, Игорь, и т.д..).
  4. Для данных РАС, использовать АРТЕМИС / ATHENA в пакете IFEFFIT программного обеспечения для анализа.
    1. Калибровка данных с использованием первого пика в производной спектров поглощения эталонных металлов.
    2. Слияние, как сканирование.
    3. Вычтите фон и нормализовать данные.
    4. Используйте функцию AUTOBK изолировать данные EXAFS.
    5. Преобразование Фурье данные EXAFS.
    6. Используйте наименьших квадратов к преобразованию Фурье спектров в R или к-пространстве, чтобы извлечь STRUCTURAл информация.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

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

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

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

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

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

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

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 Здоровья, Национальный центр научно-исследовательских ресурсов, технологической программы биомедицинской (P41RR001209).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Equipment
Inert atmosphere gloveboxVacuum AtmospheresИндивидуальный заказ, свяжитесь с поставщикамиИспользуется во время сборки ячеек и для хранения щелочных металлов и компонентов, чувствительных к влаге. (http://vac-atm.com)
Перчаточный ящик в инертной атмосфереMbraunДоступны 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)АналитическийX'Pert PowderX'Pert представляет собой модульную систему. Доступно множество аксессуаров для специализированных экспериментов. (www.panalytical.com)
Рентгеновский порошковый дифрактометр (XRD)BrukerBruker D2 PhaserBruker D2 Phaser компактен и хорошо подходит для рутинного анализа порошка. (www.bruker.com)
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМJSM7500FПолевой 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 пакетовVWR11214-107Используется для запечатывания пакетов для <>in situ work. (https://us.vwr.com)
Ручной обжимной инструментPred MaterialsHSHCC-2016, 2025, 2032, 2320Используется для герметизации монетных ячеек. Сопоставьте размер с оборудованием ячейки типа «таблетка». (www.predmaterials.com)
Инструмент для разборки монетных ячеекPred MaterialsКонтактный поставщикИспользуется 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 пленкиBYK Gardner4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329Используются 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 BakerPred MaterialsАппликатор 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 пленкиBYK Gardner2101, 2105, 2121, 2122Опционально. 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 пленкиPred MaterialsСвязаться с поставщикомОпционально. 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/ГальваностатBio-Logic Science InstrumentsVSPПортативный 5-канальный компьютерно управляемый потенциостат/гальваностат, используемый для циклирования клеток в экспериментах in situ. (http://www.bio-logic.info)
Potentiostat/GalvanostatGamry InstrumentsReference 3000Портативный одноканальный потенциостат/гальваностат, управляемый компьютером, используемый для циклирования клеток в экспериментах in situ. (www.gamry.com)
Машина для площадочной дифракцииСкачать бесплатноИспользуется для анализа 2D дифракционных данных. Доступны версии для Mac и Windows. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/
IFEFFITСкачатьбесплатно набор интерактивных программ для анализа XAS, включая Гефест, Афину и Артемиду. Доступно для Mac, Windows и UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/
SIXPACKСкачатьбесплатно программу анализа XAS, основанную на IFEFFIT. Версии для Windows и Mac. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html
CelRefСкачать бесплатноГрафическое 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 материалыразличныесинтезированные внутри компании или полученные от различных поставщиков.
Синтетический чешуйчатый графитTimcalSFG-6Проводящая добавка для электродов. (www.timcal.com)
Ацетилен черныйDenka DenkaBlackПроводящая добавка для электродов. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html)
1-метил-2-пирролидинон (NMP)Сигма-Олдрич328634используется для изготовления электродных суспензий. (www.sigmaaldrich.com)
Аль токосъемникиExopackz-flo 2650Фольга с углеродным покрытием. Покрыто с одной стороны. (http://www.exopackadvancedcoatings.com)
Алюминиевые токосъемникиAlfa-Aesar105580,025 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 токосъемникиPred MaterialsЭлектроосажденная медная фольгаДля использования с анодными материалами для литий-ионных аккумуляторов. (www.predmaterials.com)
Литиевая фольгаRockwood Lithium КонтактпродавцаAnode 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 фольгаSigma-Aldrich320080Анод 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 слитокSigma-Aldrich282065анодами 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 растворыBASFSelectilyte P-Series Свяжитесь с поставщикомполучения желаемых составов. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes)
Диметилкарбонат (DMC)Sigma-Aldrich517127Используется для промывки электродов в экспериментах ex situ. (www.sigmaaldrich.com)
Микропористые сепараторыCelgard2400Полипропиленовые мембраны (http://www.celgard.com)
Фурнитура "таблетка" (корпус, колпачок, прокладка)Pred MaterialsCR2016, CR2025, CR2320, CR2032Размер соответствует имеющемуся обжимного инструменту, также доступны компоненты с покрытием Al. (www.predmaterials.com)
Волновые шайбыPred MaterialsSUS316L(www.predmaterials.com)
РаспоркиPred MaterialsSUS316L(www.predmaterials.com)
Ni и Al pretapeed tabsPred MaterialsСвязаться с поставщикомРазмеры могут быть изменены. Узнайте о заказах на заказ. (www.predmaterials.com)
Полиэфирные подсумкиVWR11214-301Используются для герметизации электрохимических ячеек для in situ work. Избегайте тяжелых подсумков из-за сильных помех сигнала. (https://us.vwr.com)
Каптоновая пленкаMcMaster-Carr7648A735Используется для покрытия электродов для экспериментов ex situ, 0,0025 в толще (www.mcmaster.com)
Гелий, аргон и 4-10% водород в гелии или аргонеПродукты Air Свяжитесьс продавцом для получения желаемых составов и уровнейчистотыГелием 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
, для

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

in situex situ

Похожие статьи