Summary
우리는 싱크로트론 X-선 흡수 분광 (XAS) 및 X 선 회절에 리튬 이온 및 NA-이온 전지의 전극 재료의 층간 삽입 / 탈리 프로세스의 세부 사항을 조사하는 (XRD) 기술의 사용을 설명한다. 시츄 및 현지 외 실험 장치의 동작과 관련된 구조적 거동을 이해하기 위해 사용되는 두
Abstract
그러한 천이 금속 산화물 또는 인산염 등의 층간 화합물은 리튬 이온 및 NA-이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용되는 전극 재료이다. 삽입 또는 알칼리 금속 이온을 제거하는 동안, 화합물에서 전이 금속의 산화 환원 상태 변경과 같은 위상 천이 및 / 또는 격자 파라미터가 증가하거나 감소함에 따라 구조적인 변형이 발생한다. 차례로 이러한 동작은 잠재적 인 프로파일, 속도 기능, 사이클의 삶과 배터리의 중요한 특성을 결정합니다. 싱크로트론 방사선에 의해 생성 된 매우 밝고 동조 x-레이는 이러한 프로세스에 대한 정보를 제공하는 고해상도 데이터의 빠른 획득을 허용한다. X-선 흡수 분광 (XAS)가 로컬 전자 및 기하학적 구조 (레 독스 상태에있는 등의 변화 및 결합에 대한 정보를 제공하는 동안 같은 상전이 같은 벌크 재료의 변환은, 직접적으로, X-선 회절 (XRD)을 사용하여 관찰 할 수있다 엘그들은 물질의 전기 화학적 및 구조적 특성 사이의 직접적인 상관 관계를 허용하기 때문에 engths). 작동 세포상에서 수행 시츄 실험에서 특히 유용하다. 이러한 실험은 시간 소모적이며 인해 반쪽 전지의 구성에 사용되는 알칼리 금속 애노드의 반응성 및 공기 민감성으로 설계하는 도전 및 / 또는 다른 세포 성분 및 하드웨어에서의 신호 간섭의 가능성이 될 수있다. 이러한 이유로, 일부 경우에 (예를 들어 부분적으로 충전 또는 순환 세포로부터 수확 된 전극 상) 현지 외 실험을 실시하는 것이 적절하다. 여기, 우리는 방사광을 포함하는 실험에 모두 전 현장과 현장 샘플 준비를 위해 상세한 프로토콜을 제시하고 이러한 실험을 수행하는 방법을 보여줍니다.
Introduction
가전 제품 용 리튬 이온 전지는 현재 전 세계적으로 1백10억달러 시장을 명령 ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) 이러한 플러그인 하이브리드 전기 자동차 (PHEV를) 및 전기 자동차 (전기 자동차) 등 신흥 차량용 애플리케이션을위한 최고의 선택입니다. 오히려 리튬보다 나트륨 이온을 이용한 이러한 장치 유사체의 개발 초기 단계에 있지만 대규모 에너지 저장 비용 및 공급 보안 인수 1, 2에 기초하여 (즉, 그리드 애플리케이션)에 대한 매력적인 여겨진다. 알칼리 금속 이온이 전위차에 삽입 공정을 거쳐 호스트 구조로서 작용하는 두 개의 전극 사이를 셔틀; 모두 듀얼 인터 시스템은 동일한 원리로 작동한다. 자신이 상대하는 전기 화학 전지atively 간단한 통상의 유기 용매의 혼합물 (도 1)에 용해 된 염으로 이루어진 전해질 용액으로 포화 된 다공성 막에 의해 분리 집전에 복합 양극 및 음극으로 이루어진. 흑연과는 LiCoO2는 리튬 이온 전지에 대해, 각각, 가장 일반적으로 사용되는 음극 및 양극이다. 여러 다른 전극 재료도의 LiMn 2 O 4 스피넬, 올리 빈 구조로 된 LiFePO4의 변종을 포함하여, 특정 응용 프로그램을 위해 개발되었으며, NMCs 반응 및 하드 탄소에 (LiNi는 MN이 공동 1 배 O 2 화합물 X X) 리 4 티타늄 5 O (12) 및 네거티브 3 주석과 리튬의 합금. LiNi 0.5 망간 1.5 O 4와 같은 고전압 재료 등의 계층화 계층화 된 복합 재료 (예를 들면 XLI 2 MnO의 <새로운 고용량 자료0.5 부> 3 · (1-X)의 LiMn 니켈 0.5 O 2), 산화 환원 상태에있는 여러 변화를 받아야하고, 리튬 Si 합금의 양극이 성공적으로 배포하는 경우, 경우, 현재 강렬한 연구의 주제, 그리고 수 전이 금속과 화합물 또한 리튬 이온 전지의 실제 에너지 밀도를 높입니다. 전이 금속 산화물, 황화물, 또는 불화물은 가역적 금속 원소와 리튬 염으로 감소되는 변환 전극으로 알려진 물질의 또 다른 부류는, (주로 양극위한 대체와 같은) 전지의 전극으로 사용하기위한 고려도있다 4. 나트륨에 기반 디바이스의 경우, 단단한 탄소, 합금, NASICON 구조 및 티타 네이트는 음극, 양극과 같은 다양한 전이 금속 산화물 및 폴리 음이온 화합물로 사용하기 위해 연구되고있다.
리튬 이온과 나트륨 이온 전지는 화학 반응에 기초하여 고정되지 않으므로, 성능 특성이 상당히 t에 따라 달라그는 사용되는 전극. 전극의 산화 환원 문제는 잠재적 인 프로필, 속도 기능 및 장치의 사이클의 삶을 결정한다. 종래의 분말 X-선 회절 (XRD) 기술은 깨끗한 재료 및 순환 전극에 외부 계 측정 초기 구조적 특성화에 사용될 수 있지만, 그러한 낮은 신호 강도 및 데이터를 수집하는데 필요한 비교적 긴 시간과 같은 실제적인 고려는 정보의 양을 제한 즉, 방전과 충전 프로세스를 얻을 수있다. 한편, 싱크로트론 방사선의 높은 광택과 단파장 높은 처리량 화상 감지기, 샘플의 고해상도 데이터의 허가 취득의 사용과 결합 (스탠포드 방사광있는 광원의 빔라인 11-3에서 예 λ = 0.97 A) 적은 초 10로가. 현장 작업에서 요금을 겪고 세포 구성 요소를 전송 모드에서 수행 밀폐 방전됩니다데이터를 수집하는 작업을 중지하지 않고 X-레이에 투명 파우치. 결과적으로, 전극의 구조적 변화는 세포주기로서 "타임 스냅 샷"로서 관찰 될 수 있고, 더 많은 정보는, 종래 기술에 비해 얻을 수있다.
X-선 흡수 분광 (XAS)는 또한 때때로 X-선 흡수 미세 구조 (XAFS)은 재료의 로컬 전자 및 기하학적 구조에 대한 정보를 제공한다라고 함. XAS 실험에서 광자 에너지는 조사중인 특정 요소의 특성 흡수 에지에 동조된다. 가장 일반적으로 전지 재료에 대해,이 에너지는 관심의 전이 금속의 K-가장자리 (1S 궤도)에 해당하지만, 부드러운 XAS 실험은 O로 조정, F, C, B, N 및 첫 번째 행의 L 2,3 가장자리 전이 금속은 때때로 현지 외 샘플 5에서 수행됩니다. XAS 실험에 의해 생성 된 스펙트럼 DIST 몇개로 분할 할 수있다다른 정보를 포함 inct 지역 (Newville, M., XAFS의 기본 참조 http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf을 ). 주요 기능은, 흡수 단으로 구성된 약 30 ~ 50 에버스 이상 연장하는 에지 구조 근처 X-선 흡수 (XANES) 지역과 국가를 연속체 이온화 임계 값을 나타냅니다. 이 흡수체의 산화 상태와 배위 화학에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 스펙트럼의 높은 에너지 부분이 확장 된 X-선 흡수 미세 구조 (EXAFS) 영역이라고도 및 토출 광전자 떨어져 인접 원자 산란에 해당된다. 이 영역의 푸리에 분석은 결합 길이 및 번호와 이웃 이온의 종류로 단거리 구조 정보를 제공한다. Preedge는 characterist 아래에 있습니다일부 화합물의 IC 흡수 에너지는 또한 때때로 나타납니다. 이들은 면체 형상에 대한 바인딩 상태, 또는 사면체 사람의 극 허용 궤도 하이브리드 효과를 비우 쌍극자 금지 된 전자 전환에서 발생하고 종종 흡수 이온 (예를 들어,이 사면체 또는 팔면체 조정 여부)의 로컬 대칭 상관 관계가 될 수있다 6.
XAS 초기 산화 환원 상태를 결정하기 위해 그러한 NMCs 같은 혼합 금속 시스템을 연구하고있는 전이 금속 이온 delithiation 및 리튬 화 과정에서 산화 환원을 거쳐위한 특히 유용한 기술이다. 여러 가지 금속에 대한 데이터는 하나의 실험에서 빠르게 얻어 질 수 있으며, 해석은 비교적 간단하다. 반면, 뫼스 바우어 분광기 전지 재료 (주로 철과의 Sn)에 사용되는 불과 몇 금속으로 제한됩니다. 자기장 측정은 또한 산화 상태를 결정하는데 이용 될 수 있지만, 자기 결합 효과 합병증 수특히 같은 NMCs 같은 복합 산화물에 대한 테 해석.
잘 계획해서 실행 현지 내외의 싱크로트론 XRD와 XAS 실험은 보완 정보를 제공하고보다 완전한 그림이 종래의 기술을 통해 얻을 수있는 것보다 일반 배터리로 작동하는 동안 전극 재료에서 발생하는 구조적인 변화로 형성 될 수 있습니다. 이것은, 차례로, 장치의 전기 화학적 거동을 제어 정보의 더 큰 이해를 제공한다.
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Protocol
1. 실험 계획
- 관심의 빔 라인의 실험을 확인합니다. 가이드로 빔 라인 웹 페이지를 참조하십시오. SSRL XAS 및 XRD, 이들에 대한 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/
- 빔 라인 과학자에 연락 실험의 세부 사항을 논의.
- 관련 웹 사이트로 이동하여 마감 및 제안서에 대한 요구 사항을 확인합니다.
- 빔 시간 제안서를 작성하고 제출합니다.
- 제안은, 일정 빔 시간을 득점 한 후.
- 빔 시간을 준비하기 위해 시설에서 제공하는 지침을 따르십시오. 실험, T의 세부 사항을 고려및 장비, 및 안전 문제 (특히 알칼리 금속을 포함하는 장치) 재료의 ransport. 안전 교육은 일반적으로 새로운 사용자를 위해 필요합니다.
2. 재료, 전극, 및 셀의 제조
- 합성 또는 그 활성 물질을 얻을 수 있습니다.
- 단계를 사용하여, 종래의 X-선 분말 회절에 의해 물질을 특성화 2.2.1-2.2.9.
- 균일 한 입자 크기 분포를 보장하는 분말 체를 분쇄.
- 샘플 홀더에 샘플을로드합니다. 홀더에서 백 플레이트를 제거하고 유리 슬라이드에 배치합니다. 분말 공동을 기입 한 후 백 플레이트, 플립 홀더를 장착하고 슬라이드를 제거합니다. 이것은 분말도 홀더 표면과 표면이 평평 있다는 것을 보장한다.
- 회절에 대한 로그 북에 로그인합니다.
- 회절에 샘플 홀더를 삽입하고 정렬합니다.
- 회절의 문을 닫습니다.
- 팬에 연결된 컴퓨터에서 데이터 수집기 프로그램을 사용하여alytical 회절, 증가 전압 측정을위한 적절한 값을 현재. 실험을 위해 슬릿 빔 마스크를 선택합니다. 선택하거나 스캔 프로그램을 수정합니다.
- 프로그램 이름의 데이터 파일을 시작합니다. 프로그램이 메시지가 표시되면 배지를 강타해서 회절 문을 잠급니다. 데이터를 수집합니다.
- 높은 점수의 프로그램을 사용하여 패턴을 분석합니다. 특히, 불순물 (여분 반사)의 존재를보고 패턴은 표준 물질 또는 계산 패턴이 일치하는지 여부.
- 회절에서 샘플을 제거합니다. 전류와 전압, 주변의 문을 아래로 돌립니다. 이상한 조건을 지적, 로그 아웃합니다.
- 단계 2.3.1-2.3.10를 사용하여 입자의 형태학을 평가하기 위해 주사 전자 현미경 사진을 얻습니다.
- 알루미늄 스텁에 탄소 테이프를 부착하고, 끈적 끈적한면에 시료 분말을 뿌려 샘플을 준비합니다. 샘플을 통해 부엌 자석을 잡고 자기에 대한 테스트합니다.
- airlo 통해 SEM 챔버에 샘플을 삽입CK.
- 진공이 설정되면,에 가속 전압 전원을 켭니다.
- 낮은 배율 모드에서 명암과 밝기를 조정합니다. 이것은 가장 편리 ACB 버튼을 사용하여 수행됩니다.
- 수동으로 x와 y 방향으로 검색하여 관심 영역을 찾을 수 있습니다.
- 높은 배율이 필요한 경우 SEM 또는 부드러운 빔 모드로 전환합니다. 원하는 검출기를 선택하고 실험에 대한 적절한 값으로 작동 거리를 설정합니다.
- ACB 노브를 사용하여 명암과 밝기를 조정합니다.
- 무대 Z 컨트롤을 이미지에 초점을 맞 춥니 다.
- 빔, 정확한 난시를 맞추고 x와 y 노브를 사용하여 초점을 맞 춥니 다.
- 원하는대로 사진 버튼을 사용하여 사진을 촬영하고 컴퓨터에 해당하는 폴더에 저장합니다.
- 완료되면, 가속 전압 전원을 끄십시오. 위치를 교환하고 출입구를 통해 챔버에서 제거 할 샘플을 이동합니다.
- 필요한 경우 ICP에 의해 원소 분석을 실시하고, 같은 IR 등 기타 원하는 기술과 재료의 특성을또는 라만 분광기.
- 단계를 사용하여 전극을 제조 2.5.1-2.5.8.
- 5-6% N-methylpyrolidinone에서 (wt.) 폴리 불화 비닐 리덴 (PVDF) (NMP)의 용액을 만든다.
- 밀 함께 활성 물질과 전도성 첨가제 (등 아세틸렌 블랙, 흑연,.).
- 2.3.2 단계에서 분말을 건조 및 혼합 단계 2.3.1에서 NMP 솔루션을 추가합니다. 비율은 활성 물질의 성질에 따라 다르지만, 80:10:10 (활물질 : PVDF : 도전 조제)의 최종 건조 조성은 일반적이다.
- 알루미늄 또는 구리 집에 닥터 블레이드 (선택 사항) 진공 테이블, 캐스팅 전극 슬러리를 사용. 탄소 피복 알루미늄 포일은 리튬 이온 전지의 음극 재료와 모든 NA-이온 전극 재료에 대해 사용될 수 있고, 구리 호일은 Li 이온 애노드 재료에 사용된다.
- 공기 건조에 전극을 허용합니다.
- 또 IR 램프, 핫 플레이트, 또는 진공 오븐을 사용하여 건조 전극.
- 잘라내거나 필요한 크기로 전극을 펀치. 전동 무게송시.
- 불활성 분위기의 글러브 박스에 전극을 전송합니다. 글러브 박스에 부착 된 진공 가열 대기실을 사용하여 추가로 건조 단계는 모든 잔여 수분을 제거하는 것이 좋습니다.
- 전기 화학 소자 (일반적으로 코인 셀 만, 다른 구성은 전기 화학적 특성 분석을 위해 사용될 수있다)의 초기 특성화, 계외 샘플 및 / 또는 빔 라인의 실험 단계에 사용 2.6.1-2.6.7를 조립한다.
- 불활성 분위기의 글로브 박스에 필요한 모든 구성 요소를 수집합니다.
- 원하는 크기로 리튬 또는 나트륨 호일을 잘라.
- 원하는 크기로 미세 구분을 잘라.
- 장치의 순서로 레이어 구성 요소 : 전극, 분리막, 전해액 및 리튬 또는 나 호일.
- 필요에 따라 스페이서와 웨이브 와셔를 추가합니다.
- 코인 셀 프레스를 사용하여 셀을 밀봉합니다.
- 현장 XRD 실험에서, 코인 셀의 양쪽에 탭을 부착하고 폴리 주머니에 장치를 밀봉하십시오.
- 단계를 2.7.1-2.7.6 사용하여, 초기 특성 또는 전 현장 작업을 위해 전기 화학적 실험을 수행합니다.
- 장치에 텐쇼 / galvanostat 또는 자전거 타는 사람에서 리드를 연결하고, 개방 회로 잠재력을 측정합니다.
- 원하는 전기 실험을 위해 프로그램을 작성하거나 아카이브 프로그램을 선택합니다.
- 실험을 실행하고 데이터를 수집합니다.
- 전 현장 실험을 위해, 단락시키지주의하면서, 글러브 박스에서 장치를 분해. 동전 세포를 들어, 코인 셀 디스어셈블러 도구 또는 테플론 테이프로 감싸 펜치 하나를 사용하십시오.
- 잔여 전해질 염을 제거하는 디메틸 카보네이트와 전극을 씻어. 그들이 건조하도록 허용합니다.
- XRD 실험 또는 스카치 테이프 XAS 및 글러브 박스에 저장 실험이 실시 될 때까지에 대한 캡톤 호일로 전 현장 연구를위한 덮개 전극.
- XAS 의해 연구를 위해 의도 된 분말은 입자 크기를 보장하기 위해 균질 체질되어야neity. 그런 다음 스카치 테이프의 여러 조각에 뿌려 수 있습니다. 일련의 샘플은 함께 분말 테이프 점차 더 많은 조각을 적층하여 제조 할 수있다. 사용자가 최적의 신호에 필요한 분말의 양에 대한 불확실 경우에 특히 유용하다.
- 사용자가 최적의 신호가 발생합니다 일에 대해 확신하는 경우 또는, XAS 측정을위한 분말은 BN로 희석 할 수있다.
3. 싱크로 시설에서의 실험의 성능
- 실험 시설로, 재료 및 장비의 계획 수송을 시작하기 며칠 전에.
- 알칼리 금속 양극을 포함하는 장치의 경우, 선박은 개인 또는 공용 차량 운송과 관련된 위험을 방지하기 위해 필요합니다.
- 휴대용 galvanostat / potentiostats 및 노트북 컴퓨터와 같은 전 현장 작업 전극으로 위험하지 않은 샘플 등의 장비 broug 수 있습니다임의의 편리한 방식으로 실험을 수행 개인이 시설에 HT.
- 체크인 및 시설에 등록 할 수 있습니다.
- 현장과 현지 외 XRD 실험 모두에 대해, 교정의 목적을 위해 실험실 (6)의 참조 패턴을.
- 지침은 빔라인의 과학자와 기술자에게 문의하십시오.
- 바로 빔 조건을 찾기 위해 빔을 보정합니다.
- 연구소 6 참조 패턴을 측정합니다.
- 현장 XRD 실험에서, 장치를 설정하고 실험 다음 단계를 3.4.1-3.4.6 시작하십시오.
- 알 압력 플레이트에 주머니를 삽입하고 구멍이 제대로 X-선 빔을 전송 할 수 있도록 정렬되어 있는지 확인합니다.
- 최적의 빔 위치와 노출 시간을 찾을 수 있습니다. 장기간 노출이 과포화로 이어질 수 있습니다. 샘플을 흔들거나 정지 할 것인지를 결정합니다.
- 전기 화학이 시작되기 전에 초기 패턴을 가져 가라.
- 진 galv에서 리드를 연결합니다장치에 anostat / 텐쇼.
- 전기 화학 실험을 시작합니다.
- 데이터를 가져옵니다. 실험이 진행되면, 데이터 수집은 자동으로, 사용자가 계획대로 확인 실험이 진행되었는지 확인하기 위해 감독하기 만하면됩니다.
- XAS 실험을 설정합니다.
- 체크인 및 지침 빔라인의 과학자와 기술자에게 문의하십시오.
- 샘플 및 (, 니켈 K 에지에 대한 예를 들어, 니켈 측정되는 금속에 따라) 호 참조 자료를 삽입합니다.
- 샘플을 맞 춥니 다.
- IFEFFIT의 헤파이스토스를 사용하여 특정 금속 가장자리의 에너지를 결정합니다. 조정 단색, 고차 고조파를 제거하는 약 30 %의 다음 디 튜닝. I 1을 조정하는 이득을 변경하고 I 2 측정 오프셋.
- 측정을 가져 가라. 두 개 이상의 스캔 촬영 및 그 요소에 통합되어야한다.
- 필요에 따라 반복, 추가 요소 3.5.5에 3.5.3 단계를 반복합니다.
4. 데이터분석
- XRD 작업, 실험실 6 이미지를 보정합니다.
- 구글 코드를 통해 사용할 수 있습니다 지역 회절 기계 (다운로드 http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ ).
- 연구소 6 회절 이미지를 열고 파일 헤더에서 초기 보정 값을 사용합니다.
- 기준 Q (= 2π / D) 실험실 6의 값을 엽니 다.
- Q 값과 보정 값의 초기 추측과 연구소 6 회절 이미지를 보정합니다.
- 이미지 피팅에 의해 정확한 보정 값을 구합니다.
- 교정 파일에 보정 값을 저장합니다.
- 실험의 데이터 이미지를 보정합니다.
- 실험에서 회절 이미지를 엽니 다.
- (단계 4.1.6에 저장) 실험실 6 기준에서 교정 파일을 엽니 다.
- 오픈 일전자 참조 Q (= 2π / D) 알루미늄 또는 구리 (전극 집 전체)의 값과 내부 참조로 사용합니다.
- 이미지 피팅에 의해 패턴 이미지를 보정합니다.
- 강도 데이터 (라인 스캔) 대 Q에 이미지를 통합 할 수 있습니다.
- 원하는 맞춤 프로그램을 사용하여 맞춤 패턴 (CelRef, Powdercell, RIQAS, GSAS, 등.).
- 어떤 편리한 플로팅 프로그램 (엑셀, 원산지, 칼레이다, 이고르, 등.)를 사용하여 전기 화학적 데이터를 처리합니다.
- XAS 데이터의 경우, 분석을위한 IFEFFIT 소프트웨어 패키지에 ARTEMIS / ATHENA를 사용합니다.
- 레퍼런스 금속의 흡수 스펙트럼의 유도체에서 첫 번째 피크를 사용하여 데이터를 보정.
- 스캔과 같은 병합합니다.
- 배경 빼기와 데이터를 표준화.
- EXAFS 데이터를 분리 AUTOBK 기능을 사용하십시오.
- 푸리에 EXAFS 데이터를 변환.
- structura를 추출하기 위해 R 또는 K 공간에서의 푸리에 변환 스펙트럼에 맞는 최소 제곱을 사용하여L 정보.
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Representative Results
그림 2는 현장 실험에 사용되는 일반적인 순서를 보여줍니다. 합성 및 활성 물질 분말의 특성 후, 복합 전극 중 하나 상에 캐스팅 활물질, 폴리 비닐 리덴 플루오 라이드 (PVDF)와 같은 카본 블랙이나 N-메틸 피 롤리 디논 (NMP)에 현탁하고, 흑연 등의 도전성 첨가제 등의 바인더를 함유하는 슬러리로부터 제조된다 알루미늄 또는 구리 포일 집 전체. 알루미늄은 리튬 이온 전지의 음극 모두 나트륨 이온 배터리의 전극에 사용하고, 구리는 리튬 이온 전지의 양극에 사용되는. 전극 건조 절단하고 칭량 한 후, 세포는 미세 다공성 분리기, 적절한 전해액 및 리튬 또는 나 하나 호일로 이루어진 음극을 사용하여 불활성 분위기의 글로브 박스에 조립된다. 이러한 구성 요소는 다음 밀폐 공기를 유지하고 합리적으로 X-선 투명 폴리 에스테르로 만들어진, 보호 파우치에 밀봉된다. 알루미늄과니켈 탭은 각각 양극과 음극에 전기 접점을 만드는 데 사용된다. 애노드로서 사용되는 리튬 또는 소프트 나 금속이 단순히 접촉하도록 니켈 탭 주위를 누르는 동안 알 탭은 초음파, 음극 집 전체에 용접된다. 압력을 유지하기 위해, 파우치 셀은 X-레이의 송신을 허용하도록 잘라 2mm 구멍이 금속 플레이트 사이에서 압축된다. 세포의 구성 요소 사이의 접촉 불량 전압 한계는이 구성에서 발생하는 추가 과전압을 수용 할 수 있도록 조정되지 않은 경우에 특히 높은 과전 조기 차단 될 수 있습니다. 과도한 압력은, 반면에, 실험의 세포 및 단락 고장이 발생할 수있다. 구성 요소가 처음 탭이 부착 된 후에 다음 보호 주머니 내에 밀봉되어 포장 및 스페이서로 드릴 된 작은 구멍을 가진 코인 셀에 조립 될 때 더 압력 제어가 달성된다. 웨이브 와셔와 스페이서는 모든 내선을 채우는 데 사용됩니다장치 라 양, 압력을 유지하고 구성 요소 간의 좋은 접촉을 보장합니다.
작은 휴대용 텐쇼 / galvanostat 및 노트북 컴퓨터가 다음 전기 화학적 실험을 수행하고 빔 라인에서 데이터를 수집하는 데 사용됩니다. 한 충 방전 사이클은 일반적으로 완료하는 데 약 20 시간이 걸립니다. 주기는 일반적으로 미리 선택된 전압 한계 사이 (즉, 일정한 전류를 사용하여) galvanostatically 수행됩니다. 샘플은 하나, 정지 상태로 유지 흔들어 (위 / 아래 / 왼쪽 또는 오른쪽) 또는 빔 라인 빔 축을 중심으로 회전 할 수있다. 마지막 두 개의 장점은 결과, 분말 함유 전극의 선호 방향에 영향을 최소화하는 전극의 다소 큰 영역에 걸쳐 획득하고, 계산 통계를 개선하는 것이 있습니다.
변속기 XRD 링 패턴 (도 2, 단계 5 참조) 대략 1-2 분의 데이터 판독 시간에, 약 10 초를 얻을 수있다. 통합 오F 보정 이미지 패턴 라인 스캔 (Q 대 강도)를 산출한다. 스탠포드 방사광있는 광원의 빔 라인 (11-3)은 약 0.97 Å (12,735 EV)의 입사 파장을 생성, 하나의시 (311) 단색을 사용하지만 주로 몇 EVS (~ 0.01 %) 정도의 에너지 변동 낮의 순환에 (매일 온도 변화는) 종종 긴 충전 및 방전 측정의 과정을 통해 관찰된다. 따라서, 각각의 스캔 이미지 보정 회절 패턴의 변화를 해제 나선상하는 것이 필수적입니다. 교정은 11-3 빔 라인 (와 함께 개발 한 지역 회절 머신 소프트웨어와 함께 수행 http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ ).
리 / 리에서 얻은 현장 XRD 데이터에서 그림 3은 [니켈 0.45 망간 0.45 공동 0.05 알 0.05 O 2 x 다음 0.45 망간 0.45 공동 0.05 알 0.05 O 2 활성 물질 패턴에 표시됩니다 x. 단위 셀 파라미터 (X)의 함수 (리튬 함유)로 변경하고 있기 때문에,이 단계 및 알루미늄 전류 컬렉터로 인한 피크 패턴의 일부에 중첩. 세포의 구성 요소로부터의 간섭은 모두 완벽한 배경 빼기 및 전체 회절 패턴의 리트 정제를위한 중요한 과제를 제시했다. 이 문제를 회피하려면, 배경은 수동으로 LIMI에게 감산 하였다세포 구성 요소와 중복되지 않은 피크 테드 세트는 피팅으로 선택했다. 다양한 상태 - 중 - 충전시 단위 셀 파라미터는 이후에 가능한 피크 위치 및 프로그램 CelRef (사용하여 최소 자승 정제하여 계산 하였다 http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm을 ). 세포 성분 시츄 실험에 의한 패턴에 방해가되는 정도는 연구중인 물질의 성질에 따라 변화하고, 이러한 문제는 항상 발생되지 않는다. 그 경우, 어떤 편리한 정제 또는 피팅 프로그램 데이터 (GSAS, PowderCell, RIQAS, FullProf 등.)을 분석하기 위해 사용될 수있다.
시간 제약으로 인해, 그것은 싱크로트론 XRD 실험보기 계외을 수행 할 때로 바람직하다. 그것은 예를 들어, 빔 라인에서 장시간에 걸쳐 여러 사이클을 수행 분명 실용적이지 않다. 대신, 전극 R 될 수 있습니다건조 잔류 전해질 염을 제거하는 용매로 세척 순환 세포에서 emoved, 나중에 검사를 위해, 공기로부터 보호를 제공하기 위해 캡톤 필름으로 덮여있다. 또한, 나중에 수행 현장 실험에 더 많은 참여에서 무엇을 기대해야하는지에 대한 아이디어를 제공하기 위해, 서로 다른 상태 - 중 - 충전 전기 화학 전지에서 수확에 몇 전극을 연구하는 데 유용 할 수 있습니다. 이러한 실험을 수행하는 것이 훨씬 간단하고 시간이 많이 소요 훨씬 저렴합니다, 몇 가지 샘플 시간 안에 실행할 수 있습니다. 집 전체, 바인더 및 전도성 첨가제의 신호는 일반적으로 여전히 관찰 및 캡톤 자체가 배경에 기여 비록 외부 계 워크에 추가적인 장점은, 대부분의 셀 간섭 성분의 부재이다. 전 현장 작업에 대한주의 사항은 세정과 긴 또는 부적절한 보관 샘플을 변경하거나 저하시킬 수 있습니다. 최악의 시나리오에서, EX 시츄 획득 데이터도 관련 정보에게 제공하지 않을 수도이러한 문제 때문에. 적절한주의가 유지되는 경우 시간 제한을 허용 할 때마다 현장의 구성에서 사용하는 프로세스를 직접 관찰 명확하게 가장 바람직한 방법입니다 있지만, 그러나, 전 현장 작업은 여전히 일부 값이 될 수 있습니다.
XAS 실험 소자 특정이므로, 그 전극 재료 이외의 셀 성분으로부터 간섭 (셀 하드웨어는 또한 금속을 포함하지 않는 것으로 가정 함)와 XRD만큼 문제가 아니다. 오직 하나의 흡수 단 (요소) 단, 한번에 측정 할 수있다. 새로운 에너지로 전환하는 유일한 초, 조정, 이온 챔버에 이득 및 오프셋을 변경 참조 포일을 변경, 가스 정화를 사용하는 동안 추가 10 분까지 걸릴 수 있습니다. 현장에서 실행하는 동안 다른 하나의 요소에서 전환의 일부 데이터 손실이 발생할 수 있습니다. 의미 EXAFS 데이터는 현장 작업에 동안 획득하기 어려울 수 있기 때문에 구조체종종 발생하는 우랄 변화는 측정 자신과 동일한 시간 상수가있다. 또 다른 고려 사항은 XAS 빔 라인은 종종 심하게 각 사용자에 대한 제한 시간을 의미 가입되어 있다는 것입니다. 이러한 이유로, 그것은 전 현장 샘플에 XAS 실험을 수행하기보다는 (현장 작업에서의 예를 참조 7 참조하지만) 현장 작업에서 수행하는 일반적으로 더 실용적입니다. 전 현장 샘플에 대한 데이터를 얻는 것은 공부하고 작업이 수행되는 시설되는 요소 수에 따라 한 시간 몇 분에서 걸릴 수 있습니다. 각 에지 측정하는 동안, 유사한 금속 호일 (예 : 니켈, 망간, 또는 공동) 스펙트럼은 에너지 참조 용으로 기록되어야한다. 이것은 시료 측정과 동시에 수행된다. 또, 사용자는 별도 공지 산화 상태, 함께 그 금속을 함유하는 표준 물질에 데이터를 기록 할 수있다 특히 경우 비정상적인 독스상태는 전기 화학에 참여하고 있습니다. 예를 들어, 리튬 3의 MnO 4 사면체 배위 Mn이 5 +의 존재를 확인하기 위해 리튬 망간 산 질화물 전극 재료의 시리즈의 최근 연구에 대한 기준으로 사용되었다. 8
전극 재료의 대량 과정을 공부 향하는 대부분의 XAS 실험은 그 요소의 몰 농도는 약 10 % 이상의 경우에 적합합니다 (전송 모드에서 실행됩니다 http://xafstraining.ps.bnl.gov ). 최상의 결과를 샘플, 배의 두께가 조절 될 때 얻을 수 있도록 흡수 단 위 μx <3. 있습니다 흡수 계수 (μ) (많은 전지 전극 재료를 포함 복합 재료에 대한 예를 들면,)를 알 수없는 경우, 스카치 테이프 조각의 점착면에 뿌려 분말 미량 시작하는 것이 유용 할 수있다. 한또는 가루 스카치 테이프를 더 추가 매 최적 응답 (일반적으로 하나의 흡수 길이에 대응) 얻어지는 점에 신호를 증가시키기 위해 일본어에 부착 될 수있다. 정확한 흡수 주어진 두께에서 얻어 지도록 흡수 계수가 알려진 물질의 경우, 샘플은 BN으로 희석 될 수있다.
TI와 S 가장자리 빔 라인 4.3에 조사하는 동안 SSRL에서, 니켈, 망간, 및 공동 K-가장자리, 빔 라인 4.1에서 공부 할 수 있습니다. 약 30 %의 두 배 결정 분광기를 디 튜닝은 고차 고조파를 제거합니다. 교정은 기준 금속의 흡수 스펙트럼의 유도체에서 첫 번째 피크를 이용하여 수행된다. 중복 검사는 실행 데이터의 품질을 향상시키기 위해 얼라인먼트 후 병합 될 수있다. 소프트웨어 패키지 IFEFFIT에서 아르테미스 / 아테나는 분석 9에 사용됩니다. - 스캔 같이 병합 후 배경 포스팅이 감산되고 데이터가 규격화된다. EXAFS 다TA는 AUTOBK 함수를 이용하여 분리하고, 푸리에 변환된다. R 또는 K 공간에서 푸리에 변환 된 스펙트럼 피팅 최소 제곱은 다음 구조 정보를 추출하는 데 사용된다. Mn이 K 에지에서 찍은 XAS 데이터의 예는,도 2에 도시되어, 단계 5 및 XANES 및 EXAFS 영역은 스펙트럼에 표시된다.
그림 1. 흑연 음극 및 계층화 된 금속 산화물 음극 겪고 방전. 기준 3 허가와 함께 사용을 가진 리튬 이온 배터리의 개략도.
그림 2. 주머니의 현장 실험에서의 일반적인 순서. 단계 1) 준비와 시료의 특성을 포함, 복합 전극의 2) 준비, 3) 조립세포는, 4) 빔라인에서 현장 실험에서의 설정, 5) 데이터 수집 및 분석.
그림 3. 리튬 / 리튬에 이미지 검색을 통합하여 얻은 라인 스캔 [니켈 0.45 망간 0.45 공동 0.05 알 0.05 O 2 셀 겪고 요금 (검은 색)과 (녹색) 배출 x. 반사 알 집과 폴리머 전지의 구성 요소 (주머니에 기인 와 미세 분리기)는 각각 파란색과 빨간색 점으로 표시됩니다.
재료의 표 1. 표.
장비의 표 2. 표.
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Discussion
XANES 데이터의 분석 LiNi x 다음 제작으로 공동 1-2X 망간 X O 2 (0.01 ≤ X ≤ 1) 화합물은 니켈 2 +, 공동 3 +가 포함되어 있음을 나타냅니다, 그리고 망간 4 +. 10 LiNi에 현장에서 최근 XAS 연구 0.4 공동 0.15 알 0.05 망간 0.4 O 2 니켈 2 +는 궁극적으로, 니켈 4 + delithiation 동안, 니켈 3 +로 산화 것을 보여 주었다, 그러나 공동 3 +를 포함하는 산화 환원 과정도 낮은 상태 -의 - 무료로 몇 가지 능력을 기여 이전의 가정에 대해 반대로 7. 낮은 코발트 조성물을 포함하는 또 다른 연구는, LiNi 0.45 공동 0.1-Y 알 Y 망간 0.45 O 2는 또한 공동 delithiation 11의 초기 단계에서 전기 활성라고 지적했다.
싱크로 XRD (12)와 XAS 구성 LiNi 0.4와 NMCs 시리즈의 11 연구5 망간 0.45 (Y ≤ 0.1 ≤ 0) 공동 0.1-Y 알 y를 O 2는 알 - 치환 된 변종의 개선 된 전기 화학적 성능에 대한 통찰력을 낳았다. 원시 분체에 얻어진 고해상도 싱크로트론 XRD 패턴의 분석은 Y = 0.1 소재는 종래의 분말 XRD 패턴에서 식별 가능하지 않는 경미한 단사 왜곡을 나타내는 것으로 나타났다. 다른 평형 MO 거리와 금속 함유 에지 공유 정팔면체 이루어져 전이 금속 평면에서 변형을 완화하는, 지역 치수 순서는 변형의 결과로 발생한다. 긴장 완화 왜곡은 더 EXAFS 데이터 (11)의 정밀 검사에 의해 확인되었다. EXAFS 데이터에서 관측 된 변화가 알을 포함하는 전극 작았지만 전기 자전거는, 추가 긴장을 유도한다. 포함하는 리튬 전지에 대한 현장 XRD 실험에서 이러한 NMC 음극 전지 충전 (delithiatio 동안 그 격자의 변화를 표시N)는 치환 기준보다 알 - 치환 된 재료 작았 다. 장시간의 사이클링 적은 구조적인 변화도 알 함유 전극에서 관찰되었다.
부분 알 - 대체는 사방 LiMnO 2 전극 (13)을 안정화시킬 수있는 가능한 수단으로 제안되었다. 이 자료는 신속하게 전기 화학적 특성의 동반 악화와 함께, 전기 자전거에 스피넬 원래 지그재그 층 구조로 변환합니다. 그러나, 안정화 효과는 25 % 알 치환 전극상의 원위치 XRD 실험에서 동안 관찰되지 않았다; 실은 스피넬 형성에 기인 한 반사 심지어 초기 셀 충전 (14) 중에 관찰되었다.
공칭 조성물 LiNi 0.5 Mn이 1.5 O 4 전압 프로파일 및 다른 영향을 미칠 것으로 예상된다 가진 고전압 스피넬 전이 금속 발주 정도작동 세포 (15)의 재료의 전기 화학적 특성. 무질서한 변종 (공간 군 Fd3_m)에서 전이 금속은 팔면체 16D 사이트를 통해 랜덤하게 분포되는 반면 주문한 재료 (공간 군 P4 3 32)에서, 니켈 및 망간은 각각도 4a 및도 12D 팔면체를 점유한다. 현장 실험에서 전이 금속 주문의 각기 다른 각도로 두 개의 샘플에서 얻은 싱크로 XRD 패턴의 비교는 delithiation 동안 매우 다른 단계의 동작을 밝혀 (16)을 처리합니다. 무질서 물질은 높은 상태 -의 - 무료로 관찰이 좁은 두 단계 지역으로, 초기 delithiation 동안 다양한 고용 영역을 나타내었다. 고용체 영역은 정렬 된 재료를 위해 훨씬 작은, 그리고 리이 작은 두 단계 R 어귀 니켈 0.5 Mn이 1.5 O 4, X의 세 단계의 공존은 약 X = 0.3의 조성으로 관찰egions. 리튬 결원 주문 방식의 변화에 의한 것으로 생각되고 위상 행동의 상이점은, 주문과 무질서 LiNi 0.5 망간 1.5 O 4 사이에서 관찰 속도 능력의 차이에 대한 설명으로 제안되었다. 예상과는 반대로, 그러나, 레퍼런스 (16)에 더 주문한 재료는 무질서한 샘플보다이 점에서 더 나은 수행. 이것은 형태의 효과에 기인되었다 무질서 샘플의 입자 노출 (112)면과 플레이트로 구성, 정렬 된 재료의 사람들은 (111)면의면과 팔면체했다 반면.
주문 및 형태학 효과에 더하여, Mn이 0.5 LiNi의 물리적 및 전기 화학적 특성은 1.5 O 4는 불순물 함량 및 본 망간 3 +의 양에 의존한다. 합성 중에 사용되는 고온 처리 동안, 니켈 함유 암염 불순물이 형성되고,일부 망간 4 +는 기본 단계, 미네소타 3 +로 감소된다. 이 XRD 패턴에서 때문에 피크 오버랩 암염 불순물 소량을 검출, 또는 열처리에 변화의 정확한 조성, 결정하기 어려울 수있다. 니켈과 망간 K 가장자리 XANES 데이터의 분석은 1000 ° C 17에서 만든 샘플에서 니켈과 망간을 모두 포함하는 소금의 불순물의 상당한 양의 존재를 공개했다.
여기에 설명 된 기술은 충전과 방전을 겪고 전극에 일괄 프로세스를 이해하는쪽으로 이동했다. 가정은 구조적인 변화가 전체 전극의 대표적인 실험 매우 작은 스폿 크기 (예, 빔 라인 (11-3)에서 X 0.15 mm 0.15 mm)를 사용하여 관찰되는 점이다. 이것은 저 전류 밀도를 사용하여, 일반적으로 잘 만들어진 전극과 셀에 대한 사실이고 비교적 긴 충 방전 시간은 위에서 설명한. 예 시츄 결과는 또한 일반적으로이LY 다음 평형을받은 정상 작동을 실시 세포에 전극에서 얻어진. 어떤 상황에서는, 그러나, 높은 전류 밀도에서 남용 또는 다양한 조건 하에서 동작 동안 전지 전극의 고장 모드의 이해를 얻을 비평 형 조건 하에서 결과를 얻는 것이 유익 할 수있다. 불균일 한 전하 분포는 전극 또는 세포가 최적화되지 않은 경우 특히 이러한 상황에서 발생할 수 있습니다. 불균일성은 궁극적으로 장치의 성능 저하 및 안전성 결과 구조 저하의 원인, 과충전 또는 방전의 로컬 영역에서 발생할 수 있습니다. 싱크로트론 X-선 microdiffraction 기술은 최근에 높은 속도 (18)에 충전 된 LiFePO4 전극에 전하 분포를 매핑하는 데 사용되었다. 이것은 외부 계를 수행되었지만 된 LiFePO4 산화 환원 반응의 두 단계 자연 본질적 curre 한번 전하 분포의 이완을 방지NT가 중단되었습니다. 이 실험을 위해, 부분적으로 충전 전극 단계 - 스캔 흑백 (6.02 케빈) X-선 빔과 회절 패턴이 각 단계에 대한 수집을 사용했다. 스캐닝은 부분 충전 코인 전지와 각형 전지에서 찍은 전극에 집 전체에 수직 및 평행을 모두 수행 하였다. 두 경우 모두에서, 전하의 불균등 분포는 더 높은 전류 집 부근 활물질보다는 청구 코인 전지 전극의 표면과, 관찰 하였다 부 가장 높은 각형 셀에서 찍은 전극 청구 탭에 가장 가까운 .
이러한 결과는 좋은 공간의 중요성뿐만 아니라 배터리 동작의 완전한 이해 향하는 싱크로 실험의 시간 해상도를 보여줍니다. 필드 진보로서, 3D에 전극 물질을 이미징하도록 기어드 새로운 기술들이 개발되고있다. 하나의 예제는 전체 필드 X-선 microsco의 겸용입니다그들은 세포의 방전 19시 니켈과 리튬 2 O로 전환을 시행으로 NiO의 전극에서 화학 및 형태 학적 변화를 수행 할 수 XANES와 평 (TXM). 이 실험에 대한 특별한 문제는, 그러나, 발생되는 많은 양의 데이터를 처리 할 수있다.
새로운 높은 처리량 비탄성 X-선 산란 구성은 또한 전지 재료의 기능에 미세한 세부 사항을 얻기 위해 최근 사용되어왔다. 예를 들면 전 현장 (20)을 이루어 결합 된 소프트 XAS (페 L-가장자리)과 된 LiFePO4 전극의 하드 X-선 라만 산란 연구를 포함한다. 후자는 소프트 X-선 XAS와 관련된 감도 하드 X-선 기술 (다양한 조건하에 동일 반응계에서 실험을 수행하기 위해 결국 예 대량 현상을 조사 할 수있는 능력과,,)의 장점을 결합하여 사용될 수있다 탄소와 산소 21의 낮은 Z 요소. 비 공진 탄력 X-선 scattering (NIXS)도 리 (2)의 리튬 산소 K-엣지를 측정하는 데 사용 된 O 2의 구조 (22)의 더 나은 이해를 초래 (유기 전해질 리튬 / 공기 배터리의 방전 생성물). NIXS의 감도는 가난하게 결정 물질 (예 : 방전을받은 배터리와 같이) 발생하는 경우에 특히 잘 빌려 준다.
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Disclosures
저자가 공개하는 게 없다.
Acknowledgments
이 작품은 에너지 효율을위한 차관과 신 재생 에너지, 계약 번호 DE-AC02-05CH11231에서 미국 에너지 국의 자동차 기술 사무소에 의해 지원됩니다. 이 연구의 일부는 스탠포드 방사광있는 광원, SLAC 국립 가속기 연구소의 이사회와 스탠포드 대학에서 과학의 에너지 사무실의 미국학과에 대한 운영 과학의 사용자 시설의 사무실에서 수행되었다. SSRL 구조 분자 생물학 프로그램은 생물 환경 연구의 DOE 사무소에 의해 지원되고, 건강, 연구 자원에 대한 국가 센터, 바이오 메디컬 기술 프로그램 (P41RR001209)의 국립 연구소에 의해.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Inert atmosphere glovebox | Vacuum Atmospheres | Custom order, contact vendors | Used during cell assembly and to store alkali metals and moisture sensitive components. (http://vac-atm.com) |
| Inert atmosphere glovebox | Mbraun | Various 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) | Panalytical | X'Pert Powder | X'Pert is a modular system. Many accessories available for specialized experiments. (www.panalytical.com) |
| X-ray powder diffractometer (XRD) | Bruker | Bruker D2 Phaser | Bruker D2 Phaser is compact and good for routine powder analyses. (www.bruker.com) |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | JSM7500F | High 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 Sealer | VWR | 11214-107 | Used to seal pouches for in situ work. (https://us.vwr.com) |
| Manual crimping tool | Pred Materials | HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320 | Used to seal coin cells. Match size to coin cell hardware. (www.predmaterials.com) |
| Coin cell disassembling tool | Pred Materials | Contact vendor | Used 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 knives | BYK Gardner | 4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329 | 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. (https://www.byk.com) |
| Doctor blades, Baker applicators | Pred Materials | Baker 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 applicator | BYK Gardner | 2101, 2105, 2121, 2122 | Optional. 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 applicator | Pred Materials | Contact vendor | Optional. 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/Galvanostat | Bio-Logic Science Instruments | VSP | Portable 5 channel computer-controlled potentiostat/galvanostat used to cycle cells for in situ experiments. (http://www.bio-logic.info) |
| Potentiostat/Galvanostat | Gamry Instruments | Reference 3000 | Portable single channel computer-controlled potentiostat/galvanostat used to cycle cells for in situ experiments. (www.gamry.com) |
| The Area Diffraction Machine | Free download | Used for analysis of 2D diffraction data. Mac and Windows versions available. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ | |
| IFEFFIT | Free download | Suite of interactive programs for XAS analysis, including Hephaestus, Athena, and Artemis. Available for Mac, Windows, and UNIX. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/ | |
| SIXPACK | Free download | XAS analysis program that builds on IFEFFIT. Windows and Mac versions. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html | |
| CelRef | Free download | Graphical 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 materials | various | Synthesized in-house or obtained from various suppliers. | |
| Synthetic flake graphite | Timcal | SFG-6 | Conductive additive for electrodes. (www.timcal.com) |
| Acetylene black | Denka | Denka Black | Conductive additive for electrodes. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html) |
| 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) | Sigma-Aldrich | 328634 | Used to make electrode slurries. (www.sigmaaldrich.com) |
| Al current collectors | Exopack | z-flo 2650 | Carbon-coated foils. Coated on one side. (http://www.exopackadvancedcoatings.com) |
| Al current collectors | Alfa-Aesar | 10558 | 0.025 mm (0.001 in) thick, 30 cm x 30 cm (12 in x 12 in), 99.45% (metals basis), uncoated (http://www.alfa.com) |
| Cu current collectors | Pred Materials | Electrodeposited Cu foil | For use with anode materials for Li-ion batteries. (www.predmaterials.com) |
| Lithium foil | Rockwood Lithium | Contact vendor | Anode for half cells. Available in different thicknesses and widths. Reactive and air sensitive. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under He or Ar (reacts with N2). (www.rockwoodlithium.com) |
| Lithium foil | Sigma-Aldrich | 320080 | Anode for half cells. Available in different thicknesses and widths. Reactive and air sensitive. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under He or Ar (reacts with N2). (www.sigmaaldrich.com) |
| Sodium ingot | Sigma-Aldrich | 282065 | Anodes for half cells. Can be extruded into foils. Reactive and air sensitive. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under He only. (www.sigmaaldrich.com) |
| Electrolyte solutions | BASF | Selectilyte P-Series contact vendor | Contact vendor for desired formulations. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes) |
| Dimethyl carbonate (DMC) | Sigma-Aldrich | 517127 | Used to wash electrodes for ex situ experiments. (www.sigmaaldrich.com) |
| Microporous separators | Celgard | 2400 | Polypropylene membranes (http://www.celgard.com) |
| Coin cell hardware (case, cap, gasket) | Pred Materials | CR2016, CR2025, CR2320, CR2032 | Match size to available crimping tool, Al-clad components also available. (www.predmaterials.com) |
| Wave washers | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Spacers | Pred Materials | SUS316L | (www.predmaterials.com) |
| Ni and Al pretaped tabs | Pred Materials | Contact vendor | Sizes subject to change. Inquire about custom orders. (www.predmaterials.com) |
| Polyester pouches | VWR | 11214-301 | Used to seal electrochemical cells for in situ work. Avoid heavy duty pouches because of strong signal interference. (https://us.vwr.com) |
| Kapton film | McMaster-Carr | 7648A735 | Used to cover electrodes for ex situ experiments, 0.0025 in thick (www.mcmaster.com) |
| Helium, Argon and 4-10% hydrogen in helium or argon | Air Products | contact vendor for desired compositions and purity levels | Helium or argon used to fill glovebox where cell assembly is carried out and alkali metal is stored. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx) |
| Do not use nitrogen because it reacts with lithium. Use only helium if sodium is being stored. Purity level needed depends on whether the glovebox is equipped with a water and oxygen removal system. Hydrogen mixtures needed to regenerate water/oxygen removal system, if present or any other suitable gas supplier |
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References
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