Introduction
Nel 1996, Abraham e Jiang 1 riferito alla prima batteria reversibile non acquoso Li-O 2 costituito da un catodo poroso di carbonio, un elettrolita organico, e un anodo Li-metallo. Da allora, a causa della sua altissima densità di energia teorica superiore a quella di altri sistemi di accumulo di energia esistenti, la batteria Li-O 2, che induce un flusso di corrente per ossidazione del litio all'anodo e la riduzione dell'ossigeno al catodo ( Li reazione generale + + O 2 + e - ↔ Li 2 O 2), ha ricevuto notevole interesse recente 1-8.
Un materiale catodico con i seguenti requisiti sarebbe in grado di soddisfare le esigenze di elevate prestazioni di Li-O 2 batterie: (1) l'ossigeno veloce diffusione; (2) buona conducibilità elettrica e ionica; (3) ad alta superficie specifica; e (4) la stabilità. Sia l'area superficiale e porosità del catodo sono critici per la. prestazioni elettrochimiche di Li-O 2 batterie 9-12 La struttura porosa consente la deposizione di prodotti solidi scarico generati dalla reazione di cationi Li con O 2; e superfici più grandi offrono più siti attivi per accogliere le particelle elettrocatalitiche che accelerano le reazioni elettrochimiche. Tali elettrocatalizzatori sono aggiunte al materiale catodico da certi metodi di deposizione, che forniscono una forte adesione al substrato ed un buon controllo delle particelle di catalizzatore, con conservazione della struttura originaria superficie porosa del substrato. 13-17 I materiali preparati sono testati nelle cellule Swagelok-tipo come il catodo della batteria aprotico Li-O 2. Tuttavia, le prestazioni della cella dipende non solo dalla natura dei materiali catodici, ma anche dal tipo di elettrolita aprotico 18-22 ed anodo Li-metallo. 23-26 Altre influenze includono la quantità e la concentrazione dei materiali e la pROCEDURA utilizzato nei test di carica / scarica. condizioni e protocolli corretta sarebbero ottimizzare e migliorare le prestazioni complessive di materiali batteria.
In aggiunta ai risultati del test elettrochimico, le prestazioni della batteria può essere valutato anche caratterizzando i materiali incontaminate e prodotti di reazione. 27-33 microscopio elettronico a scansione (SEM) è utilizzato per studiare la microstruttura della superficie del materiale del catodo e la morfologia evoluzione dei prodotti di scarico. la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), l'assorbimento di raggi X in prossimità struttura di bordo (XANES), e X-ray spettroscopia fotoelettronica (XPS) possono essere utilizzati per determinare la ultrastruttura, stato chimico, e il componente di elementi, in particolare per quella di nanoparticelle di catalizzatore. Ad alta energia diffrazione di raggi X (XRD) è utilizzato per identificare direttamente i prodotti di scarico cristallina. Possibile decomposizione elettrolita può essere determinata attenuato Fourier riflessione totale trasformareinfrarossi (ATR-FTIR) e spettri Raman.
Questo articolo è un protocollo che dimostra una disposizione sistematica ed efficiente dei test di routine della aprotico batteria agli ioni di O 2, compresa la preparazione di materiali batteria e gli accessori, il test delle prestazioni elettrochimiche, e caratterizzazione di materiali incontaminate e prodotti di reazione. Il protocollo video dettagliato ha lo scopo di aiutare i nuovi professionisti nel settore evitano molti errori più comuni associati al test delle prestazioni e la caratterizzazione di Li-O 2 batterie.
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Protocol
Si prega di consultare tutte le pertinenti schede di sicurezza materiale (MSDS) prima dell'uso. Molti dei prodotti chimici utilizzati in queste sintesi sono altamente tossici e cancerogeni. I nanomateriali possono avere rischi aggiuntivi rispetto alla loro controparte di massa. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate durante l'esecuzione di una reazione nanocristallo compreso l'uso di controlli tecnici (cappa aspirante, cassetto portaoggetti) e dispositivi di protezione individuale (occhiali, guanti, camice, pantaloni a figura intera, chiuso-toe scarpe). Porzioni delle seguenti procedure implicano tecniche di manipolazione standard di libera-aria.
1. Sintesi di materiali catodici
Nota: materiali catodici possono essere sintetizzati da una deposizione di strati atomici o reazione chimica umida.
- Atomic Layer Deposition (ALD)
- Disperse 5 g di carbone poroso in 100 ml 1 M KMnO 4 soluzione sotto agitazione magnetica per 12 ore.
- Stendere 100 mg di the ossidato polvere di carbone su un vassoio di acciaio inossidabile dello strumento ALD, e serrare un coperchio maglia di acciaio inossidabile sopra il vassoio.
- Tenere la polvere di carbone nel vassoio a 200 ° C sotto flusso continuo di 300 sccm ultra-elevata purezza gas carrier azoto alla pressione di 1 Torr per 30 min.
- Trattare la polvere di carbone con un ciclo completo ALD come segue.
Nota: Prendere le nanoparticelle Pd come un esempio dei elettrocatalizzatori in questo protocollo. I reagenti possono essere cambiati in base alle specifiche esigenze. Tutti i reagenti sono usate così come ricevuto senza ulteriore purificazione.- Esporre il substrato di carbonio (100 mg) al palladio hexafluoroacetylacetonate (Pd (hfac) 2, 99,9%) a 200 ° C per 100 min.
- Spurgare il vassoio con flusso continuo di 300 sccm ultra-elevata purezza gas carrier azoto alla pressione di 1 Torr per 300 min.
- Esporre il substrato carbonio formalina (HCHO 37 wt.% In H 2 O) a 200 ° C per 100 min.
- Purge tegli vassoio con flusso continuo di 300 SCCM ultra-elevata purezza gas di trasporto di azoto alla pressione di 1 Torr per 300 min.
- ciclo di ALD Ripetere se necessario. Di solito 3-10 ripetizioni.
- Wet-chimica reazione
Nota: Prendere le nanoparticelle Fe come un esempio della electrocatalyst in questo protocollo. I reagenti possono essere cambiati in base alle specifiche esigenze. Tutti i reagenti sono usate così come ricevuto senza ulteriore purificazione.- Disperse 5 g di carbone poroso in 100 ml 1 M KMnO 4 soluzione sotto agitazione magnetica per 12 ore.
- Lavare il carbonio ossidato con acqua deionizzata.
- Filtrare il carbonio lavato con una beuta per filtrazione munito di una fibra di vetro, e poi asciugare in stufa a 110 ° C per 12 ore.
- Disperdere il carbone essiccato in 100 ml di acqua deionizzata, quindi aggiungere 1 g di FeCl 3 sotto agitazione magnetica.
- Regolare il valore di pH di circa 9, utilizzando 1 soluzione M di NaOH.
- Mescolare il Resulting slurry per 5 ore, quindi filtrare la sospensione con una beuta per filtrazione munito di una fibra di vetro.
- Lavare il prodotto con acqua deionizzata ed etanolo. Poi asciugare in stufa a 110 ° C per una notte.
- Calore-trattare il prodotto a 450 ° C con un flusso continuo di H 2 miscela / Ar (4% H 2) in un forno tubo di quarzo. Utilizzare una portata di 100 ml / min per 5 ore.
2. Preparazione di elettrodi ed elettroliti
- catodico
- Mescolare il materiale catodico come preparati e legante poli (fluoruro di vinilidene) (PVDF) in un rapporto di 4: 1 in peso.
Nota: Il totale della miscela dipende dalla quantità dei catodi. Il caricamento del materiale catodico su ogni pezzo è nel range di 0,1-1 mg. - Aggiungere 1-metil-2-pyrrolidinone (NMP) alla miscela e mescolare bene per fare un impasto ancora-strutturato. Aggiungere NMP a circa tre volte il peso della miscela.
- Cappotto la poltiglia su carbopaper n da una racla con uno spessore di circa 100 micron.
- Essiccare il laminato in stufa da vuoto a 100 ° C per una notte.
- Perforare il laminato in dischi con una perforatrice a un diametro di 7/16 pollici, e si pesa.
- Mescolare il materiale catodico come preparati e legante poli (fluoruro di vinilidene) (PVDF) in un rapporto di 4: 1 in peso.
- aprotico elettroliti
- Trifluorometansolfonato Dry litio (LICF 3 SO 3) in stufa da vuoto a 100 ° C per una notte.
- Aggiungere essiccato LICF 3 SO 3 in tetraetilen glicol dimetil etere (TEGDME; H 2 O ~ 10 ppm) con una concentrazione di 1 mol / L, quindi agitare la soluzione sotto agitazione magnetica finché il sale è disciolto.
- Tenere l'elettrolita in un cassetto portaoggetti pieno di Ar.
- Anodo
- Perforare i fogli litio / chip in dischi con una perforatrice ad un diametro di 7/16 pollici.
3. elettrochimica Testing
- Assemblaggio di Swagelok cellulare </ Strong>
Nota: Tutte le fasi del montaggio sono gestiti in un cassetto portaoggetti piena di Ar, tranne 3.1.9.- Montare il set Swagelok come mostrato in Figura 1a. Stringere la fine anodo, e allentare la fine del catodo.
- Mettere un pezzo di chip di metallo di litio (diametro 7/16 pollici) sulla sommità della barra di acciaio inossidabile dell'estremità dell'anodo.
- Mettere un pezzo di separatore in fibra di vetro (diametro 1/2 pollici) sulla sommità del anodo di litio metallico.
- Aggiungere 5-7 gocce di elettrolita di bagnare completamente il separatore in fibra di vetro. Premere delicatamente il separatore per rimuovere le bolle.
- Mettere un pezzo di catodo sulla parte superiore del separatore bagnata, con il materiale attivo di fronte l'anodo.
- Coprire il catodo con un pezzo di maglia di alluminio (diametro 7/16 pollici).
- Premere i livelli di cui sopra con il tubo di alluminio, poi stringere la fine del catodo.
- Sigillare tutta la cella Swagelok in una camera di vetro, e fissare la camera con un morsetto, come illustrato in
- Prendere tutta la cella di vano portaoggetti. Collegare la camera di vetro ad un serbatoio di ossigeno ultra-elevata purezza, e spurgare con flusso continuo di ossigeno alla pressione di 1 atm per 30 min.
- Batteria Performance Testing
- Impostare un termostato a 25 ° C.
- Mettere le cellule e gli elettrodi (clip elettronici collegati al dispositivo tramite un cavo) nel termostato, e correggerli.
- Agganciare il catodo e l'anodo sulla camera di vetro con corrispondenti clip elettronici.
- Aprire il software operativo del sistema di test della batteria, e selezionare il canale collegato con il cavo.
- Impostare una procedura del test elettrochimico.
Nota: Impostare la densità di corrente di 100 mA / g materiale attivo, e la gamma di tensione di 2,2-4,5 V.- Impostare la tensione di scarica cut-off di 2,2 V per il test di scarico.
- Impostare la scarica / carica step-time di 5 o 10 ore per la prova di ciclismo di capacità controllata. Impostare la tensione di scarica di cut-off di 2,2 V e carica di tensione cut-off di 4,5 V per il test ciclismo controllato in tensione.
- Eseguire la procedura facendo clic sul pulsante "Esegui" sull'interfaccia del software.
- Smontaggio e pulizia della cella
- Smontare le cellule in un cassetto portaoggetti.
- Conservare gli elettrodi in fiale di vetro per le seguenti caratterizzazioni. Trasferimento in altre parti delle cellule fuori del cassetto portaoggetti.
- Mettere le parti Swagelok, barre in acciaio inox, tubi di alluminio, e maglie di alluminio in soluzione di acetone (~ 20%) o acqua deionizzata in un bicchiere, e pulirli con ultrasuoni per 15-30 min.
- Essiccare le parti e le camere di vetro in un termostato regolato a 60-80 ° C.
4. Preparazione di caratterizzazione campioni
Nota: I campioni sono preparati in una cappa (per i materiali come preparati) o di un cassetto portaoggetti pieni di Ar (per ariacampioni sensibili).
- I campioni per SEM e XPS
- Attaccare un nastro di carbonio sul palco del campione. Il nastro di carbonio può essere grande quanto la fase del campione, o piccolo come il pezzo campione.
- Tagliare un pezzo di campione di circa 5 mm 2, e incollarla sul nastro di carbonio.
Nota: Il campione può essere qualsiasi campione non magnetici. Per i campioni dopo i test elettrochimici, lavarli con il solvente elettrolitico prima del bastone al nastro di carbonio. - Sigillare i campioni di aria sensibile in un vaso di muratore prima della misurazione.
- Azionare il SEM 34-36 o XPS 37,38 secondo le istruzioni del produttore.
- I campioni per la TEM
- Mill 1 mg della polvere del campione.
Nota: Per i campioni di elettrodi, raschiare i materiali attivi fuori la carta carbone prima di fresatura. - Caricare la polvere del campione su una griglia di rame, e rimuovere la polvere sciolta.
- Caricare il g di rameliberarsi al titolare campione di TEM.
Nota: Ottenere questo passo fatto il più velocemente possibile per i campioni di aria sensibili. - Eseguire TEM. 39-41
- Mill 1 mg della polvere del campione.
- I campioni per XRD ad alta energia
- i campioni in polvere
- Sigillare una estremità di un tubo poliimmide da argilla o colla.
- Caricare la polvere nel tubo.
- Sigillare l'altra estremità del tubo.
- esemplari del disco
Nota: Per misurare i materiali attivi dell'elettrodo, un'altra opzione è quella di raschiare loro fuori la carta carbone e seguire passo 4.3.1.- Sigillare i pezzi campione con un pezzo di nastro in poliammide. Sigillare mettendo i campioni nel bel mezzo di un pezzo di nastro adesivo, e li copre con un altro pezzo di nastro adesivo.
Nota: per i campioni dopo i test elettrochimici, lavarli con il solvente elettrolitico prima di sigillare.
- Sigillare i pezzi campione con un pezzo di nastro in poliammide. Sigillare mettendo i campioni nel bel mezzo di un pezzo di nastro adesivo, e li copre con un altro pezzo di nastro adesivo.
- Azionare il XRD ad alta energia 42-44 in Advanced PhFonti Oton in Argonne National Laboratory.
- i campioni in polvere
- I campioni per XANES
- campioni di polvere
- Diluire i campioni se la concentrazione degli elementi misurati è elevata, utilizzando nitruro di boro (BN) o nerofumo come agente diluito. Qui, diluire a 3-5 WT. %.
- Premere la polvere nel disco con diametro di 7 mm e lo spessore di circa 1 mm, utilizzando un kit KBr Premere e 7 mm Die.
- Sigillare il disco con pellicole per vetri.
- esemplari del disco
- Sigillare il campione con pellicole per vetri.
- Azionare l'alta energia XANES 45-47 in Advanced Photon Fonti di Argonne National Laboratory.
- campioni di polvere
- I campioni per ATR-FTIR
- Pulire la riflessione totale dell'unità diamante attenuata (ATR) prima e dopo la misurazione.
- Mettere campioni sull'unità diamante per tutti i campioni interessate.
- Eseguire ATR-FTIR spettrometria. 48,49
- I campioni per spettri Raman
- Mettere il campione su una tavola piana (vetro, acciaio inossidabile, ecc.).
- Coprire il campione con un vetrino di copertura.
- Sigillare il set per i campioni di aria sensibili.
- Eseguire Raman spettrometria. 50,51
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Representative Results
Figura 1a mostra la configurazione della cella Swagelok-tipo di test della batteria Li-O 2. Un pezzo di pellicola di litio è posto su un'asta di acciaio inox alla fine dell'anodo. Il catodo poroso è aperto a puro O 2 attraverso un tubo di alluminio. fibra di vetro è utilizzato come un separatore e un assorbitore di elettrolita aprotico; e Al-maglia è usato come una corrente di collettore. La cellula intera Swagelok tipo è sigillato in una camera di vetro riempita con ultraelevato ossigeno purezza. Per approfondimento, diversi metodi di caratterizzazione sono applicati per esaminare il sistema di batterie, compresi i materiali dell'elettrodo come preparati e prodotti di reazione. SEM e TEM immagini presentano la microstruttura dei campioni. Immagini SEM della polvere di carbonio prima (figura 1c) e dopo (figura 1d) il catalizzatore loading dimostrano una corretta conservazione della struttura superficiale porosa. Immagini TEM (1e Figura) spettacolos le nanoparticelle elettrocatalitici distribuire uniformemente sul substrato di carbonio; e nanoparticelle ben cristallizzati sono mostrati l'immagine TEM ad alta risoluzione nella figura 1f in. Anche se le immagini di microscopia elettronica mostrano dettaglio morfologia e struttura dei elettrocatalizzatori, altre tecniche di caratterizzazione basate X-ray possono fornire ulteriori informazioni sulla loro composizione chimica e lo stato mantovana. Come mostrato in Figura 1b, 13 XANES, che vengono applicati per determinare gli stati di valenza, mostrano che le nanoparticelle elettrocatalitici sono parzialmente ossidati dovuto alla preparazione di catodi nell'aria.
Come preparati materiali catodici sono testati in cellule Swagelok-tipo in una finestra di tensione di 2,2-4,5 V (vs Li + / Li). Profili tipici tensione per cicli di scarica e scarica-carica sono riportati nella Figura 2a e b. Con la presenza del electrocatalyst caricato da ALD, la capacità specifica di scarica è aumentata a oltre 4000 mAh / g quando la cella viene scaricata a 2,2 V, rispetto a quella del catodo senza elettrocatalizzatori (905 mAh / g). Il potenziale di carica ridotta a 3,4 V quando la capacità cellulare è controllato a 500 mAh / g (figura 2b), che sono significativi miglioramenti confrontando con un potenziale di carica di 4 V (Figura 2b) per catodi carbonio nudi. Per meglio valutare le prestazioni della batteria e capire il meccanismo di reazione elettrochimica, i campioni in diverse fasi di scarica / carica sono sottoposti alla caratterizzazione utilizzando più tecniche avanzate. L'immagine SEM di catodo scarico come mostrato in figura 2c, i prodotti di scarico hanno la forma toroidale, che sono ampiamente accettato come la morfologia primaria di Li 2 O 2 in Li-O 2 cellule. 15,52 XRD modello viene utilizzato come una prova diretta per identificare i prodotti cristallini. C'è unre solo picchi di Li 2 O 2 e carbonio nel modello XRD della scarica catodo (figura 2d), suggerendo che le reazioni collaterali sono minimizzate nella cella.
XPS e spettri Raman sono utilizzati per identificare la composizione superficie su elettrodi a diverso stato di carica / scarica. Secondo gli spettri XPS (figura 3a), Li 2 O 2 e la forma LiOH sulla superficie catodica dopo lo scarico; e caricando, Li 2 O 2 è ridotta ma il prodotto irreversibile LiOH rimane sulla superficie. Una piccola quantità di LiO 2, un prodotto intermedio del transfer monoelettronico ORR, viene rilevato mediante spettroscopia Raman (Figura 3b). LiO 2 è metastabile a causa della sua facile disproportionation, il che rende rilevato solo con la tecnica caratterizzazione superficiale, sensibile come spettroscopia Raman. Il segnale di vibrazione di OH e C = O legame nella FT-IR spettri (Figura 3c e d) indica la presenza dell'elettrolita dell'etere nonché altre idrossido, carbonato o specie carbonile sulla superficie di Li anodo o il separatore in fibra di vetro, che formano nelle reazioni collaterali quali come elettrolito decomposizione e l'effetto dell'ossigeno crossover.
Figura 1. cellule Swagelok-tipo e materiali preparati. (A) Schema di una cella Swagelok sigillata in un vetro camera. (B) Pd K-edge XANES spettri del materiale catodico come preparato, ristampato da ref. 13. (c, d) immagini SEM della polvere di carbonio prima e dopo electrocatalyst carico rispettivamente. (E, f) TEM e immagini HRTEM della polvere di carbone con electrocatalyst rispettivamente..com / files / ftp_upload / 53740 / 53740fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Tensione Profili del processo di scarica / carica e la caratterizzazione dei catodi scariche. (A, b) il profilo di tensione di una scarica a 2,2 V e un ciclo di scarica-carica delle capacità controllata, rispettivamente. (C, d) Immagine SEM e XRD modello ad alta energia del catodo di scarica della batteria Swagelok di tipo Li-O 2, rispettivamente. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. (A) spettri XPS di Li 1s picchi a diverso stato di carica / scarica, ristampato da ref. 13. (b) spettri Raman dei catodi di carbonio scaricate a 2,5 V. (c, d) spettri FTIR dell'anodo e del separatore dopo cicli di scarica-carica, rispettivamente. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Considerando la sensibilità di Li-O 2 sistema di batteria all'aria, in particolare CO 2 e l'umidità, molti passi nel protocollo sono necessarie per ridurre gli interferenti ed evitare reazioni secondarie. Ad esempio, la cella Swagelok tipo è montato in un vano portaoggetti riempito di Ar con O 2 <0.5 ppm e H 2 O <0,5 ppm; e tutti i materiali catodici, elettroliti solvente e sale, fibra di vetro, parti Swagelok, e le camere di vetro vengono essiccati prima dell'assemblaggio per ridurre la contaminazione da umidità. L'estremità dell'anodo è un tondino di acciaio inox per evitare il contatto diretto tra metallo litio e O 2 e per proteggere l'anodo di litio. L'intero setup Swagelok è posto in una camera di vetro-ossigeno-riempita puro che garantisce un contenitore a tenuta stagna sigillando con O-ring e il vuoto grassi. Inoltre, Al-mesh, la corrente di collettore, può contribuire a proteggere il catodo carbonio fragili.
i elecTest trochemical dimostrare che i materiali catodici come preparati hanno mostrato un comportamento elettrochimico superiore in batteria agli ioni di O 2. A causa di ciò, le nanoparticelle di catalizzatore sono stati uniformemente dispersi sul supporto zona carbonio superficiale, e che la struttura porosa e superficie erano ben perseverato dai metodi di deposizione catalizzatori utilizzati in questo protocollo. La reazione complessiva della batteria non acquoso Li-O 2 è 2Li + + O 2 + 2e - → Li 2 O 2 2,3,7 reazioni collaterali, quali la decomposizione elettrolita, sono anche potenziale, dovuta all'attività dei materiali. e gli intermedi usati in una cella. Tuttavia, nella ricerca, nella fase attuale, le reazioni collaterali e sottoprodotti (LiOH, Li 2 CO 3, ecc.) Sono stati notevolmente ridotti con il miglioramento dei materiali e delle tecnologie di sintesi. Come mostrato in figura 2d, anche se ci potrebbe essere una piccola quantità di BYPRodotti, l'importo è troppo bassa per essere rilevata dal XRD. Alcune tecniche di superficie sensibile, come XPS, FT-IR, e spettroscopia Raman, sono, quindi, utilizzati per individuare i prodotti minori, in particolare sulla regione superficie. Non vi è dubbio che la stabilità degli elettroliti è molto critico in ambiente di ossigeno e reazioni elettrochimiche. Elettroliti Ether-based (ad esempio, TEGDME) sono relativamente stabili nella fase attuale di Li-O 2 la ricerca della batteria. Tuttavia, ha ancora bisogno di loro comportamento di essere indagato durante il lungo periodo in bicicletta; e la ricerca di elettroliti stabili è la priorità di ricerca attualmente.
Ci sono altri metodi di caratterizzazione per determinare la resa di scarico, o sottoprodotti, quali spettrometria di massa (MS) e la titolazione. Tuttavia, in fase di ricerca corrente, il sistema di batterie è molto più stabile e reversibile, ed i sottoprodotti sono stati significativamente ridotta dallo sviluppo di materiali elettrolitici e catodoche sono stati più stabile all'ossigeno e prodotti di scarico. 3,13,15 In questo caso, MS e la titolazione non sono abbastanza sensibili per stimare il rendimento scarico. Inoltre, LiO 2, il prodotto intermedio, non può essere rilevato mediante titolazione sia, a causa della sua estrema attività.
In questo articolo, abbiamo dimostrato un protocollo sistematica ed efficiente di test di routine di batteria aprotico Li-O 2, compresa la prova di efficienza e caratterizzazione di batterie e prodotti di reazione. Gli approcci di risulta catalizzatore carico in una distribuzione uniforme di catalizzatore nanoparticelle con conservazione della struttura superficiale del substrato di carbonio. Protocollo montaggio appropriata ottimizza i materiali attivi e assicura l'ambiente puro-O 2 per le reazioni elettrochimiche.
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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).
