Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

विद्युत टेस्ट के प्रोटोकॉल और aprotic ली हे की विशेषता Published: July 12, 2016 doi: 10.3791/53740
Automatic Translation
1, 2, 1, 1
1Chemistry Sciences and Engineering Division, Argonne National Laboratory, 2X-ray Science Division, Advanced Photon Sources, Argonne National Laboratory

Introduction

1996 में, अब्राहम और जियांग 1 एक झरझरा कार्बन कैथोड, एक कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट, और एक ली धातु एनोड से मिलकर पहले प्रतिवर्ती गैर जलीय ली-ओ 2 बैटरी की सूचना दी। तब से, अपने बेहद उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा किसी भी अन्य मौजूदा ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के उस से अधिक घनत्व के कारण, ली-ओ 2 बैटरी, जो एनोड में लिथियम के ऑक्सीकरण से एक वर्तमान प्रवाह और कैथोड पर ऑक्सीजन की कमी (लाती समग्र प्रतिक्रिया ली + + O 2 + ई - ↔ ली 2 ओ 2), हाल ही में महत्वपूर्ण ब्याज प्राप्त हुआ है 1-8।

निम्नलिखित आवश्यकताओं के साथ एक कैथोड सामग्री ली-ओ के उच्च प्रदर्शन की जरूरतों को पूरा करने में सक्षम होगा 2 बैटरी: (1) तेजी से ऑक्सीजन प्रसार; (2) अच्छा इलेक्ट्रिक और ईओण चालकता; (3) उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र; और (4) स्थिरता। दोनों सतह क्षेत्र और कैथोड के porosity के लिए महत्वपूर्ण हैं। ली-ओ 2 बैटरी की विद्युत प्रदर्शन 9-12 झरझरा संरचना ठोस निर्वहन 2 हे के साथ ली फैटायनों की प्रतिक्रिया से उत्पन्न उत्पादों के बयान अनुमति देता है; और बड़े सतह क्षेत्रों Electrocatalytic कणों कि विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं में तेजी लाने को समायोजित करने के लिए और अधिक सक्रिय साइटों प्रदान करते हैं। इस तरह के electrocatalysts कुछ बयान विधियों, जो, सब्सट्रेट और उत्प्रेरक कणों का अच्छा नियंत्रण को मजबूत आसंजन प्रदान सब्सट्रेट के मूल झरझरा सतह की संरचना के संरक्षण के साथ द्वारा कैथोड सामग्री के लिए जोड़ रहे हैं। 13-17 के रूप में तैयार माल परीक्षण कर रहे हैं aprotic ली-ओ 2 बैटरी के कैथोड के रूप में Swagelok प्रकार की कोशिकाओं में। हालांकि, सेल के प्रदर्शन को न केवल कैथोड सामग्री की प्रकृति पर निर्भर करता है, लेकिन यह भी aprotic इलेक्ट्रोलाइट 18-22 और ली धातु एनोड के प्रकार पर। 23-26 अधिक प्रभावों राशि और सामग्री की एकाग्रता और शामिल पीप्रभारी / निर्वहन परीक्षण में इस्तेमाल rocedure। उचित शर्तों और प्रोटोकॉल का अनुकूलन और बैटरी सामग्री के समग्र प्रदर्शन में सुधार होगा।

विद्युत परीक्षण के परिणामों के अलावा, बैटरी प्रदर्शन भी प्राचीन सामग्री और प्रतिक्रिया उत्पादों निस्र्पक द्वारा मूल्यांकन किया जा सकता है। 27-33 स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) कैथोड सामग्री और आकृति विज्ञान की सतह microstructure जांच करने के लिए प्रयोग किया जाता है मुक्ति उत्पादों का विकास। संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (मंदिर), एक्स-रे बढ़त संरचना (XANES) के पास अवशोषण, और एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) विशेष रूप से उत्प्रेरक नैनोकणों के उस के लिए, फैटी, रासायनिक राज्य, और तत्वों के घटक निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। उच्च ऊर्जा एक्स-रे विवर्तन (XRD) सीधे क्रिस्टलीय निर्वहन उत्पादों की पहचान के लिए प्रयोग किया जाता है। संभव इलेक्ट्रोलाइट अपघटन तनु कुल प्रतिबिंब फूरियर द्वारा निर्धारित किया जा सकता बदलनाअवरक्त (एटीआर FTIR) और रमन स्पेक्ट्रा।

यह लेख एक प्रोटोकॉल है कि aprotic ली-ओ 2 बैटरी का नियमित परीक्षण, बैटरी सामग्री और उपकरणों की तैयारी, विद्युत प्रदर्शन परीक्षण, और प्राचीन सामग्री और प्रतिक्रिया उत्पादों के लक्षण वर्णन सहित का एक व्यवस्थित और कुशल व्यवस्था को दर्शाता है। विस्तृत वीडियो प्रोटोकॉल मदद करने के लिए क्षेत्र में नए चिकित्सकों के कई आम प्रदर्शन परीक्षण और ली-ओ 2 बैटरी के लक्षण वर्णन के साथ जुड़े नुकसान से बचने का इरादा है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

उपयोग करने से पहले सभी प्रासंगिक सामग्री सुरक्षा डाटा शीट (MSDS) से परामर्श करें। इन syntheses में प्रयुक्त रसायनों के कई तीव्रता से विषाक्त और कैंसर हैं। Nanomaterials उनके थोक समकक्ष की तुलना में अतिरिक्त खतरों हो सकता है। जब एक nanocrystal प्रतिक्रिया प्रदर्शन इंजीनियरिंग नियंत्रण (धूआं हुड, glovebox) और व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरणों के उपयोग सहित सभी उचित सुरक्षा प्रथाओं का उपयोग करें (सुरक्षा चश्मा, दस्ताने, प्रयोगशाला कोट, पैंट पूरी लंबाई, बंद पैर के जूते)। निम्नलिखित प्रक्रियाओं के भाग मानक एयर हैंडलिंग मुक्त तकनीकों को शामिल करना।

1. कैथोड सामग्री का संश्लेषण

नोट: कैथोड सामग्री या तो परमाणु परत बयान या गीला रसायन विज्ञान प्रतिक्रिया से संश्लेषित किया जा सकता है।

  1. परमाणु परत बयान (ALD)
    1. 12 घंटे के लिए चुंबकीय सरगर्मी के तहत 100 एमएल 1 एम KMnO 4 समाधान में झरझरा कार्बन के 5 ग्राम फैलाने।
    2. वें में से 100 मिलीग्राम बिखराई ALD साधन की एक स्टेनलेस स्टील ट्रे पर कार्बन पाउडर ऑक्सीकरण, और ट्रे पर एक स्टेनलेस स्टील जाल कवर दबाना।
    3. 30 मिनट के लिए 1 Torr के दबाव में 300 SCCM अति उच्च शुद्धता नाइट्रोजन वाहक गैस के निरंतर प्रवाह के तहत 200 डिग्री सेल्सियस पर ट्रे में कार्बन पाउडर पकड़ो।
    4. इस प्रकार के रूप में एक पूरी ALD चक्र के साथ कार्बन पाउडर समझो।
      नोट: इस प्रोटोकॉल में electrocatalysts का एक उदाहरण के रूप में पी.डी. नैनोकणों ले लो। अभिकर्मकों विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार बदला जा सकता है। सभी अभिकर्मकों किसी भी आगे की शुद्धि के बिना के रूप में प्राप्त किया जाता है।
      1. 100 मिनट के लिए 200 डिग्री सेल्सियस पर पैलेडियम hexafluoroacetylacetonate करने के लिए कार्बन सब्सट्रेट (100 मिलीग्राम) (पीडी (hfac) 2, 99.9%) बेनकाब।
      2. 300 मिनट के लिए 1 Torr के दबाव में 300 SCCM अति उच्च शुद्धता नाइट्रोजन वाहक गैस के निरंतर प्रवाह के साथ ट्रे पर्ज।
      3. 100 मिनट के लिए 200 डिग्री सेल्सियस पर formalin के लिए कार्बन सब्सट्रेट (HCHO 37 गुम्मट। में एच 2 ओ%) बेनकाब।
      4. शुद्ध टीवह 300 मिनट के लिए 1 Torr के दबाव में 300 SCCM अति उच्च शुद्धता नाइट्रोजन गैस वाहक के सतत प्रवाह के साथ ट्रे।
    5. दोहराएँ ALD चक्र के रूप में आवश्यक है। आमतौर पर 3-10 repetitions।
  2. गीले-रसायन विज्ञान रिएक्शन
    नोट: इस प्रोटोकॉल में electrocatalyst का एक उदाहरण के रूप में फे नैनोकणों ले लो। अभिकर्मकों विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार बदला जा सकता है। सभी अभिकर्मकों किसी भी आगे की शुद्धि के बिना के रूप में प्राप्त किया जाता है।
    1. 12 घंटे के लिए चुंबकीय सरगर्मी के तहत 100 एमएल 1 एम KMnO 4 समाधान में झरझरा कार्बन के 5 ग्राम फैलाने।
    2. विआयनीकृत पानी के साथ ऑक्सीकरण कार्बन धो लें।
    3. एक फिल्टर कुप्पी एक ग्लास फाइबर के साथ फिट से धोया कार्बन फिल्टर, और फिर 12 घंटे के लिए 110 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में सूखी।
    4. विआयनीकृत पानी 100 मिलीलीटर में सूखे कार्बन फैलाने, तो चुंबकीय सरगर्मी के तहत FeCl 3 में से 1 ग्राम जोड़ें।
    5. 9 के बारे में पीएच मान को समायोजित 1 एम NaOH समाधान का उपयोग कर।
    6. आर हिलाओ5 घंटे के लिए घोल esulting, और फिर एक फिल्टर कुप्पी एक ग्लास फाइबर से सुसज्जित के साथ घोल फिल्टर।
    7. विआयनीकृत पानी और इथेनॉल के साथ उत्पाद धो लें। फिर रात भर के लिए 110 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में सूखी।
    8. एक क्वार्ट्ज ट्यूब भट्ठी में एच 2 / AR मिश्रण (4% एच 2) के सतत प्रवाह के साथ 450 डिग्री सेल्सियस पर उत्पाद गर्मी का इलाज। 5 घंटे के लिए 100 मिलीग्राम / मिनट के प्रवाह की दर का प्रयोग करें।

2. इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट की तैयारी

  1. कैथोड
    1. 1 वजन अनुपात: एक 4 में के रूप में तैयार कैथोड सामग्री और बांधने की मशीन पाली (vinylidene फ्लोराइड) (PVDF) मिक्स।
      नोट: मिश्रण की कुल कैथोड की मात्रा पर निर्भर करता है। एक टुकड़े पर कैथोड सामग्री की लोडिंग 0.1-1 मिलीग्राम की रेंज में है।
    2. 1-मिथाइल-2-pyrrolidinone (एनएमपी) मिश्रण में जोड़ें, और अच्छी तरह से हलचल एक भी बनावट घोल बनाने के लिए। एनएमपी के बारे में तीन बार मिश्रण के वजन में जोड़ें।
    3. कोट कार्बो पर घोल100 माइक्रोन के चारों ओर एक मोटाई के साथ एक डॉक्टर ब्लेड से n कागज।
    4. रात भर के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर एक वैक्यूम ओवन में टुकड़े टुकड़े सूखी।
    5. 7/16 इंच की एक व्यास के लिए एक छेद छेदने के साथ डिस्क में टुकड़े टुकड़े पंच, और यह वजन।
  2. aprotic इलेक्ट्रोलाइट
    1. सूखी लिथियम trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 इतनी 3) रात भर के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर एक वैक्यूम ओवन में।
    2. Tetraethylene ग्लाइकोल डाइमिथाइल ईथर में LiCF 3 इतनी 3 सूखे जोड़ें; 1 मोल / एल के एक एकाग्रता के साथ (TEGDME एच 2 ओ ~ 10 पीपीएम), तो चुंबकीय सरगर्मी के साथ समाधान हलचल जब तक नमक भंग कर रहा है।
    3. गिरफ्तारी के साथ भरा एक glovebox में इलेक्ट्रोलाइट रखें।
  3. एनोड
    1. 7/16 इंच की एक व्यास के लिए एक छेद छेदने के साथ डिस्क में लिथियम पन्नी / चिप्स पंच।

3. विद्युत परीक्षण

  1. Swagelok सेल के विधानसभा </ Strong>
    नोट: सभी विधानसभा के कदम, गिरफ्तारी के साथ भरा एक glovebox में संचालित कर रहे हैं 3.1.9 छोड़कर।
    1. Swagelok सेट इकट्ठा के रूप में चित्रा 1 ए में दिखाया गया है। एनोड अंत कस, और कैथोड अंत ढीला।
    2. एनोड अंत के स्टेनलेस स्टील रॉड के शीर्ष पर लिथियम धातु चिप (व्यास 7/16 इंच) का एक टुकड़ा डाल दिया।
    3. लिथियम धातु एनोड के शीर्ष पर ग्लास फाइबर सेपरेटर (व्यास 1/2 इंच) का एक टुकड़ा डाल दिया।
    4. इलेक्ट्रोलाइट की 5-7 बूँदें पूरी तरह से ग्लास फाइबर सेपरेटर गीला करने के लिए जोड़ें। धीरे बुलबुले को दूर करने के लिए विभाजक दबाएँ।
    5. एनोड का सामना करना पड़ सक्रिय सामग्री के साथ गीला विभाजक के शीर्ष पर कैथोड का एक टुकड़ा रखो।
    6. एल्यूमीनियम जाल (व्यास 7/16 इंच) के एक टुकड़े के साथ कैथोड कवर।
    7. प्रेस एल्यूमीनियम ट्यूब के साथ उपरोक्त परतों, तो कैथोड अंत कस लें।
    8. एक गिलास कक्ष में पूरे Swagelok सेल सील, और के रूप में दिखाया गया है, एक क्लैंप के साथ चैम्बर को ठीक
    9. glovebox से बाहर पूरे सेल ले लो। एक अति उच्च शुद्धता ऑक्सीजन टैंक के लिए कांच चैम्बर कनेक्ट करें, और 30 मिनट के लिए 1 एटीएम दबाव में निरंतर ऑक्सीजन का प्रवाह के साथ इसे शुद्ध करना।
  2. बैटरी प्रदर्शन परीक्षण
    1. 25 डिग्री सेल्सियस के लिए एक थर्मोस्टेट सेट करें।
    2. थर्मोस्टेट में कोशिकाओं और इलेक्ट्रोड (इलेक्ट्रॉनिक एक केबल द्वारा उपकरण से जुड़ा क्लिप) रखो, और उन्हें ठीक।
    3. इलेक्ट्रॉनिक क्लिप इसी के साथ कैथोड और कांच के कक्ष पर एनोड क्लिप।
    4. बैटरी परीक्षण प्रणाली के संचालन सॉफ्टवेयर खोलें, और चैनल केबल के साथ जुड़ा का चयन करें।
    5. विद्युत परीक्षण के लिए एक प्रक्रिया निर्धारित करें।
      नोट: 100 मा / छ सक्रिय सामग्री की वर्तमान घनत्व निर्धारित करें, और 2.2-4.5 वी की वोल्टेज रेंज
      1. निर्वहन परीक्षण के लिए 2.2 वी के निर्वहन कट-ऑफ वोल्टेज सेट।
      2. मुक्ति / प्रभारी क्षमता नियंत्रित साइकिल चालन परीक्षण के लिए 5 या 10 घंटा के कदम-समय निर्धारित करें। 2.2 वी और आरोप 4.5 वी वोल्टेज नियंत्रित साइकिल चालन परीक्षण के लिए की कट ऑफ वोल्टेज के निर्वहन कट-ऑफ वोल्टेज सेट।
    6. सॉफ्टवेयर इंटरफेस पर "रन" बटन पर क्लिक करके प्रक्रिया चलाएँ।
  3. Disassembly और सेल की सफाई
    1. एक glovebox में कोशिकाओं को अलग करना।
    2. निम्नलिखित अभिलक्षण के लिए कांच की शीशियों में इलेक्ट्रोड रखें। glovebox से बाहर अन्य सेल भागों स्थानांतरण।
    3. एक बीकर में Swagelok भागों, स्टेनलेस स्टील की छड़, एल्यूमीनियम ट्यूब, एल्यूमीनियम और meshes एसीटोन समाधान (~ 20%) या विआयनीकृत पानी में डाल दिया, और 15-30 मिनट के लिए ultrasonication के साथ उन्हें साफ।
    4. एक थर्मोस्टेट 60-80 डिग्री सेल्सियस के लिए सेट में भागों और कांच कक्षों सूखी।

4. विशेषता नमूने की तैयारी

नोट: नमूनों (के रूप में तैयार माल के लिए) एक हुड में तैयार कर रहे हैं या एक glovebox (हवा के लिए गिरफ्तारी के साथ भरासंवेदनशील नमूनों)।

  1. SEM और एक्सपीएस के लिए नमूनों
    1. नमूना मंच पर एक कार्बन टेप चिपका। कार्बन टेप नमूना मंच के रूप में बड़े रूप में, या नमूना टुकड़े के रूप में छोटे रूप में हो सकता है।
    2. 5 मिमी 2 के बारे में नमूना का एक टुकड़ा काट, और कार्बन टेप पर चिपके रहते हैं।
      नोट: नमूना किसी भी गैर-चुंबकीय नमूनों हो सकता है। विद्युत परीक्षण के बाद नमूनों के लिए, कार्बन टेप करने के लिए छड़ी से पहले इलेक्ट्रोलाइट विलायक के साथ उन्हें धोने।
    3. माप से पहले एक मेसन जार में हवा के प्रति संवेदनशील नमूनों सील।
    4. निर्माता के निर्देशों के अनुसार SEM 34-36 या XPS 37,38 कार्य करते हैं।
  2. मंदिर के लिए नमूनों
    1. चक्की 1 नमूना पाउडर के मिग्रा।
      नोट: इलेक्ट्रोड नमूनों के लिए, मिलिंग से पहले कार्बन पेपर बंद सक्रिय सामग्री परिमार्जन।
    2. एक तांबे ग्रिड पर नमूना पाउडर लोड, और ढीला पाउडर को हटा दें।
    3. लोड तांबा जीमंदिर का नमूना धारक के लिए छुटकारा।
      नोट: यह कदम एयर संवेदनशील नमूने के लिए जितनी जल्दी हो सके काम मिलता है।
    4. मंदिर प्रदर्शन करना। 39-41
  3. उच्च ऊर्जा XRD के लिए नमूनों
    1. पाउडर नमूनों
      1. मिट्टी या गोंद से एक Polyimide ट्यूबिंग के एक छोर सील।
      2. ट्यूबिंग में पाउडर लोड।
      3. ट्यूबिंग के दूसरे छोर सील।
    2. डिस्क नमूनों
      नोट: इलेक्ट्रोड पर सक्रिय सामग्री को मापने के लिए, एक और विकल्प उन्हें कार्बन पेपर परिमार्जन और कदम 4.3.1 का पालन करने के लिए है।
      1. पॉलियामाइड टेप का एक टुकड़ा के साथ नमूना टुकड़े सील। टेप के एक टुकड़े के बीच में नमूने डाल, और उन्हें टेप का एक टुकड़ा के साथ कवर द्वारा सील।
        नोट: विद्युत परीक्षण के बाद नमूनों के लिए, सीलिंग से पहले इलेक्ट्रोलाइट विलायक के साथ उन्हें धोने।
    3. उन्नत पीएच में उच्च ऊर्जा XRD 42-44 प्रचालनArgonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला में Oton सूत्रों का कहना है।
  4. XANES के लिए नमूनों
    1. पाउडर के नमूने
      1. नमूने पतला यदि मापा तत्व की एकाग्रता अधिक है, या तो बोरान नाइट्राइड (बीएन) या कार्बन पतला एजेंट के रूप में काले रंग का उपयोग। इधर, 3-5 गुम्मट के लिए पतला। %।
      2. 7 मिमी व्यास और लगभग 1 मिमी की मोटाई के साथ डिस्क में पाउडर प्रेस एक KBR प्रेस किट का उपयोग कर और 7 मिमी सेट मरो।
      3. खिड़की फिल्म के साथ डिस्क सील।
    2. डिस्क नमूनों
      1. खिड़की फिल्म के साथ नमूना सील।
    3. प्रचालन उच्च ऊर्जा XANES Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला में उन्नत फोटॉन सूत्रों में 45-47।
  5. एटीआर FTIR के लिए नमूनों
    1. पहले और माप के बाद साफ हीरे तनु कुल प्रतिबिंब (एटीआर) इकाई।
    2. सभी इच्छुक नमूने के लिए हीरे की इकाई पर नमूनों रखो।
    3. प्रदर्शन करना एटीआर FTIR स्पेक्ट्रोमेट्री। 48,49
  6. रमन स्पेक्ट्रा के लिए नमूनों
    1. एक फ्लैट बोर्ड पर नमूना रखो (कांच, स्टेनलेस स्टील, आदि।)।
    2. एक कवर स्लाइड के साथ नमूना कवर।
    3. हवा के प्रति संवेदनशील नमूने के लिए सेट सील।
    4. रमन स्पेक्ट्रोमेट्री प्रदर्शन करना। 50,51

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

चित्रा 1 ए ली-ओ 2 बैटरी टेस्ट के Swagelok प्रकार सेल की स्थापना से पता चलता है। लिथियम फिल्म के एक टुकड़े एनोड अंत में एक स्टेनलेस स्टील रॉड पर रखा गया है। झरझरा कैथोड एक एल्यूमीनियम ट्यूब के माध्यम से शुद्ध हे 2 के लिए खुला है। ग्लास फाइबर एक विभाजक और aprotic इलेक्ट्रोलाइट की एक अवशोषक के रूप में प्रयोग किया जाता है; और अल-जाल एक मौजूदा कलेक्टर के रूप में प्रयोग किया जाता है। पूरे Swagelok प्रकार सेल एक गिलास अति उच्च शुद्धता ऑक्सीजन के साथ भरा कक्ष में बंद है। में गहराई से अध्ययन के लिए, कई तरीकों लक्षण वर्णन के रूप में तैयार इलेक्ट्रोड सामग्री और प्रतिक्रिया उत्पादों सहित बैटरी प्रणाली की जांच के लिए लागू कर रहे हैं। SEM और मंदिर छवियों नमूने के microstructure प्रस्तुत करते हैं। इससे पहले चित्रा (1 सी) और बाद में (चित्रा -1) उत्प्रेरक लोड हो रहा है कार्बन पाउडर के SEM छवियों झरझरा सतह की संरचना की एक अच्छी तरह से संरक्षण प्रदर्शित करता है। मंदिर छवियों (चित्रा 1E) शोएस electrocatalyst नैनोकणों समान रूप से कार्बन सब्सट्रेट पर वितरित; और अच्छी तरह से सघन नैनोकणों चित्रा 1F में उच्च संकल्प मंदिर छवि में दिखाया जाता है। हालांकि इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों विस्तार आकृति विज्ञान और electrocatalysts की संरचना दिखाने के लिए, अन्य एक्स-रे आधारित तकनीकों के लक्षण वर्णन उनकी रासायनिक संरचना और valance राज्य के बारे में अधिक जानकारी प्रदान कर सकते हैं। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है 1 बी, 13 XANES स्पेक्ट्रा, जो संयोजक राज्यों का निर्धारण करने के लिए लागू कर रहे हैं, बताते हैं कि electrocatalyst नैनोकणों आंशिक रूप से हवा में कैथोड की तैयारी के कारण ऑक्सीकरण हो जाता है।

के रूप में तैयार कैथोड सामग्री 2.2-4.5 वी के एक वोल्टेज खिड़की (बनाम ली + / ली) में Swagelok प्रकार की कोशिकाओं में परीक्षण कर रहे हैं। मुक्ति और मुक्ति प्रभारी चक्र के लिए विशिष्ट वोल्टेज प्रोफाइल चित्रा 2A और बी में दिखाया जाता है। electroca की उपस्थिति के साथALD से भरी हुई talyst, मुक्ति विशिष्ट क्षमता electrocatalysts (905 एमएएच / छ) के बिना कैथोड की तुलना में जब सेल 2.2 वी के लिए छुट्टी दे दी है 4,000 mAh / जी की वृद्धि हुई। जब सेल क्षमता 500 एमएएच / जी (चित्रा 2 बी) पर नियंत्रित किया जाता है, जो नंगे कार्बन cathodes के लिए 4 वी (चित्रा 2 बी) के प्रभारी क्षमता के साथ की तुलना में महत्वपूर्ण सुधार कर रहे प्रभारी संभावित 3.4 वी करने के लिए कम। बेहतर बैटरी प्रदर्शन का मूल्यांकन करने और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया तंत्र को समझने के लिए विभिन्न मुक्ति / प्रभारी चरणों में नमूने लक्षण वर्णन कई उन्नत तकनीक का उपयोग कर के अधीन हैं। के रूप में चित्रा -2 सी में दिखाया छुट्टी दे दी कैथोड के SEM छवि में, मुक्ति उत्पादों toroidal आकार, जो व्यापक रूप से एक ली हे 2 सेल। 15,52 XRD पैटर्न में ली 2 ओ 2 के प्राथमिक आकृति विज्ञान के रूप में स्वीकार कर रहे हैं के रूप में प्रयोग किया जाता है एक प्रत्यक्ष प्रमाण क्रिस्टलीय उत्पादों की पहचान करने के लिए। वहाँ एकली 2 की ही चोटियों हे 2 और छुट्टी दे दी कैथोड (चित्रा 2 डी) के XRD पैटर्न में कार्बन, सुझाव है कि पक्ष प्रतिक्रियाओं सेल में कम कर रहे हैं रहे हैं।

एक्सपीएस और रमन स्पेक्ट्रा अलग प्रभारी / निर्वहन स्थिति पर इलेक्ट्रोड पर सतह की संरचना की पहचान करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। एक्सपीएस स्पेक्ट्रा (चित्रा 3 ए), ली 2 ओ 2 और निर्वहन करने के बाद कैथोड सतह पर LiOH प्रपत्र के अनुसार; और चार्ज द्वारा ली 2 ओ 2 कम हो जाता है लेकिन अपरिवर्तनीय उत्पाद LiOH सतह पर बनी हुई है। Lio 2 के एक मामूली राशि, एक इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण ORR की एक मध्यवर्ती उत्पाद, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी से पता चला है (चित्रा 3 बी)। Lio 2 अपनी आसान disproportionation, जो केवल रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी की तरह सतह के प्रति संवेदनशील लक्षण वर्णन तकनीक से पता लगाया बनाता के कारण metastable है। ओह, और सी के कंपन संकेत में हे बंधन = फुट आईआर स्पेक्ट्रा (चित्रा -3 सी और डी) ली एनोड की सतह या ग्लास फाइबर सेपरेटर, जो इस तरह के रूप में इलेक्ट्रोलाइट पक्ष प्रतिक्रियाओं में फार्म पर ईथर इलेक्ट्रोलाइट की उपस्थिति के साथ ही अन्य हाइड्रोक्साइड, कार्बोनेट, या कार्बोनिल प्रजातियों को इंगित करता है अपघटन और ऑक्सीजन विदेशी प्रभाव।

आकृति 1
चित्रा 1. Swagelok प्रकार सेल और के रूप में तैयार माल। (क) एक Swagelok प्रकार सेल एक गिलास कक्ष में सील के Schematics। (ख) पीडी कश्मीर बढ़त के रूप में तैयार कैथोड सामग्री, रेफरी से reprinted के स्पेक्ट्रा XANES। 13. (सी, डी) कार्बन पाउडर के SEM छवियों से पहले और electrocatalyst लोड हो रहा है, क्रमशः के बाद। (ई, एफ) मंदिर और electrocatalyst के साथ कार्बन पाउडर, क्रमशः की HRTEM छवियों।.com / फ़ाइलें / ftp_upload / 53740 / 53740fig1large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. मुक्ति / प्रभारी प्रक्रिया और छुट्टी दे दी cathodes के लक्षण वर्णन का वोल्टेज प्रोफाइल। (क, ख) वोल्ट 2.2 वी और एक क्षमता नियंत्रित मुक्ति प्रभारी चक्र क्रमश: एक छुट्टी के प्रोफ़ाइल। (ग, घ) SEM छवि और कैथोड Swagelok प्रकार ली-ओ 2 बैटरी में छुट्टी की उच्च ऊर्जा XRD पैटर्न, क्रमशः। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्र तीन। (क) एक्सपीएस स्पेक्ट्रा, रेफरी से reprinted। 13. (ख) 2.5 वी (ग, घ) एनोड और विभाजक निर्वहन प्रभारी चक्र के बाद की FTIR स्पेक्ट्रा के लिए छुट्टी दे दी कार्बन cathodes के रमन स्पेक्ट्रा, क्रमशः। यहां यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करें।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

हवा के लिए ली-ओ 2 बैटरी प्रणाली की संवेदनशीलता, विशेष रूप से सीओ 2 और नमी को देखते हुए, प्रोटोकॉल में कदम के बहुत सारे आदेश interferents कम करने के लिए और पक्ष प्रतिक्रियाओं से बचने के लिए जरूरी हैं। उदाहरण के लिए, Swagelok प्रकार सेल हे 2 <0.5 पीपीएम और एच 2 ओ <0.5 पीपीएम के साथ गिरफ्तारी के साथ भरा एक glovebox में इकट्ठा किया जाता है; और सभी कैथोड सामग्री, इलेक्ट्रोलाइट विलायक और नमक, ग्लास फाइबर, Swagelok भागों, और कांच कक्षों विधानसभा से पहले सूख रहे हैं नमी प्रदूषण को कम करने के लिए। एनोड अंत आदेश लिथियम धातु और ओ 2 के बीच सीधे संपर्क से बचने के लिए और लिथियम एनोड की रक्षा के लिए एक स्टेनलेस स्टील रॉड है। पूरे Swagelok सेटअप एक शुद्ध ऑक्सीजन से भरे गिलास चैम्बर जो हे अंगूठी और वैक्यूम ग्रीस के साथ सील करके एक रिसाव प्रूफ कंटेनर की गारंटी में रखा गया है। इसके अलावा, अल-मेष, वर्तमान कलेक्टर, भंगुर कार्बन कैथोड की रक्षा करने में मदद कर सकते हैं।

चुनावtrochemical परीक्षण है कि के रूप में तैयार कैथोड सामग्री ली-ओ 2 बैटरी में एक बेहतर विद्युत व्यवहार दिखाया प्रदर्शित करता है। कि के कारण, उत्प्रेरक नैनोकणों समान रूप से उच्च सतह क्षेत्र कार्बन समर्थन पर बिखरे थे, और झरझरा संरचना और सतह के क्षेत्र में अच्छी तरह उत्प्रेरक बयान इस प्रोटोकॉल में इस्तेमाल किया तरीकों से रखे थे। Nonaqueous ली-ओ 2 बैटरी के समग्र प्रतिक्रिया 2Li है + + O 2 + 2 ई - → ली 2 2 हे ऐसे इलेक्ट्रोलाइट अपघटन के रूप में 2,3,7 पक्ष प्रतिक्रियाओं, यह भी माल की गतिविधि के कारण होने की संभावना है। और मध्यवर्ती एक सेल में इस्तेमाल किया। हालांकि, वर्तमान स्तर पर अनुसंधान के क्षेत्र में, पक्ष प्रतिक्रियाओं और उपोत्पाद (LiOH, ली 2 3 सीओ, आदि।) काफी सामग्री और संश्लेषण प्रौद्योगिकियों के सुधार के साथ कम हो गई है। जैसा कि चित्र 2 डी में दिखाया गया है, हालांकि वहां bypr की एक छोटी राशि हो सकता हैoducts, राशि बहुत कम XRD से पता लगाया जा रहा है। ऐसे एक्सपीएस, एफटी-आईआर, और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, के रूप में कुछ सतह के प्रति संवेदनशील तकनीक, इसलिए, विशेष रूप से सतह क्षेत्र पर, नाबालिग उत्पादों का पता लगाने के लिए किया जाता है। इसमें कोई शक नहीं है कि इलेक्ट्रोलाइट्स की स्थिरता ऑक्सीजन पर्यावरण और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं में बहुत महत्वपूर्ण है नहीं है। व्योम आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स (जैसे, TEGDME) ली-ओ 2 बैटरी अनुसंधान के वर्तमान स्तर पर अपेक्षाकृत स्थिर रहे हैं। हालांकि, उनके व्यवहार अभी भी लंबी अवधि साइकिल चालन के दौरान जांच करने की जरूरत है; और स्थिर इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए खोज अनुसंधान प्राथमिकता वर्तमान में है।

कुछ अन्य लक्षण वर्णन ऐसे मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एमएस) और अनुमापन के रूप में निर्वहन उपज स्थापित करने के तरीकों, या byproducts, कर रहे हैं। हालांकि, मौजूदा अनुसंधान चरण में, बैटरी प्रणाली और अधिक स्थिर और प्रतिवर्ती है, और उपोत्पाद काफी इलेक्ट्रोलाइट और कैथोड सामग्री के विकास की कमी की गई हैजो ऑक्सीजन और छुट्टी के उत्पादों। 3,13,15 इस मामले में करने के लिए और अधिक स्थिर हो गया है, एमएस और अनुमापन काफी संवेदनशील मुक्ति उपज अनुमान लगाने के लिए नहीं कर रहे हैं। इसके अलावा, Lio 2, मध्यवर्ती उत्पाद, अनुमापन द्वारा, अपने चरम गतिविधि के कारण नहीं पाया जा सकता हैं या तो।

इस अनुच्छेद में, हम aprotic ली-ओ 2 बैटरी का नियमित परीक्षण, प्रदर्शन परीक्षण और बैटरी सामग्री और प्रतिक्रिया उत्पादों के लक्षण वर्णन सहित का एक व्यवस्थित और कुशल प्रोटोकॉल का प्रदर्शन किया है। उत्प्रेरक का एक समान वितरण में उत्प्रेरक लोड हो रहा है परिणाम के दृष्टिकोण कार्बन सब्सट्रेट की सतह की संरचना के संरक्षण के साथ नैनोकणों। उचित विधानसभा प्रोटोकॉल सक्रिय सामग्री का अनुकूलन और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए शुद्ध-ओ 2 वातावरण सुनिश्चित करता है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 99.5% Sigma-Aldrich 328634
Battery test system MACCOR Series 4000 Automated Test System
Dimethyl carbonate (DMC), ≥99% Sigma-Aldrich 517127
Ethyl alcohol, ≥99.5% Sigma-Aldrich 459844
Formaldehyde solution, 37 wt. % in H2O Sigma-Aldrich 252549
Graphitized Carbon black, >99.95% Sigma-Aldrich 699632
Iron(III) chloride (FeCl3), 97% Sigma-Aldrich 157740
Kapton polyimide tubing Cole-Parmer EW-95820-09
Kapton polymide tape Cole-Parmer EW-08277-80
Kapton window film SPEX Sample Prep 3511
Lithium Chip (99.9% Lithium) MTI Corporation EQ-Lib-LiC25
Lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF3SO3) Sigma-Aldrich 481548
Palladium hexafluoroacetylacetonate (Pd(hfac)2), 99.9% Aldrich 401471
Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) Aldrich 182702
Potassium permanganate (KMnO4), ≥99.0%  Sigma-Aldrich 223468
Sodium hydroxide (NaOH), ≥97.0% Sigma-Aldrich 221465
Tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), ≥99% Aldrich 172405
Toray 030 carbon paper ElectroChem Inc. 590637

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Abraham, K. M., Jiang, Z. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery. J. Electrochem. Soc. 143, 1-5 (1996).
  2. Bruce, P. G., Freunberger, S. A., Hardwick, L. J., Tarascon, J. -M. Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage. Nat. Mater. 11, 19-29 (2012).
  3. Lu, J., et al. Aprotic and Aqueous Li-O2 Batteries. Chem. Rev. 114, 5611-5640 (2014).
  4. Black, R., Adams, B., Nazar, L. F. Non-Aqueous and Hybrid Li-O2 Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 801-815 (2012).
  5. Bruce, P. G., Hardwick, L. J., Abraham, K. M. Lithium-air and lithium-sulfur batteries. MRS Bull. 36, 506-512 (2011).
  6. Christensen, J., et al. A Critical Review of Li/Air Batteries. J. Electrochem. Soc. 159, 1-30 (2012).
  7. Girishkumar, G., McCloskey, B., Luntz, A. C., Swanson, S., Wilcke, W. Lithium-Air Battery: Promise and Challenges. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2193-2203 (2010).
  8. Lu, J., Amine, K. Recent Research Progress on Non-aqueous Lithium-Air Batteries from Argonne National Laboratory. Energies. 6, 6016-6044 (2013).
  9. Ding, N., et al. Influence of carbon pore size on the discharge capacity of Li-O2 batteries. J. Mater. Chem. A. 2, 12433 (2014).
  10. Nimon, V. Y., Visco, S. J., De Jonghe, L. C., Volfkovich, Y. M., Bograchev, D. A. Modeling and Experimental Study of Porous Carbon Cathodes in Li-O2 Cells with Non-Aqueous Electrolyte. ECS Electrochem. Lett. 2, 33-35 (2013).
  11. Ottakam Thotiyl, M. M., Freunberger, S. A., Peng, Z., Bruce, P. G. The Carbon Electrode in Nonaqueous Li-O2 Cells. J. Am. Chem. Soc. 135, 494-500 (2012).
  12. Park, J. -B., Lee, J., Yoon, C. S., Sun, Y. -K. Ordered Mesoporous Carbon Electrodes for Li-O2 Batteries. Acs Appl. Mater. Interfaces. 5, 13426-13431 (2013).
  13. Lei, Y., et al. Synthesis of porous carbon supported palladium nanoparticle catalysts by atomic layer deposition: application for rechargeable lithium-O2 battery. Nano Lett. 13, 4182-4189 (2013).
  14. Lu, J., et al. Effect of the size-selective silver clusters on lithium peroxide morphology in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 5, 4895 (2014).
  15. Lu, J., et al. A nanostructured cathode architecture for low charge overpotential in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2383 (2013).
  16. Lu, J., et al. Synthesis and characterization of uniformly dispersed Fe3O4/Fe nanocomposite on porous carbon: application for rechargeable Li-O2 batteries. RSC Adv. 3, 8276-8285 (2013).
  17. Luo, X., et al. Pd nanoparticles on ZnO-passivated porous carbon by atomic layer deposition: an effective electrochemical catalyst for Li-O2 battery. Nanotechnology. 26, 164003 (2015).
  18. Freunberger, S. A., et al. The Lithium-Oxygen Battery with Ether-Based Electrolytes. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 8609-8613 (2011).
  19. Laoire, C. O., Mukerjee, S., Abraham, K. M., Plichta, E. J., Hendrickson, M. A. Influence of Nonaqueous Solvents on the Electrochemistry of Oxygen in the Rechargeable Lithium-Air Battery. J. Phys. Chem. C. 114, 9178-9186 (2010).
  20. McCloskey, B. D., Bethune, D. S., Shelby, R. M., Girishkumar, G., Luntz, A. C. Solvents' Critical Rope in Nonaqueous Lithium-Oxygen Battery Electrochemistry. J. Phys. Chem. Lett. 2, 1161-1166 (2011).
  21. Assary, R. S., et al. Molecular-Level Insights into the Reactivity of Siloxane-Based Electrolytes at a Lithium-Metal Anode. ChemPhysChem. 15, 2077-2083 (2014).
  22. Du, P., et al. Compatibility of lithium salts with solvent of the non-aqueous electrolyte in Li-O2 batteries. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 5572-5581 (2013).
  23. Aleshin, G. Y., et al. Protected anodes for lithium-air batteries. Solid State Ion. 184, 62-64 (2011).
  24. Assary, R. S., et al. The Effect of Oxygen Crossover on the Anode of a Li-O2 Battery using an Ether-Based Solvent: Insights from Experimental and Computational Studies. ChemSusChem. 6, 51-55 (2013).
  25. Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., Teller, H. A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions. Solid State Ion. 148, 405-416 (2002).
  26. Dey, A. N. Lithium Anode Film And Organic And Inorganic Electrolyte Batteries. Thin Solid Films. 43, 131-171 (1977).
  27. Lau, K. C., Lu, J., Luo, X., Curtiss, L. A., Amine, K. Implications of the Unpaired Spins in Li-O2 Battery Chemistry and Electrochemistry: A Minireview. ChemPlusChem. 80, 336-343 (2015).
  28. Lau, K. C., et al. Theoretical Exploration of Various Lithium Peroxide Crystal Structures in a Li-Air Battery. Energies. 8, 529-548 (2015).
  29. Black, R., et al. Screening for Superoxide Reactivity in Li-O2 Batteries: Effect on Li2O2/LiOH Crystallization. J. Am. Chem. Soc. 134, 2902-2905 (2012).
  30. Gallant, B. M., et al. Influence of Li2O2 morphology on oxygen reduction and evolution kinetics in Li-O2 batteries. Energy Environ. Sci. 6, 2518-2528 (2013).
  31. Lu, J., et al. Magnetism in Lithium-Oxygen Discharge Product. ChemSusChem. 6, 1196-1202 (2013).
  32. Xu, J. -J., Wang, Z. -L., Xu, D., Zhang, L. -L., Zhang, X. -B. Tailoring deposition and morphology of discharge products towards high-rate and long-life lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2438 (2013).
  33. Zhong, L., et al. In Situ Transmission Electron Microscopy Observations of Electrochemical Oxidation of Li2O2. Nano Lett. 13, 2209-2214 (2013).
  34. Hitachi S-4700 SEM Training & Reference Guide. , Available from: http://chanl.unc.edu/files/2013/04/sem-user-guide_v1.pdf (2015).
  35. SEM Hitachi S4700 User Manual. , Available from: http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Material/surface/naibu/SEM%20Hitachi%20S4700%20User%20Manual.doc (2015).
  36. Goldstein, J., et al. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. , Springer. New York, NY. (2003).
  37. X-Ray Photoelectron Spectrometer Operation Procedure. , Available from: https://nanofabrication.4dlabs.ca/uploads/documents/XPS_SOP.pdf (2015).
  38. Haasch, R. T. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 3 93-132 (2014).
  39. JEM-2100F Field Emission Transmission Electron Microscope. , Available from: http://cmrf.research.uiowa.edu/files/cmrf.research.uiowa.edu/files/JEOL%202100%20User%20Instructions.pdf (2015).
  40. Wen, J. -G. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 5 189-229 (2014).
  41. Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy. , Springer. New York, NY. (2009).
  42. Beamline 11-ID-C: High-energy Diffraction Beamline. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=15 (2015).
  43. Beamline 11-ID-D: Sector 11 - Time Resolved X-ray Spectroscopy and Scattering. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=17 (2015).
  44. Sardela, M. R. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 1 1-41 (2014).
  45. Beamline 9-BM-B,C: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=82 (2015).
  46. Beamline 20-BM-B: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=32 (2015).
  47. Bunker, G. Introduction to XAFS: A Practical Guide to X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy. , Cambridge University Press. 1 edition (2010).
  48. Nicolet FT-IR User's Guide. , Available from: http://chemistry.unt.edu/~verbeck/LIMS/Manuals/6700_User.pdf (2015).
  49. Nicolet iS5 User Guide. , (2015).
  50. Renishaw inVia Raman Microscope Training Notebook. , Available from: https://depts.washington.edu/ntuf/facility/docs/raman_training_rev2_120507.pdf (2015).
  51. Renishaw InVia Quick Operation Summary. , Available from: https://www.ccmr.cornell.edu/sites/default/files/facilities%20equipment/Raman_Operation_Procedures_July_14_2014.pdf (2015).
  52. Mitchell, R. R., Gallant, B. M., Thompson, C. V., Shao-Horn, Y. All-carbon-nanofiber electrodes for high-energy rechargeable Li-O2 batteries. Energy Environ. Sci. 4, 2952-2958 (2011).

Tags

इंजीनियरिंग अंक 113 aprotic ली हे झरझरा कैथोड aprotic इलेक्ट्रोलाइट लिथियम एनोड केमिकल इंजीनियरिंग electrochemistry लक्षण
विद्युत टेस्ट के प्रोटोकॉल और aprotic ली हे की विशेषता<sub&gt; 2</sub&gt; बैटरी
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Luo, X., Wu, T., Lu, J., Amine, K.… More

Luo, X., Wu, T., Lu, J., Amine, K. Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery. J. Vis. Exp. (113), e53740, doi:10.3791/53740 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter