Waiting
Login processing...

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

Engineering

פרוטוקול של מבחן אלקטרוכימי אפיון Aprotic Li-O Published: July 12, 2016 doi: 10.3791/53740

Introduction

בשנת 1996, אברהם ג'יאנג 1 דיווחו הסוללה ההפיכה בלתי מימי Li-O 2 הראשונה המורכבת קטודה פחמן נקבובי, אלקטרוליט אורגני, האנודה Li-מתכת. מאז, בשל שלה גבוהה מאוד צפיפות אנרגיה התיאורטית עולה על זה של כל מערכות אחסון אנרגיה קיימות אחרות, את הסוללת ליתיום-O 2, אשר מעוררת זרם על ידי החמצון של ליתיום על האנודה ואת הפחתת החמצן על הקתודה ( התגובה הכוללת Li + + O 2 + e - ↔ Li 2 O 2), קבל התעניינות משמעותית לאחרונה 1-8.

חומר קתודה עם הדרישות הבאות יוכל לספק את הצרכים של בעל ביצועים גבוהים של Li-O 2 סוללה: (1) דיפוזיה חמצן מהר; (2) מוליכות חשמלית יוניות טובות; (3) שטח פנים סגולי גבוה; ו (4) יציבות. שני שטח פן הנקבובי של הקתודה הוא קריטיים עבור. ביצועים אלקטרוכימי של סוללות 2 Li-O 9-12 המבנה הנקבובי מאפשרים בתצהיר של מוצרים פטורים מוצקים שנוצרו מן התגובה של Li קטיונים באות O 2; באזורי משטח גדולים לספק אתרים פעילים יותר כדי להכיל חלקיקי electrocatalytic המאיצים את התגובות אלקטרוכימיים. Electrocatalysts כאלה מתווספים חומר הקתודה ידי שיטות בתצהיר מסוימות, המספקות הדבקה חזקה מצע השליטה טובה של חלקיקי הזרז, עם שימור של מבנה השטח הנקבובי המקורי של המצע. 13-17 החומרים המוכנים כמו נבדקים בתאים מסוג Swagelok כמו הקתודה של סוללת ליתיום-O 2 aprotic. עם זאת, את הביצועים של התא לא רק תלוי באופי של חומרים הקתודה, אלא גם על סוג של האלקטרוליט aprotic 18-22 לבין האנודה Li-מתכת. 23-26 השפעות נוספות לכלול את הסכום ואת הריכוז של החומרים ואת procedure המשמש בדיקות טעינה / פריקה. תנאי ופרוטוקולים פרופר היה לייעל ולשפר את הביצועים הכוללים של חומרי הסוללה.

בנוסף תוצאות בדיקת אלקטרוכימיים, ביצועי הסוללה ניתן להעריך גם בכך שהיא מכנה חומרים והטהורים ואת תוצרי התגובה. 27-33 במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) משמש כדי לחקור את מייקרו השטח של חומר הקתודה ואת המורפולוגיה אבולוציה של המוצרים הפריקים. במיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים (TEM), רנטגן קליטה ליד מבנה קצה (XANES), ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS) ניתן להשתמש כדי לקבוע את ultrastructure, מדינה כימית, ורכיב של יסודות, במיוחד בשביל זה של חלקיקי זרז. קרן ה- X עקיף אנרגיה גבוהה (XRD) משמשת לזיהוי המוצרים הפריקים גבישים ישירות. פירוק אלקטרוליט אפשרי ניתן לקבוע על ידי פורה השתקפות כוללת מוחלשת להפוךאינפרא אדום (ATR-FTIR) ספקטרום ראמאן.

מאמר זה הוא פרוטוקול המדגים הסדר שיטתי ויעיל של בדיקות שגרתיות של סוללת ליתיום-O 2 aprotic, לרבות הכנת חומרים הסוללה ואביזרים, מבחן ביצועים אלקטרוכימיים, ואפיון של חומרים וטהור תוצרי התגובה. פרוטוקול הוידיאו מפורט נועד לעזור למתרגלים חדשים בתחום להימנע ממכשולים נפוצים רבים הקשורים בדיקות ביצועים ואפיון של Li-O 2 סוללות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

אנא להתייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים רלוונטיים (MSDS) לפני השימוש. כמה כימיקלים המשמשים סינתזות אלה בחריפות רעילים ומסרטנים. ייתכן שיהיה ננו מפגעים נוספים לעומת עמיתו נפחם. אנא להשתמש בכל שיטות הבטיחות המתאימות בעת ביצוע תגובת ננו כולל השימוש של בקרות הנדסה (במנדף, שבתא כפפות) וציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות, חלוק, מכנסיים באורך מלאים, סגורות נעליים). חלקים מההליכים הבאים הכוללים שימוש בטכניקות טיפול באוויר ללא תקן.

1. סינתזה של חומרים קטודה

הערה: יכול להיות מסונתז חומרי קתודה או על ידי בתצהיר שכבה אטומית או תגובה כימיה רטובה.

  1. שכבת הפקדה אטומית (ALD)
    1. לפזר 5 גרם של פחמן נקבובי ב 100 מ"ל 1 פתרון M KMnO 4 תחת בחישה מגנטית במשך 12 שעות.
    2. מורחים 100 מ"ג של הדואר חמצון אבקת פחם על מגש נירוסטה של ​​המכשיר ילד, מהדק כיסוי רשת נירוסטה על המגש.
    3. החזק את אבקת פחם במגש ב -200 מעלות צלזיוס מתחת זרימה רציפה של 300 הגז המוביל חנקן SCCM אולטרה-טוהר גבוהה בלחץ 1 Torr למשך 30 דקות.
    4. פנק את אבקת פחמן עם מחזור ילד מלא כדלקמן.
      הערה: קח חלקיקים Pd כדוגמה של electrocatalysts בפרוטוקול זה. ריאגנטים ניתן לשנות לפי דרישות ספציפיות. כל ריאגנטים משמשים-קבלו ללא כל טיהור נוספת.
      1. לחשוף את המצע פחמן (100 מ"ג) כדי hexafluoroacetylacetonate פלדיום (Pd (hfac) 2, 99.9%) ב 200 מעלות צלזיוס במשך 100 דקות.
      2. טהר את המגש עם זרימה רציפה של 300 גז מוביל חנקן SCCM אולטרה-טוהר גבוה בלחץ 1 Torr עבור 300 דקות.
      3. לחשוף את המצע פחמן פורמלין (HCHO 37 wt.% ב O H 2) ב 200 מעלות צלזיוס במשך 100 דקות.
      4. טהר tהוא המגש עם זרימה רציפה של 300 גז מוביל חנקן גבוה במיוחד טוהר SCCM בלחץ 1 Torr עבור 300 דקות.
    5. מחזור ילד וחזור לפי צורך. בדרך כלל 3-10 חזרות.
  2. תגובת Wet-כימיה
    הערה: קח Fe חלקיקים כדוגמה של electrocatalyst בפרוטוקול זה. ריאגנטים ניתן לשנות לפי דרישות ספציפיות. כל ריאגנטים משמשים-קבלו ללא כל טיהור נוספת.
    1. לפזר 5 גרם של פחמן נקבובי ב 100 מ"ל 1 פתרון M KMnO 4 תחת בחישה מגנטית במשך 12 שעות.
    2. שטפו את הפחמן מתחמצן עם מים ללא יונים.
    3. סנן את הפחמן נשטף עם בקבוק מסנן מצויד סיב זכוכית, ולאחר מכן לייבש אותו בתנור על 110 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות.
    4. לפזר את הפחמן יבשים 100 מ"ל מים deionized, ולאחר מכן להוסיף 1 גרם של FeCl 3 תחת בחישה מגנטית.
    5. התאם את ערך ה- pH על 9, באמצעות 1 פתרון M NaOH.
    6. מערבבים את resulting סלארי במשך 5 שעות, ולאחר מכן לסנן את התערובת הדלילה עם בקבוק מסנן מצויד סיב זכוכית.
    7. לשטוף את המוצר עם מים ואתנול ללא יונים. לאחר מכן לייבש אותו בתנור ב 110 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
    8. מחממים לטפל המוצר ב -450 מעלות צלזיוס עם זרימה רציפה של תערובת H 2 / Ar (4% H 2) בכבשן שפופרת קוורץ. השתמש קצב הזרימה של 100 מ"ל / דקה במשך 5 שעות.

2. הכנת אלקטרודות ואלקטרוליטים

  1. קָטוֹדָה
    1. מערבבים את חומר הקתודה כמו הכנה קלסר פולי (פלואוריד vinylidene) (PVDF) בתוך 4: יחס משקל 1.
      הערה: סך הכל של התערובת תלויה בכמות של קתודית. העמסת חומר קתודה על כל חתיכה היא בטווח של 0.1-1 מ"ג.
    2. הוסף 1-מתיל-2-pyrrolidinone (NMP) לתערובת, ומערבבים היטב לעשות slurry אפילו בעל מרקם. להוסיף NMP בסביבות שלוש פעמים את המשקל של התערובת.
    3. מעיל את התערובת הדלילה על קרבוn נייר ידי להב רופא עם עובי של כ -100 מיקרומטר.
    4. ייבש את לרבד בתנור ואקום ב 100 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
    5. פונץ לרבד לתוך דיסקים עם אגרופן חור בקוטר של 7/16 אינץ ', ולשקול אותו.
  2. אלקטרוליט Aprotic
    1. Trifluoromethanesulfonate ליתיום יבש (LiCF 3 SO 3) בתנור ואקום ב 100 מעלות צלזיוס למשך לילה.
    2. הוסף יבשים LiCF 3 SO 3 דימתיל אתר גליקול tetraethylene (TEGDME; H 2 O ~ 10 עמודים לדקה) עם ריכוז של 1 mol / L, מוסיפים הפתרון עם ערבוב מגנטי עד שהמלח נמס.
    3. שמור האלקטרוליט בתוך הכפפות מלאות Ar.
  3. אָנוֹדָה
    1. פונץ הליתיום רדיד / שבבי לתוך דיסקים עם אגרופן חור בקוטר של 7/16 אינץ '.

3. בדיקות אלקטרוכימי

  1. עצרת של תא Swagelok </ Strong>
    הערה: כל השלבים של האסיפה מופעלים בתוך הכפפות מלאות Ar, למעט 3.1.9.
    1. הרכיבו את הסט Swagelok כמו שמוצג באיור 1 א. הדק סוף האנודה, לשחרר סוף הקתודה.
    2. שים חתיכת שבב מתכת הליתיום (בקוטר 7/16 אינץ ') על החלק העליון של מוט נירוסטה של ​​סוף האנודה.
    3. שים חתיכת מפריד סיב זכוכית (קוטר 1/2 אינץ ') על גבי האנודה מתכת ליתיום.
    4. להוסיף 5-7 טיפות של אלקטרוליט להרטיב את המפריד סיב זכוכית מלאה. לחץ בעדינות את המפריד כדי להסיר בועות.
    5. שים חתיכת קתודה על החלק העליון של המפריד הרטוב, עם החומר הפעיל מול האנודה.
    6. מכסים את קטודה עם פיסת רשת אלומיניום (בקוטר 7/16 אינץ ').
    7. לחץ על השכבות הנ"ל עם צינור האלומיניום, ואז להדק סוף הקתודה.
    8. חותם את התא Swagelok כולו בתא זכוכית, ולתקן את החדר עם מלחציים, כפי שמוצג
    9. קח את התא כולו מתוך שבתא הכפפות. חבר את תא זכוכית מיכל חמצן גבוה במיוחד טוהר, ולטהר אותו עם זרימת חמצן רציפה בלחץ כספומט 1 למשך 30 דקות.
  2. בדיקה ביצוע סוללה
    1. גדר תרמוסטט ל -25 מעלות צלזיוס.
    2. שם תאים ואלקטרודות (קליפים אלקטרוניים המחוברים לציוד באמצעות כבל) לתוך תרמוסטט, ולתקן אותם.
    3. קליפ הקתודה לבין האנודה על בתא זכוכית עם מקביל קליפים אלקטרוניים.
    4. פתח את תוכנת ההפעלה של מערכת בדיקת סוללה, ובחר לערוץ מחובר באמצעות הכבל.
    5. לקבוע נוהל של בדיקות אלקטרוכימיים.
      הערה: הגדר את צפיפות זרם של חומר פעיל 100 mA / g, וטווח מתח של 2.2-4.5 V.
      1. הגדר את המתח החתוך הפריק של 2.2 V עבור בדיקה פריקה.
      2. הגדר את הצעד-זמן הפריקה / טעינה של 5 או 10 שעות עבור מבחן אופניים שבשליטת קיבולת. הגדר את המתח החתוך הפריק של 2.2 V ולחייב מתח חתוך של 4.5 V בקרה ומדידת אופני מבוקרים-מתח.
    6. הפעל את ההליך על ידי לחיצה על כפתור "הפעל" על ממשק התוכנה.
  3. פירוק וניקוי של התא
    1. לפרק התאים שבתא הכפפות.
    2. שמור את האלקטרודות צלוחיות זכוכית עבור האפיונים הבאים. עבר חלקי תא מתוך שבתא הכפפות.
    3. מכניסים את חלקי Swagelok, מוטות נירוסטה, צינורות אלומיניום, משתלב אלומיניום בתמיסה אצטון (~ 20%) או מים ללא יונים בכוס, ולנקות אותם עם ultrasonication עבור 15-30 דקות.
    4. ייבש את החלקים ותאי זכוכית תרמוסטט מוגדר 60-80 מעלות צלזיוס.

4. הכנת דוגמאות אפיון

הערה: דוגמאות ערוכות ברדס (לחומרים כמו-מוכנים) או שבתא הכפפות מלאות Ar (עבור אווירדגימות רגישות).

  1. דגימות עבור SEM ו- XPS
    1. היצמד קלטת פחמן על הבמה המדגמת. הקלטת פחמן יכולה להיות גדולה כמו הבמה המדגמת, או קטנה כמו חתיכת הדגימה.
    2. חותכים חתיכה של הדגימה כ -5 מ"מ 2, ולתקוע אותו על קלטת פחמן.
      הערה: הדגימה יכולה להיות כל דגימות שאינן מגנטיות. עבור הדגימות לאחר בדיקות אלקטרוכימיים, לשטוף אותם עם ממס אלקטרוליט לפני המקל לקלטת פחמן.
    3. חותם את הדגימות רגישות-האוויר בצנצנת מייסון לפני המדידה.
    4. הפעילו את SEM 34-36 או XPS 37,38 פי הוראות היצרן.
  2. דגימות עבור TEM
    1. מיל 1 מ"ג של אבקת המדגם.
      הערה: דגימות אלקטרודה, לגרד את החומרים הפעילים את נייר פחם לפני הטחינה.
    2. טען את אבקת המדגם על רשת נחושת, ולהסיר את האבקה הרופפת.
    3. טענתי את g הנחושהלהיפטר לבעל המדגם של TEM.
      הערה: קבל את הצעד הזה נעשה מהר ככל האפשר עבור דגימות אוויר רגיש.
    4. בצע TEM. 39-41
  3. דגימות עבור XRD של אנרגיות גבוהות
    1. דגימות אבקה
      1. חותם קצה אחד של צינורות polyimide ידי חימר או דבק.
      2. טען את האבקה לתוך הצינור.
      3. חותם את הקצה השני של הצינור.
    2. דגימות דיסק
      הערה: כדי למדוד את החומרים הפעילים על האלקטרודה, אפשרות נוספת היא לגרד אותם נייר פחמן אחרי צעד 4.3.1.
      1. חותם את החתיכות המדגמות עם חתיכת סרט פוליאמיד. חותם על ידי הצבת דגימות באמצע חתיכה אחת של סרט, ומכסה אותם עם עוד חתיכת סרט.
        הערה: הדגימות לאחר בדיקות אלקטרוכימיים, לשטוף אותם עם ממס אלקטרוליט לפני האיטום.
    3. הפעילו את XRD אנרגיה גבוהה 42-44 במדינות המתקדמות Phמקורות oton ב Argonne National Laboratory.
  4. דגימות עבור XANES
    1. דגימות אבקה
      1. לדלל את הדגימות אם הריכוז של האלמנטים הנמדדים הוא גבוה, או באמצעות ניטריד בורון (BN) או פחמן שחור כסוכן לדלל. הנה, לדלל 3-5 WT. %.
      2. לחצו על האבקה לתוך דיסק עם קוטר של 7 מ"מ עובי של כ 1 מ"מ, באמצעות ערכת עיתונות KBR ו -7 מ"מ Die הגדר.
      3. חותם את הדיסק עם סרט חלון.
    2. דגימות דיסק
      1. חותם את הדגימה עם סרט חלון.
    3. הפעילו את בעלות אנרגיה גבוהה XANES 45-47 מתקדם פוטון מקורות Argonne National Laboratory.
  5. דגימות עבור ATR-FTIR
    1. נקה את ההשתקפות כוללת נחלש יהלום (ATR) היחיד לפני ואחרי המדידה.
    2. שים דגימות על יחידת היהלום עבור כל הדגימות המעוניינות.
    3. בצע ספקטרומטריית ATR-FTIR. 48,49
  6. דגימות עבור ראמאן ספקטרה
    1. שים את הדגימה על לוח שטוח (זכוכית, נירוסטה, וכו '.).
    2. מכסה את הדגימה עם שקופית כיסוי.
    3. חותם את הסט עבור דגימות אוויר רגיש.
    4. בצע ספקטרומטריית ראמאן. 50,51

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 א מציג את ההתקנה של התא Swagelok מסוג של המבחן סוללת ליתיום-O 2. חתיכת סרט ליתיום מושם על מוט נירוסטה בסוף האנודה. הקתודה הנקבובית פתוחה O טהור 2 דרך צינור אלומיניום. סיבי זכוכית משמש כמפריד ו בולם של אלקטרוליט aprotic; ואל-הרשת משמשת אספן נוכחי. תא Swagelok מהסוג כולו אטום בתוך תא זכוכית מלא חמצן טוהר גבוה במיוחד. עבור מחקר מעמיק, שיטות אפיון מרובים מוחלים לבחון את מערכת הסוללה, כולל חומרים אלקטרודה הכנה כמו ואת תוצרי התגובה. תמונות SEM ו TEM להציג מיקרו של דגימות. SEM תמונות של אבקת הפחם לפני (איור 1 ג ') ואחרי (1D איור) והעמסת הזרז להפגין שימור טוב של מבנה השטח הנקבובי. תמונות TEM (איור 1e) הצגזה חלקיקי electrocatalyst להפיץ באופן אחיד על פני מצע פחמן; חלקיקים מגובשים היטב הוצג תמונת TEM ברזולוציה הגבוהה 1F איור. למרות תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים להראות את מורפולוגיה הפרט ומבנה של electrocatalysts, טכניקות אפיון מבוססות רנטגן אחרים יכולות לספק מידע נוסף על ההרכב הכימי שלהם והמדינה וילונית. כפי שמוצג באיור 1b, 13 XANES ספקטרום, אשר חלים לקבוע את מצבי הערכיות, להראות כי חלקיקי electrocatalyst הם מתחמצנים חלקיים בשל הכנת קתודית באוויר.

כמו הכנת חומרים קטודה נבדקים בתאים מסוג Swagelok בחלון מתח של 2.2-4.5 V (לעומת Li + / Li). פרופילי מתח אופייניים עבור מחזורי פריקה פריקה-טעינה מוצגים איור 2 א 'וב'. עם הנוכחות של electrocatalyst נטען על ידי תלד, היכולת הספציפית הפריקה עלתה ליותר מ 4,000 מיליאמפר / g כאשר התא מוזרם 2.2 V, בהשוואה לזו של הקתודה ללא electrocatalysts (905 מיליאמפר / g). הפוטנציאל תשלום מופחת ל -3.4 V כאשר קיבולת תא נשלטת על 500 מיליאמפר / g (איור 2b), אשר הם שיפורים משמעותיים השוואה עם פוטנציאל אחראי 4 V (איור 2b) עבור קתודית פחמן חשוף. כדי להעריך טוב יותר את ביצועי הסוללה ולהבין את מנגנון התגובה אלקטרוכימיים, דגימות בשלבים פריקה / טעינה שונה חשופים אפיון תוך שימוש בטכניקות מתקדמות מרובות. בתמונת SEM של קטודה משוחרר כפי שמוצג איור 2 ג, המוצרים הפריקים יש את הצורה הטבעתית, אשר מקובל כמו המורפולוגיה העיקרית של Li 2 O 2 בתא 2 Li-O. דפוס XRD 15,52 משמש עדות ישירה לזיהוי מוצרים גבישי. ישמחדש פסגות רק של Li 2 O 2 ופחמן דפוס XRD של הקתודה משוחררים (איור 2), דבר המצביע על כך תגובות לוואי הן מזעריות בתא.

XPS ספקטרום ראמאן משמשים כדי לזהות את רכב פני שטח על אלקטרודות מצב טעינה / פריקה שונה. על פי ספקטרום XPS (איור 3 א), Li 2 O 2 וצורה LiOH על פני השטח קטודה לאחר ופריקה; ועל ידי טעינה, Li 2 O 2 מצטמצם אך המוצר הפיך LiOH נשאר על פני השטח. כמות קטנה של Lio 2, מוצר ביניים של אור העברה חד-אלקטרונים, הוא זוהה על ידי ספקטרוסקופיית ראמאן (איור 3 ב). LIO 2 הוא metastable בשל disproportionation שלה קל, מה שהופך את לאבחון רק על ידי טכניקה אפיון משטח רגיש כמו ספקטרוסקופיית ראמאן. אות הרטט של OH ו- C = אג"ח O ב ספקטרה FT-IR (איור 3c ו ד) מעידה על קיומו של האלקטרוליט האתר וכן הידרוקסיד אחר, קרבונט, או מינים קרבוניל על פני השטח של האנודה Li או המפריד סיב זכוכית, המהווים את תגובות הלוואי כגון אלקטרוליטים פירוק ותוצאה מוצלב חמצן.

איור 1
איור 1. Swagelok תאים מסוג וחומרי הכנה כמו. (א) שרטוטים של תא Swagelok מסוג אטום בתא זכוכית. (ב) Pd K-קצה XANES ספקטרום של חומר הקתודה כמו-מוכן, נדפס מן נ"צ. 13. (ג, ד) SEM תמונות של אבקת פחם לפני ואחרי הטעינה electrocatalyst, בהתאמה. (ה, ו) TEM ותמונות HRTEM של אבקת פחמן עם electrocatalyst, בהתאמה..com / קבצים / ftp_upload / 53,740 / 53740fig1large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. מתח פרופילים של התהליך הפריק / הטעינה והאפיון של קתודית המשוחררת. (A, b) פרופיל מתח של פריקה ל -2.2 V ו מחזור פריק-טעינה מבוקרת-קיבולת, בהתאמה. (ג, ד) תמונת SEM דפוס XRD אנרגיה הגבוהה של הקתודה המשוחררת סוללת Swagelok מסוג Li-O 2, בהתאמה. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. (א) ספקטרה XPS של פסגות Li 1s ב מצב טעינה / פריקה שונה, נדפסה מן הנ"צ. 13. (ב) ספקטרום ראמאן של קתודית פחמן המוזרמים 2.5 V. (ג, ד) ספקטרה FTIR של האנודה ואת מפריד אחרי מחזורי פריקה-טעינה, בהתאמה. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בהתחשב ברגישות של מערכת סוללת ליתיום-O 2 לאוויר, במיוחד CO 2 ולחות, המון צעדים בפרוטוקול נחוצים על מנת להפחית את interferents וכדי למנוע תגובות לוואי. לדוגמא, תאים מסוג Swagelok מורכבים בתוך הכפפות מלאות Ar באות O 2 <0.5 ppm ו- H 2 O <0.5 עמודים לדקה; וכל חומרי הקתודה, ממס אלקטרוליט ומלח, סיבי זכוכית, חלקי Swagelok, ותאי הזכוכית הם יבשים לפני ההרכבה כדי להפחית את זיהום הלחות. סוף האנודה הוא מוט נירוסטה כדי למנוע מגע ישיר בין המתכת ליתיום ו- O 2, וכדי להגן על האנודה ליתיום. ההתקנה Swagelok כולו מושם לתוך תא זכוכית טהור מילא חמצן המבטיח מיכל הוכחה דליפה ידי איטום עם O-Ring ואקום גריז. יתר על כן, אל-רשת, והאוסף הנוכחי, יכול לעזור להגן על קתודת פחמן הפריכה.

ELECמבחן trochemical להוכיח כי החומרים קטודה כמו-מוכן הראו התנהגות אלקטרוכימיים מעולה סוללת ליתיום-O 2. עקב כך, חלקיקי הזרז היו מפוזרים באופן אחיד על תמיכת פחמן שטח פנים גבוהים, וכי המבנה הנקבובי ושטח פנים היו תמיד היטב על ידי השיטות בתצהיר זרזים בשימוש בפרוטוקול זה. התגובה הכוללת של הסוללה nonaqueous Li-O 2 הוא 2Li + + O 2 + 2e - → Li 2 O 2 2,3,7 תגובות לוואי, כגון פירוק אלקטרוליט, הם גם עלולים להתרחש עקב פעילות של חומרים. ביניים בשימוש בתא. עם זאת, במחקר בשלב הנוכחי, תגובות לוואי ומוצרי לוואי (LiOH, Li 2 CO 3, וכו '.) צומצמו באופן משמעותי עם השיפור של חומרים וטכנולוגיות סינתזה. כפי שניתן לראות בתרשים 2, למרות שאולי יש כמות קטנה של byproducts, הכמות נמוכה מדי כדי להיות מזוהה על ידי XRD. משטח רגיש כמה טכניקות, כגון XPS, FT-IR, ספקטרוסקופיית ראמאן, הם, אם כן, נעשו שימוש כדי לזהות את המוצרים קלים, במיוחד על אזור המשטח. אין ספק כי יציבותה של אלקטרוליטים מאוד קריטית בסביבת חמצן תגובות אלקטרוכימיים. אלקטרוליטים מבוססי Ether (למשל, TEGDME) יציבים יחסית בשלב הנוכחי של המחקר סוללת ליתיום-O 2. עם זאת, התנהגותם עדיין צריכה להיחקר במהלך רכיבה על אופניים לטווח ארוכים; וחיפוש אלקטרוליטים יציבים היא עדיפות המחקר כיום.

יש כמה שיטות אפיון אחרות להקים התשואה הפריקה, או תוצרי לוואי, כגון ספקטרומטריית מסה (MS) ו טיטרציה. עם זאת, במהלך שלב המחקר הנוכחי, מערכת הסוללה היא הרבה יותר יציבה הפיכה, ואת תוצרי הלוואי צומצמו באופן משמעותי על ידי הפיתוח של חומרים אלקטרוליט קתודהאשר היו יותר יציב לחמצן המוצרים הפריקים. 3,13,15 במקרה זה, MS ו טיטרציה אינו רגישים מספיק כדי לאמוד את התשואה הפריקה. חוץ מזה, Lio 2, מוצר ביניים, יכול לא להיות מזוהה על ידי טיטרציה או, עקב פעילות הקיצונית.

במאמר זה, הוכיחו לנו פרוטוקול שיטתי ויעיל של בדיקות שגרתיות של הסוללה aprotic Li-O 2, כולל מבחן ביצועים ואפיון של חומרים הסוללה תוצרי התגובה. הגישות של תוצאת טעינת זרז בתוך התפלגות אחידה של זרז חלקיקים עם שימור של מבנה השטח של מצע פחמן. פרוטוקול האסיפה מתאים מייעל את החומרים הפעילים ומבטיחה הסביבה טהור-O 2 עבור התגובות אלקטרוכימיים.

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

הנדסה גיליון 113 aprotic Li-O קתודה נקבובית אלקטרוליט aprotic האנודה ליתיום הנדסה כימית אלקטרוכימיה אפיון
פרוטוקול של מבחן אלקטרוכימי אפיון Aprotic Li-O<sub&gt; 2</sub&gt; סוללה
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