Introduction
In 1996, Abraham en Jiang 1 meldde de eerste omkeerbare niet-waterige Li-O 2 batterij bestaande uit een poreuze koolstof kathode, een organische elektrolyt en een Li-metaal anode. Sindsdien, vanwege de extreem hoge theoretische energiedichtheid groter dan die van elke andere bestaande systemen voor energieopslag, de Li-O 2 batterij, die een stroom door de oxidatie van lithium op de anode en de reductie van zuurstof aan de kathode (induceert totale reactie Li + + O 2 + e - ↔ Li 2 O 2), heeft aanzienlijke belangstelling onlangs 1-8.
Een kathode materiaal met de volgende eisen in staat zijn om tegemoet te komen aan de behoeften van de hoge prestaties van Li-O zou zijn 2 batterij: (1) fast zuurstof diffusie; (2) een goede elektrische en ionische geleidbaarheid; (3) hoog specifiek oppervlak; en (4) stabiliteit. Zowel de oppervlakte en porositeit van de kathode cruciaal zijn voor de. elektrochemische prestaties van Li-O 2 batterijen 9-12 De poreuze structuur kan de afzetting van vaste producten ontlading gegenereerd uit de reactie van Li kationen met O 2; en grotere oppervlakken zorgen voor meer actieve sites om elektrokatalytische deeltjes die de elektrochemische reacties versnellen tegemoet te komen. Dergelijke elektrokatalysatoren worden toegevoegd aan het kathodemateriaal bepaalde depositiemethoden, die een sterke hechting aan het substraat en goede beheersing van de katalysatordeeltjes te produceren, met behoud van de oorspronkelijke poreuze oppervlaktestructuur van het substraat. 13-17 De zo bereide materialen worden getest in Swagelok-type cellen als de kathode van aprotische Li-O 2 batterij. De prestatie van de cel niet alleen afhankelijk van de aard van kathodematerialen, maar ook van het type aprotische elektrolyt 18-22 en Li-metaal anode. 23-26 Meer invloeden omvatten de hoeveelheid en concentratie van de materialen en de pROCEDURE gebruikt in de laad / ontlaad-tests. De juiste omstandigheden en protocollen zou het optimaliseren en verbeteren van de algehele prestaties van de batterij materialen.
Naast de resultaten van de elektrochemische test kan de batterijprestaties worden geëvalueerd door het karakteriseren van de oorspronkelijke materialen en de reactieproducten. 27-33 Scanning elektronenmicroscopie (SEM) wordt gebruikt om het oppervlak microstructuur van het kathodemateriaal en de morfologie te onderzoeken evolutie van de lozing producten. Transmissie elektronen microscopie (TEM), X-straal absorptie dichtbij randstructuur (XANES) en X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS) kan worden gebruikt om de ultrastructuur, chemische toestand en component elementen bepalen, vooral voor die katalysator nanodeeltjes. High-energy X-ray diffractie (XRD) wordt gebruikt voor het direct identificeren van de kristallijne producten ontlading. Eventuele elektrolyt ontleding kan worden bepaald door verzwakte totale reflectie Fourier transformatieinfrarood (ATR-FTIR) en Raman spectra.
Dit artikel is een protocol dat geeft blijk van een systematische en efficiënte inrichting van routinetests van de aprotische Li-O 2 accu, met inbegrip van de voorbereiding van de batterij materialen en accessoires, de elektrochemische performance test, en karakterisering van de oorspronkelijke materialen en reactieproducten. De gedetailleerde video protocol is bedoeld om te helpen nieuwe beoefenaars in het gebied voorkomen dat veel voorkomende valkuilen in verband met de uitvoering van de testen en karakteriseren van Li-O 2 batterijen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen (VIB) voor gebruik. Verscheidene van de chemicaliën die in deze syntheses zijn acuut giftig en carcinogeen. Nanomaterialen kunnen extra risico's hebben in vergelijking met hun bulk tegenhanger. Gebruik alle passende veiligheidsmaatregelen in acht bij het uitvoeren van een nanokristal reactie inclusief het gebruik van technische controles (zuurkast, dashboardkastje) en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, volledige lengte broek, dichte schoenen). Delen van de volgende procedures te betrekken standaard behandelingstechnieken air-vrij.
1. Synthese van Cathode Materials
Noot: kathode materialen kunnen worden gesynthetiseerd door ofwel atomic layer deposition of natchemische reactie.
- Atomic Layer Deposition (ALD)
- Homogeniseer 5 g poreuze koolstof in 100 ml 1 M KMnO4 oplossing onder magnetisch roeren gedurende 12 uur.
- Verspreid 100 mg of the geoxideerde koolstof poeder op een roestvrijstalen plaat van de ALD instrument, en klem een roestvrij stalen gaas deksel over de lade.
- Houd de koolstofpoeder in de lade bij 200 ° C onder continue stroom van 300 sccm ultra-hoge zuiverheidsgraad stikstof dragergas 1 Torr druk gedurende 30 min.
- Behandel het koolstofpoeder met een volledige ALD cyclus als volgt.
Let op: Neem Pd nanodeeltjes als een voorbeeld van de elektrokatalysatoren in dit protocol. Reagentia kunnen worden aangepast aan specifieke eisen. Alle reagentia worden gebruikt zoals ontvangen zonder verdere zuivering.- Maak de koolstofsubstraat (100 mg) hexafluoracetylacetonaat palladium (Pd (hfac) 2, 99,9%) bij 200 ° C gedurende 100 min.
- Spoel de lade met continue stroom van 300 sccm ultra-hoge zuiverheidsgraad stikstof dragergas 1 Torr druk gedurende 300 min.
- Maak de koolstof substraat formaline (HCHO 37 gew.% In H2O) bij 200 ° C gedurende 100 min.
- Purge thij tray met continue stroom van 300 sccm ultra-hoge zuiverheidsgraad stikstof dragergas 1 Torr druk gedurende 300 min.
- Herhaal ALD cyclus nodig. Meestal 3-10 herhalingen.
- Wet-chemie Reaction
Let op: Neem Fe nanodeeltjes als een voorbeeld van de electrokatalysator in dit protocol. Reagentia kunnen worden aangepast aan specifieke eisen. Alle reagentia worden gebruikt zoals ontvangen zonder verdere zuivering.- Homogeniseer 5 g poreuze koolstof in 100 ml 1 M KMnO4 oplossing onder magnetisch roeren gedurende 12 uur.
- Was de geoxideerde koolstof met gedemineraliseerd water.
- Filtreer het gewassen kool met een filter kolf voorzien van een glasvezel, en droog het in een oven bij 110 ° C gedurende 12 uur.
- Verspreiden de gedroogde koolstof in 100 ml gedeïoniseerd water, voeg daarna 1 g FeCl3 onder magnetisch roeren.
- Stel de pH tot ongeveer 9, met behulp van 1 M NaOH oplossing.
- Roer de resulting suspensie gedurende 5 uur en filtreer de suspensie door een filter kolf voorzien van een glasvezel.
- Was het product met gedemineraliseerd water en ethanol. drogen vervolgens in een oven op 110 ° C voor de overnachting.
- Warmte behandelen van het product bij 450 ° C met continue stroom van H2 / Ar mengsel (4% H2) in een kwartsbuis oven. Met een stroomsnelheid van 100 ml / min gedurende 5 uur.
2. Bereiding van elektroden en elektrolyt
- Kathode
- Meng de zo bereide kathodemateriaal en bindmiddel poly (vinylideenfluoride) (PVDF) in een 4: 1 gewichtsverhouding.
Opmerking: Het totaal van het mengsel afhankelijk van de hoeveelheid van de kathoden. Het laden van kathodemateriaal op elk stuk in het gebied van 0,1-1 mg. - Voeg 1-methyl-2-pyrrolidinon (NMP) aan het mengsel en roer goed door een gelijkmatige textuur slurry. Voeg NMP bij ongeveer drie keer het gewicht van het mengsel.
- Smeer de slurry op carbon papier door een rakel met een dikte van ongeveer 100 urn.
- Droog het laminaat in een vacuümoven bij 100 ° C gedurende een nacht.
- Punch het laminaat in schijven met een perforator tot een diameter van 7/16 inch, en wegen.
- Meng de zo bereide kathodemateriaal en bindmiddel poly (vinylideenfluoride) (PVDF) in een 4: 1 gewichtsverhouding.
- aprotisch elektrolyt
- Droog lithium trifluormethaansulfonaat (LiCF 3 SO 3) in een vacuum oven op 100 ° C voor de overnachting.
- Voeg gedroogd LiCF 3 SO 3 in tetraethyleenglycoldimethylether (TEGDME; H 2 O ~ 10 ppm) met een concentratie van 1 mol / l en roer de oplossing onder magnetisch roeren totdat het zout is opgelost.
- Bewaar de elektrolyt in een glovebox gevuld met Ar.
- anode
- Pons de lithium folie / chips in schijven met een perforator tot een diameter van 7/16 inch.
3. elektrochemische Testing
- Assemblage van Swagelok Cell </ Strong>
Opmerking: Alle stappen van de assemblage worden bediend in een glovebox gevuld met Ar, met uitzondering van 3.1.9.- Monteer de Swagelok set zoals weergegeven in figuur 1a. Draai de anode einde, en draai de kathode einde.
- Plaats een stuk lithiummetaal chip (7/16 inch diameter) op de bovenkant van de roestvrijstalen stang van de anode einde.
- Plaats een stuk glasvezel separator (diameter 1/2 inch) boven op het lithiummetaal anode.
- Voeg 5-7 druppels elektrolyt volledig nat de glasvezel separator. Druk de separator om luchtbellen te verwijderen.
- Plaats een stuk kathode bovenop de bevochtigde separator met actieve materiaal tegenover de anode.
- Bedek de kathode met een stuk aluminium gaas (7/16 inch diameter).
- Druk op de hierboven genoemde lagen met de aluminium buis, draai de kathode einde.
- Dicht de gehele Swagelok cel in een glazen kamer, en bevestig de kamer met een klem, zoals weergegeven in
- Neem de gehele cel uit het dashboardkastje. Sluit de glazen kamer met een ultra-hoge zuiverheidsgraad zuurstoftank, en zuiveren het met continue zuurstoftoevoer bij 1 atm druk gedurende 30 min.
- Prestaties van de batterij Testing
- Stel een thermostaat op 25 ° C.
- Zet cellen en elektroden (elektronische clips aangesloten op het apparaat via een kabel) in de thermostaat, en ze op te lossen.
- Knip de kathode en anode op glazen kamer met bijbehorende elektronische clips.
- Open de besturingssoftware van de batterij testsysteem, en kies het kanaal verbonden met de kabel.
- Stel een procedure van de elektrochemische testen.
Let op: de huidige dichtheid van 100 mA / g actief materiaal en spanningsbereik van 2,2-4,5 V.- Stel de ontlading cut-off spanning van 2,2 V voor ontlading-test.
- Zet de lozing / lading stap tijd van 5 of 10 uur voor de capaciteit gecontroleerde fietsen testen. Stel de ontlading cut-off spanning van 2,2 V en lading cut-off spanning van 4,5 V voor voltage-gecontroleerde fietsen testen.
- Voer de procedure door te klikken op de "run" knop op de software-interface.
- Demontage en schoonmaak van de cel
- Demonteer cellen in een glovebox.
- Houd de elektroden in glazen flesjes voor de volgende karakteriseringen. Transfer andere mobiele onderdelen uit het dashboardkastje.
- Leg de Swagelok onderdelen, roestvrij stalen staven, aluminium buizen, en aluminium mazen in aceton-oplossing (~ 20%) en gedemineraliseerd water in een beker, en maak ze schoon met ultrasone trillingen gedurende 15-30 min.
- Droog de onderdelen en glas kamers in een thermostaat ingesteld op 60-80 ° C.
4. Voorbereiding van de karakterisering Specimens
Opmerking: Monsters worden bereid in een kap (voor zo bereide materialen) of een glovebox gevuld met Ar (voor lucht-gevoelige exemplaren).
- Specimens voor SEM en XPS
- Plak een carbon tape op het monster podium. De koolstof band kan zo groot zijn als de monstertafel, of zo klein als het specimen stuk zijn.
- Knip een stuk van het monster ongeveer 5 mm 2 en plak deze op de carbon tape.
Opmerking: Het monster kan een niet-magnetisch monsters. Voor de monsters na elektrochemische proeven, was ze met de elektrolyt oplosmiddel voordat stok om de carbon tape. - Sluit de lucht-gevoelige monsters in een Mason potje voor de meting.
- Bedien de SEM 34-36 of XPS 37,38 volgens de instructies van de fabrikant.
- Specimens voor TEM
- Mill 1 mg van het monster poeder.
Opmerking: Voor elektrode exemplaren, schraap de actieve materialen uit carbonpapier voor het malen. - Laad het monster poeder op een koperen rooster en verwijder de losse poeder.
- Laad de koper gontdoen om het monster houder van TEM.
Opmerking: Verkrijg deze stap gedaan zo snel mogelijk voor de monsters air-gevoelig. - Voer TEM. 39-41
- Mill 1 mg van het monster poeder.
- Specimens voor High-energie XRD
- poeder specimens
- Zegel ene uiteinde van een polyimide buis van klei of lijm.
- Plaats het poeder in de buis.
- Verzegel het andere uiteinde van de slang.
- Disk specimens
Opmerking: Om de actieve materialen op de elektrode te meten, een andere optie is om ze af te schrapen carbonpapier en volg stap 4.3.1.- Sluit de sample stukken met een stuk van polyamide tape. Seal door de invoering van de monsters in het midden van een stuk tape, en ze te bedekken met een ander stuk tape.
Opmerking: Voor de monsters na elektrochemische proeven, was ze met de elektrolyt oplosmiddel voor het afdichten.
- Sluit de sample stukken met een stuk van polyamide tape. Seal door de invoering van de monsters in het midden van een stuk tape, en ze te bedekken met een ander stuk tape.
- Bedien de high-energy XRD 42-44 in Advanced PhOton Bronnen in Argonne National Laboratory.
- poeder specimens
- Specimens voor XANES
- poedermonsters
- Verdun de monsters als de concentratie van de gemeten elementen hoog is, met behulp van boornitride (BN) of roet als verdunde middel. Hier, verdunnen tot 3-5 gew. %.
- Op het poeder in de schijf met een diameter van 7 mm en de dikte van ongeveer 1 mm, met een KBr Perspakket en 7 mm matrijsset.
- Sluit de schijf met glasfolie.
- Disk specimens
- Sluit de exemplaar met glasfolie.
- Bedien de high-energy XANES 45-47 in Advanced Photon Bronnen in Argonne National Laboratory.
- poedermonsters
- Specimens voor ATR-FTIR
- Reinig de diamant verzwakte totale reflectie (ATR) unit voor en na de meting.
- Zet specimens op de diamant-eenheid voor alle monsters geïnteresseerd.
- Voer ATR-FTIR spectrometrie. 48,49
- Specimens voor Raman Spectra
- Leg het monster op een vlakke plaat (glas, roestvrij staal, enz.).
- Bedek het monster met een deksel glijbaan.
- Sluit de set voor monsters air-gevoelig.
- Voer Raman spectrometrie. 50,51
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1a toont de instelling van de Swagelok-celtype van de Li-O 2 batterijtest. Een stuk van lithium folie wordt op een roestvast stalen staaf aan de anode einde. De poreuze kathode staat open voor pure O 2 door middel van een aluminium buis. Glasvezel wordt gebruikt als separator en een absorptie van aprotisch elektrolyt; en Al-netwerk wordt gebruikt als een stroom- collector. De hele Swagelok-celtype is verzegeld in een glazen kamer gevuld met ultrazuivere zuurstof. Voor diepgaand onderzoek worden verschillende analysemethoden toegepast op het accusysteem verkennen, inclusief als bereid elektrodematerialen en de reactieproducten. SEM en TEM beelden geven de microstructuur van de monsters. SEM beelden van de koolstofpoeder vóór (figuur 1c) en na (figuur 1d) de katalysator belading tonen een goed behoud van de poreuze oppervlaktestructuur. TEM beelden (Figuur 1e) tonens de electrokatalysator nanodeeltjes uniform te verdelen over de koolstof substraat; en goed gekristalliseerde nanodeeltjes worden getoond van de afbeelding in hoge resolutie TEM in figuur 1f in. Hoewel elektronenmicroscopie beelden tonen de detail morfologie en structuur van de elektrokatalysatoren kunnen andere X-ray gebaseerd karakterisatietechnieken meer informatie te verstrekken over hun chemische samenstelling en volant staat. Zoals getoond in Figuur 1b, 13 XANES spectra, die worden toegevoerd aan de valentietoestanden bepalen, blijkt dat de elektrokatalysator nanodeeltjes gedeeltelijk geoxideerd door de bereiding van kathoden in lucht.
Als bereide kathodematerialen worden getest Swagelok-type cellen in een spanningsvenster van 2,2-4,5 V (vs Li + / Li). Typische spanning profielen voor zuivering en afvoer-batterij kan worden opgeladen zijn weergegeven in figuur 2a en b. Met de aanwezigheid van de electrocatalyst geladen door ALD, de afvoer specifieke vermogen tot meer dan 4000 mAh / g wanneer de cel wordt afgevoerd naar 2,2 V, vergeleken met die van de kathode zonder elektrokatalysatoren (905 mAh / g). De lading potentiële verlaagd tot 3,4 V wanneer de cel capaciteit wordt gecontroleerd bij 500 mAh / g (Figuur 2b), die aanzienlijke verbeteringen te vergelijken met lading potentieel van 4 V (Figuur 2b) voor naakte carbon kathoden zijn. Om de prestaties van de batterij beter te evalueren en begrijpen van de elektrochemische reactie mechanisme, worden de monsters bij verschillende ontladen / laden fasen onderworpen aan de kwalificatie met behulp van meerdere geavanceerde technieken. In het SEM beeld geloosde kathode zoals getoond in figuur 2c, de afvoer producten hebben de torusvormige vorm, die algemeen worden geaccepteerd als primaire morfologie van Li 2 O 2 in een Li-O 2 cellen. 15,52 XRD patroon wordt gebruikt als een direct bewijs voor kristallijne producten te identificeren. Er eenre slechts pieken van Li 2 O 2 en koolstof in het XRD patroon van de afgevoerde kathode (figuur 2d), wat suggereert dat de nevenreacties geminimaliseerd in de cel.
XPS en Raman-spectra worden gebruikt om het oppervlak samenstelling op elektroden identificeren verschillende laad / ontlaad-status. Volgens de XPS-spectra (figuur 3a), Li 2 O 2 en LiOH formulier kathodeoppervlak na het lossen; en door het hanteren, Li 2 O 2 wordt verminderd, maar het onomkeerbare product LiOH blijft aan het oppervlak. Een kleine hoeveelheid LiO 2, een tussenproduct van de één elektronenoverdracht ORR, wordt gedetecteerd door Raman spectroscopie (figuur 3b). LiO 2 metastabiel vanwege de gemakkelijke disproportionering, die alleen oppervlakte-gevoelige karakterisatie techniek zoals Raman spectroscopie maakt gedetecteerd. De vibratie signaal van OH en C = O binding in de FT-IR-spectra (figuur 3c en d) geeft de aanwezigheid van de ether elektrolyt en andere hydroxide, carbonaat of carbonyldeeltjes op het oppervlak van Li anode of glasvezel separator, welke vorm in de nevenreacties zoals de elektrolyt ontleding en zuurstof crossover effect.
Figuur 1. Swagelok-celtype en zo bereide materialen. (A) Schema van een Swagelok-celtype verzegeld in een glazen kamer. (B) Pd K-edge XANES spectra van de as-bereide kathode materiaal, overgenomen uit ref. 13. (c, d) SEM beelden van de koolstofpoeder vóór en na elektrokatalysatorbelading respectievelijk. (E, f) en TEM HRTEM beelden van koolstofpoeder met electrocatalyst respectievelijk..com / files / ftp_upload / 53740 / 53740fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Voltage Profielen van de lozing / laadproces en karakterisering van het geloosde kathoden. (A, b) Spanning profiel van een ontlading tot 2,2 V en een capaciteit gecontroleerd lozen-laadcyclus, respectievelijk. (C, d) SEM-beeld en high-energy XRD patroon van de kathode in Swagelok-type Li-O 2 accu ontladen, respectievelijk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. (A) XPS-spectra van Li 1s pieken bij verschillende laad / ontlaad-status, overgenomen uit ref. 13. (b) Raman spectra van de koolstof kathodes tot 2,5 V. (c, d), FTIR spectra van de anode en separator na ontslag-laadcycli afgevoerd, respectievelijk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Gezien de gevoeligheid van Li-O 2 batterijsysteem lucht, vooral CO 2 en vocht, veel trappen in het protocol zijn noodzakelijk om de interfererende verminderen en nevenreacties te vermijden. Zo is het Swagelok-celtype gemonteerd in een glovebox gevuld met Ar met O 2 <0,5 ppm en H 2 O <0,5 ppm; en al de kathodematerialen, elektrolyt oplosmiddel en zout, glasvezel, Swagelok onderdelen, en het glas kamers worden gedroogd vóór de montage om het vocht verontreiniging te verminderen. De anode einde een roestvrij stalen staaf om het directe contact tussen lithiummetaal en O 2 voorkomen en de lithiumanode beschermen. De hele Swagelok setup wordt in een zuivere zuurstof gevulde glazen kamer die een lekvrije verpakking garandeert door middel van verzegeling met O-ring en vacuüm vetten. Bovendien Al-mesh, de huidige collector kan helpen de brosse koolstofkathode beschermen.
de electrochemical test aan te tonen dat de zo voorbereide kathodematerialen vertoonde een superieur elektrochemisch gedrag in Li-O 2 batterij. Door die werden de katalysator nanodeeltjes homogeen verspreid grote oppervlakte koolstofdrager, en dat de poreuze structuur en oppervlakte putje zette de katalysatoren depositiemethoden gebruikt in dit protocol. De totale reactie van waterige Li-O 2 batterij 2Li + + O 2 + 2e - → Li 2 O 2 2,3,7 nevenreacties zoals elektrolyt afbraak, waarschijnlijk ook optreden als gevolg van de activiteit van de materialen. en tussenproducten gebruikt in een cel. Echter, in het onderzoek in het huidige stadium, de zijkant reacties en bijproducten (LiOH, Li 2 CO 3, enz.) Zijn aanzienlijk verminderd met de verbetering van materialen en synthese technologieën. Zoals getoond in figuur 2d, maar er kan een kleine hoeveelheid bypr zijnoducten, het is te laag om gedetecteerd door XRD. Sommige oppervlakte-gevoelige technieken zoals XPS, FT-IR en Raman spectroscopie, worden derhalve gebruikt om de kleine producten te detecteren, vooral op het oppervlaktegebied. Er is geen twijfel dat de stabiliteit van de elektrolyten zeer kritisch zuurstofomgeving en elektrochemische reacties. -Ether gebaseerde elektrolyten (bijv TEGDME) zijn relatief stabiel in de huidige fase van Li-O 2 batterij onderzoek. Hun gedrag moet nog onderzocht worden bij langdurige cycling; en het zoeken naar een stabiele elektrolyten is het onderzoek prioriteit op dit moment.
Er zijn een aantal andere karakterisatiemethodes de ontlading opbrengstpercentage vaststellen, of bijproducten, zoals massaspectrometrie (MS) en titratie. In de huidige onderzoeksfase, het batterijsysteem veel stabieler en reversibel en de bijproducten zijn aanzienlijk verminderd door de ontwikkeling van elektrolyt en kathodematerialendie meer stabiel zuurstof en de afvoer producten. 3,13,15 In dit geval zou zijn geweest, MS en titratie zijn niet gevoelig genoeg om de afvoer opbrengst te schatten. Daarnaast LiO 2, het tussenprodukt, kan niet worden gedetecteerd door titratie ofwel vanwege zijn extreme activiteit.
In dit artikel hebben we een systematische en efficiënte protocol van routinetests van aprotische Li-O 2 accu, met inbegrip van het verrichtingsonderzoek en karakterisering van de batterij materialen en reactieproducten aangetoond. De benaderingen van katalysatorbelading resulteren in een gelijkmatige verdeling van katalysator nanodeeltjes met behoud van de oppervlaktestructuur van koolstofsubstraat. Correcte montage protocol optimaliseert de actieve materialen en zorgt voor de pure-O 2 omgeving voor de elektrochemische reacties.
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 |
References
- Abraham, K. M., Jiang, Z. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery. J. Electrochem. Soc. 143, 1-5 (1996).
- 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).
- Lu, J., et al. Aprotic and Aqueous Li-O2 Batteries. Chem. Rev. 114, 5611-5640 (2014).
- Black, R., Adams, B., Nazar, L. F. Non-Aqueous and Hybrid Li-O2 Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 801-815 (2012).
- Bruce, P. G., Hardwick, L. J., Abraham, K. M. Lithium-air and lithium-sulfur batteries. MRS Bull. 36, 506-512 (2011).
- Christensen, J., et al. A Critical Review of Li/Air Batteries. J. Electrochem. Soc. 159, 1-30 (2012).
- 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).
- Lu, J., Amine, K. Recent Research Progress on Non-aqueous Lithium-Air Batteries from Argonne National Laboratory. Energies. 6, 6016-6044 (2013).
- Ding, N., et al. Influence of carbon pore size on the discharge capacity of Li-O2 batteries. J. Mater. Chem. A. 2, 12433 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lu, J., et al. Effect of the size-selective silver clusters on lithium peroxide morphology in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 5, 4895 (2014).
- Lu, J., et al. A nanostructured cathode architecture for low charge overpotential in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2383 (2013).
- 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).
- 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).
- Freunberger, S. A., et al. The Lithium-Oxygen Battery with Ether-Based Electrolytes. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 8609-8613 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Aleshin, G. Y., et al. Protected anodes for lithium-air batteries. Solid State Ion. 184, 62-64 (2011).
- 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).
- 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).
- Dey, A. N. Lithium Anode Film And Organic And Inorganic Electrolyte Batteries. Thin Solid Films. 43, 131-171 (1977).
- 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).
- Lau, K. C., et al. Theoretical Exploration of Various Lithium Peroxide Crystal Structures in a Li-Air Battery. Energies. 8, 529-548 (2015).
- 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).
- 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).
- Lu, J., et al. Magnetism in Lithium-Oxygen Discharge Product. ChemSusChem. 6, 1196-1202 (2013).
- 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).
- Zhong, L., et al. In Situ Transmission Electron Microscopy Observations of Electrochemical Oxidation of Li2O2. Nano Lett. 13, 2209-2214 (2013).
- Hitachi S-4700 SEM Training & Reference Guide. , Available from: http://chanl.unc.edu/files/2013/04/sem-user-guide_v1.pdf (2015).
- SEM Hitachi S4700 User Manual. , Available from: http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Material/surface/naibu/SEM%20Hitachi%20S4700%20User%20Manual.doc (2015).
- Goldstein, J., et al. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. , Springer. New York, NY. (2003).
- X-Ray Photoelectron Spectrometer Operation Procedure. , Available from: https://nanofabrication.4dlabs.ca/uploads/documents/XPS_SOP.pdf (2015).
- Haasch, R. T. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 3 93-132 (2014).
- 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).
- Wen, J. -G. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 5 189-229 (2014).
- Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy. , Springer. New York, NY. (2009).
- Beamline 11-ID-C: High-energy Diffraction Beamline. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=15 (2015).
- 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).
- Sardela, M. R. Practical Materials Characterization. Sardela, M. , Springer. New York, NY. Ch. 1 1-41 (2014).
- 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).
- Beamline 20-BM-B: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , Available from: http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=32 (2015).
- Bunker, G. Introduction to XAFS: A Practical Guide to X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy. , Cambridge University Press. 1 edition (2010).
- Nicolet FT-IR User's Guide. , Available from: http://chemistry.unt.edu/~verbeck/LIMS/Manuals/6700_User.pdf (2015).
- Nicolet iS5 User Guide. , (2015).
- Renishaw inVia Raman Microscope Training Notebook. , Available from: https://depts.washington.edu/ntuf/facility/docs/raman_training_rev2_120507.pdf (2015).
- 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).
- 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).
