Waiting
Login processing...

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

Engineering

بروتوكول الكهروكيميائية اختبار وتوصيف ابروتوني لي-O 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

في عام 1996، أفاد إبراهيم وجيانغ 1 أول عكسها غير مائي ليثيوم O 2 بطارية تتكون من الكاثود مسامية الكربون، عضوي المنحل بالكهرباء، والأنود ليثيوم معدن. ومنذ ذلك الحين، وذلك بسبب كثافة الطاقة عالية للغاية النظرية التي تزيد على ذلك في أي أنظمة أخرى موجودة تخزين الطاقة، وبطارية ليثيوم-O 2، الذي يؤدي الى تدفق التيار من قبل أكسدة الليثيوم في القطب الموجب والحد من الأوكسجين عند الكاثود ( تلقت ↔ لي 2 O 2)، اهتماما كبيرا في الآونة الأخيرة 1-8 - عموما لي رد فعل + + O 2 + ه.

ومن شأن المواد الكاثود مع المتطلبات التالية تكون قادرة على تلبية احتياجات الأداء العالي ليثيوم O 2 بطارية: (1) انتشار الأوكسجين سريع. (2) الموصلية الكهربائية والأيونية جيد. (3) عالية مساحة محددة؛ و (4) الاستقرار. كل من المساحة السطحية والمسامية الكاثود هي الحاسمة ل. الأداء الكهروكيميائية ليثيوم O 2 بطاريات 9-12 وبنية مسامية تسمح للترسب المنتجات تصريف الصلبة المتولدة من رد فعل الكاتيونات لي مع O 2. وتوفر مساحات أكبر مواقع أكثر نشاطا لاستيعاب جزيئات electrocatalytic من شأنها تسريع التفاعلات الكهروكيميائية. وتضاف هذه electrocatalysts للمادة الكاثود من ترسب الطرق معينة، والتي توفر التصاق قوي للالركيزة ومراقبة جيدة من الجسيمات محفز، مع الحفاظ على بنية سطح مسامي الأصلي الركيزة. 13-17 يتم اختبار المواد ومعدة في الخلايا Swagelok من نوع بمثابة الكاثود من ابروتوني بطارية ليثيوم-O 2. ومع ذلك، فإن أداء الخلية لا يتوقف فقط على طبيعة المواد الكاثود، ولكن أيضا على نوع من بالكهرباء ابروتوني 18-22 وأنود ليثيوم معدن. وتشمل 23-26 عن التأثيرات كمية وتركيز المواد و صrocedure المستخدمة في الاختبارات تهمة / التفريغ. أن الظروف والبروتوكولات المناسبة تحسين وتحسين الأداء الكلي للمواد البطارية.

بالإضافة إلى نتائج اختبار الكهروكيميائية، وأداء البطارية ويمكن أيضا تقييم بوصف المواد البكر ومنتجات التفاعل. ويستخدم 27-33 الضوئي المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للتحقيق في المجهرية السطح من المواد الكاثود ومورفولوجية تطور المنتجات التفريغ. انتقال المجهر الإلكتروني (تيم)، وامتصاص الأشعة السينية قرب هيكل حافة (XANES)، والأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS) يمكن استخدامها لتحديد التركيب الدقيق، حالة كيميائية، وعنصر من العناصر، وخاصة بالنسبة للأن الجسيمات النانوية محفز. ويستخدم الطاقة العالية حيود الأشعة السينية (XRD) لتحديد مباشرة المنتجات تصريف البلورية. من الممكن التحلل بالكهرباء يمكن تحديده من خلال موهن إجمالي فورييه انعكاس تحويلالأشعة تحت الحمراء (ATR-FTIR) وأطياف رامان.

هذا المقال هو البروتوكول الذي يدل على ترتيب منهجي وفعال من الاختبارات الروتينية لابروتوني بطارية ليثيوم-O 2، بما في ذلك إعداد المواد البطارية والاكسسوارات، واختبار الأداء الكهروكيميائية، وتوصيف المواد البكر ومنتجات التفاعل. ويهدف البروتوكول فيديو مفصل لمساعدة ممارسي هذه المهنة في مجال تجنب العديد من الأخطاء الشائعة المرتبطة اختبار الأداء وتوصيف ليثيوم O 2 البطاريات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

يرجى التشاور مع جميع بيانات سلامة المواد ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام. العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في هذه التوليفات هي شديدة السمية ومسرطنة. قد يكون متناهية الصغر الأخطار إضافية مقارنة مع نظرائهم الأكبر. الرجاء استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة عند تنفيذ رد فعل النانوية بما في ذلك استخدام الضوابط الهندسية (غطاء الدخان، صندوق قفازات) ومعدات الحماية الشخصية (النظارات الواقية والقفازات ومعطف المختبر، كامل طول السراويل مغلقة اصبع القدم أحذية). أجزاء من الإجراءات التالية تنطوي على تقنيات معالجة خالية من الهواء القياسية.

1. تجميع المواد الكاثود

ملاحظة: مواد القطب السالب يمكن توليفها من قبل أي من ترسب طبقة الذري أو رد فعل الكيمياء الرطبة.

  1. الذري ترسب طبقة (محددة المدة)
    1. تفريق 5 غرام من الكربون التي يسهل اختراقها في 100 مل 1 M برمنجنات 4 الحل مع التحريك المغناطيسي لمدة 12 ساعة.
    2. نشر 100 ملغ من الالبريد أكسدة مسحوق الكربون على صينية الفولاذ المقاوم للصدأ وثيقة محددة المدة، وتضييق على تغطية شبكة الفولاذ المقاوم للصدأ على الدرج.
    3. عقد مسحوق الكربون في علبة على حرارة 200 درجة مئوية تحت تدفق مستمر من 300 فائقة النقاء غاز النيتروجين الناقل SCCM في 1 ضغط عربة لمدة 30 دقيقة.
    4. علاج مسحوق الكربون مع دورة محددة المدة كاملة كما يلي.
      ملاحظة: خذ النانوية المشتريات كمثال للelectrocatalysts في هذا البروتوكول. الكواشف يمكن ان تتغير وفقا لمتطلبات محددة. وتستخدم جميع الكواشف كما وردت دون أي تنقية أخرى.
      1. فضح الركيزة الكربون (100 ملغ) لhexafluoroacetylacetonate البلاديوم (المشتريات (hfac) 2، 99.9٪) على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 100 دقيقة.
      2. تطهير صينية مع استمرار تدفق 300 فائقة النقاء غاز النيتروجين الناقل SCCM في 1 ضغط عربة لمدة 300 دقيقة.
      3. فضح الركيزة الكربون إلى الفورمالين (HCHO 37 وزن٪ في H 2 O) على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 100 دقيقة.
      4. تطهير رانه صينية مع استمرار تدفق 300 فائقة النقاء غاز النيتروجين الناقل SCCM في 1 ضغط عربة لمدة 300 دقيقة.
    5. دورة محددة المدة كرر حسب الضرورة. عادة 3-10 التكرار.
  2. الرطب الكيمياء رد الفعل
    ملاحظة: خذ النانوية الحديد كمثال للelectrocatalyst في هذا البروتوكول. الكواشف يمكن ان تتغير وفقا لمتطلبات محددة. وتستخدم جميع الكواشف كما وردت دون أي تنقية أخرى.
    1. تفريق 5 غرام من الكربون التي يسهل اختراقها في 100 مل 1 M برمنجنات 4 الحل مع التحريك المغناطيسي لمدة 12 ساعة.
    2. غسل الكربون المؤكسد مع الماء منزوع الأيونات.
    3. تصفية الكربون غسلها مع قارورة مرشح مزودة الألياف الزجاجية، ثم جففه في الفرن على 110 درجة مئوية لمدة 12 ساعة.
    4. تفريق الكربون المجفف في 100 مل من الماء منزوع الأيونات، ثم يضاف 1 غرام من FeCl 3 تحت التحريك المغناطيسي.
    5. ضبط قيمة الرقم الهيدروجيني إلى حوالي 9، وذلك باستخدام 1 حل M هيدروكسيد الصوديوم.
    6. تحريك صesulting الطين لمدة 5 ساعة، ومن ثم تصفية الطين مع قارورة مرشح مزودة الألياف الزجاجية.
    7. يغسل المنتج مع الماء منزوع الأيونات والايثانول. ثم جففه في الفرن على 110 درجة مئوية لمدة ليلة وضحاها.
    8. للحرارة علاج المنتج في 450 درجة مئوية مع استمرار تدفق H 2 / AR خليط (4٪ H 2) في فرن أنبوب الكوارتز. استخدام معدل تدفق 100 مل / دقيقة لمدة 5 ساعة.

2. إعداد أقطاب وبالكهرباء

  1. أشعة الكاثود
    1. خلط المواد الكاثود كما أعدت وبولي الموثق (الفينيليدين الفلوريد) (PVDF) في نسبة 4: 1 الوزن.
      ملاحظة: مجموعه من خليط يعتمد على مقدار من القطب السالب. تحميل المواد الكاثود على كل قطعة في مجموعة من 0،1-1 ملغ.
    2. إضافة 1-ميثيل-2-pyrrolidinone (NMP) إلى الخليط، ويقلب جيدا لجعل الطين حتى محكم. إضافة NMP بنحو ثلاثة أضعاف وزن الخليط.
    3. معطف الطين على كاربوورقة ن من قبل شفرة الطبيب بسمك حوالي 100 ميكرون.
    4. تجفيف صفح في فرن الفراغ عند 100 درجة مئوية لمدة ليلة وضحاها.
    5. لكمة صفح إلى الأقراص مع الناخس حفرة ليبلغ قطرها 7/16 بوصة، وتزن عليه.
  2. ابروتوني بالكهرباء
    1. trifluoromethanesulfonate الجافة الليثيوم (LiCF 3 SO 3) في فرن الفراغ عند 100 درجة مئوية لمدة ليلة وضحاها.
    2. إضافة المجففة LiCF 3 SO 3 في الأثير tetraethylene جليكول ثنائي ميثيل (TEGDME، H 2 O ~ 10 جزء في المليون) مع تركيز 1 مول / لتر، ثم يقلب الحل مع التحريك المغناطيسي حتى يذوب الملح.
    3. الحفاظ على بالكهرباء في صندوق قفازات مليئة هارون.
  3. الأنود
    1. لكمة الليثيوم احباط / رقائق في الأقراص مع الناخس حفرة ليبلغ قطرها 7/16 بوصة.

3. الكهروكيميائية اختبار

  1. جمعية Swagelok خلية </ قوي>
    ملاحظة: يتم تشغيل جميع الخطوات من التجميع في صندوق قفازات مليئة هارون، باستثناء 3.1.9.
    1. تجميع مجموعة Swagelok كما هو مبين في الشكل 1A. تشديد نهاية القطب الموجب، وتخفيف نهاية الكاثود.
    2. وضع قطعة من رقاقة معدن الليثيوم (قطر 7/16 بوصة) على الجزء العلوي من قضيب الفولاذ المقاوم للصدأ من نهاية القطب الموجب.
    3. وضع قطعة من فاصل الألياف الزجاجية (قطر 1/2 بوصة) على الجزء العلوي من الأنود معدن الليثيوم.
    4. إضافة 5-7 قطرات من بالكهرباء الرطب تماما فاصل الألياف الزجاجية. اضغط بلطف الفاصل لإزالة الفقاعات.
    5. وضع قطعة من الكاثود على الجزء العلوي من فاصل المبللة، مع المادة الفعالة التي تواجه الأنود.
    6. تغطية الكاثود مع قطعة من شبكة الألومنيوم (قطر 7/16 بوصة).
    7. اضغط على الطبقات المذكورة أعلاه مع أنبوب الألومنيوم، ثم تشديد نهاية الكاثود.
    8. ختم الخلية Swagelok كلها في غرفة زجاجية، وإصلاح الغرفة مع المشبك، كما هو مبين في
    9. أخذ خلية كاملة من صندوق قفازات. ربط الغرفة الزجاجية إلى خزان الأوكسجين فائقة النقاء، وتخليصها مع تدفق الأوكسجين المستمر في 1 ضغط جوي لمدة 30 دقيقة.
  2. بطارية اختبار الأداء
    1. تعيين الحرارة إلى 25 درجة مئوية.
    2. وضع الخلايا والأقطاب الكهربائية (مقاطع الإلكترونية متصلا المعدات عن طريق كابل) في الحرارة، واصلاحها.
    3. مقطع الكاثود والأنود في غرفة زجاجية مع مقاطع الإلكترونية المقابلة.
    4. فتح برنامج التشغيل من نظام اختبار البطارية، وحدد قناة اتصال مع كابل.
    5. وضع الداخلي للاختبار الكهروكيميائية.
      ملاحظة: تعيين الكثافة الحالية من 100 مللي أمبير / ز المادة الفعالة، ومجموعة من الجهد 2،2-4،5 V.
      1. تعيين التفريغ قطع التيار الكهربائي 2.2 V لاختبار التفريغ.
      2. تعيين التفريغ / المسؤول عن خطوة لمرة ومن 5 أو 10 ساعة لتسيطر عليها اختبار القدرات ركوب الدراجات. تعيين التفريغ قطع التيار الكهربائي 2.2 V وتهمة قطع التيار الكهربائي من 4.5 V للتحكم الجهد اختبار ركوب الدراجات.
    6. تشغيل الإجراء عن طريق النقر على زر "تشغيل" على واجهة البرنامج.
  3. التفكيك وتنظيف الخلية
    1. تفكيك الخلايا في صندوق قفازات.
    2. الحفاظ على أقطاب كهربائية في قوارير زجاجية لالأوصاف التالية. نقل أجزاء أخرى من الخلايا من صندوق قفازات.
    3. وضع أجزاء Swagelok، قضبان الفولاذ المقاوم للصدأ، أنابيب الألومنيوم، وتنسجم الألومنيوم في حل الأسيتون (~ 20٪) أو منزوع الأيونات الماء في كوب، وتنظيفها مع ultrasonication مدة 15-30 دقيقة.
    4. تجفيف أجزاء وغرف الزجاج في الحرارة المقرر أن 60-80 درجة مئوية.

4. إعداد توصيف العينات

ملاحظة: يتم إعداد العينات في غطاء (لأنها مواد معدة) أو صندوق قفازات مليئة هارون (للنقل الجويالعينات الحساسة).

  1. عينات لوزارة شؤون المرأة وXPS
    1. عصا الشريط الكربون على المسرح العينة. الشريط الكربون يمكن أن تكون كبيرة مثل مرحلة عينة، أو صغيرة مثل قطعة عينة.
    2. قطع قطعة من العينة حوالي 5 مم 2، والتمسك بها على الشريط الكربون.
      ملاحظة: العينة يمكن أن يكون أي عينات غير المغناطيسية. للعينات بعد الاختبارات الكهروكيميائية، وغسلها مع مذيب بالكهرباء قبل عصا على الشريط الكربون.
    3. ختم العينات حساس الهواء في جرة ميسون قبل القياس.
    4. تعمل وزارة شؤون المرأة 34-36 أو XPS 37،38 وفقا لتعليمات الشركة الصانعة.
  2. عينات لتيم
    1. مطحنة 1 ملغ من مسحوق العينة.
      ملاحظة: للحصول على عينات الكهربائي، تتخلص من المواد الفعالة من ورق الكربون قبل الطحن.
    2. تحميل مسحوق العينة على شبكة النحاس، وإزالة البودرة السائبة.
    3. تحميل النحاس زتخليص لصاحب العينة من تيم.
      ملاحظة: احصل على هذه الخطوة القيام به في أسرع وقت ممكن للحصول على عينات حساس الهواء.
    4. أداء تيم. 39-41
  3. عينات لحيود الأشعة السينية ذات الطاقة العالية
    1. عينات مسحوق
      1. ختم واحدة من نهاية الأنبوب بوليميد من الطين أو الغراء.
      2. تحميل مسحوق في أنابيب.
      3. ختم الطرف الآخر من الأنبوب.
    2. عينات القرص
      ملاحظة: لقياس المواد الفعالة في القطب، هناك خيار آخر هو أن تتخلص منهم من ورق الكربون واتبع الخطوة 4.3.1.
      1. ختم قطع عينة مع قطعة من الشريط البولي أميد. اغلاق طريق وضع العينات في منتصف قطعة واحدة من الشريط، وتغطي عليها مع قطعة أخرى من الشريط.
        ملاحظة: للحصول على العينات بعد الاختبارات الكهروكيميائية، وغسلها مع مذيب بالكهرباء قبل أن ينتزع.
    3. تشغيل حيود الأشعة السينية ذات الطاقة العالية 42-44 في فتاه المتقدممصادر أطأن في مختبر أرغون الوطني.
  4. عينات لXANES
    1. عينات مسحوق
      1. تمييع العينات إذا كان تركيز العناصر قياس عالية، وذلك باستخدام إما نيتريد البورون (الجبهة الوطنية) أو الكربون الأسود وكيلا مخفف. هنا، ويخفف إلى 3-5 بالوزن. ٪.
      2. اضغط على مسحوق إلى القرص مع قطرها 7 مم وسمك حوالي 1 ملم، وذلك باستخدام مجموعة كي بي آر الصحافة ويموت 7 ملم تعيين.
      3. ختم القرص مع فيلم النافذة.
    2. عينات القرص
      1. ختم العينة مع فيلم النافذة.
    3. تشغيل الطاقة العالية XANES 45-47 في مصادر فوتون المتقدمة في مختبر أرغون الوطني.
  5. عينات لATR-FTIR
    1. تنظيف الانعكاس الكلي (ATR) وحدة الماس الموهن قبل وبعد القياس.
    2. وضع العينات في وحدة الماس لجميع العينات المعنية.
    3. أداء ATR-FTIR الطيف. 48،49
  6. عينات لأطياف رامان
    1. وضع العينة على لوح مسطح (الزجاج والفولاذ المقاوم للصدأ، الخ.).
    2. تغطية العينة مع شريحة الغطاء.
    3. ختم مجموعة لعينات حساس الهواء.
    4. أداء رامان الطيفي. 50،51

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 1A الإعداد للخلية Swagelok نوع من اختبار بطارية ليثيوم-O 2. يتم وضع قطعة من فيلم الليثيوم على قضيب الفولاذ المقاوم للصدأ في نهاية الأنود. الكاثود مسامية مفتوح لليا نقية 2 من خلال أنبوب الألومنيوم. يستخدم الألياف الزجاجية كما فاصل وامتصاص بالكهرباء ابروتوني. ويستخدم آل شبكة باعتباره جامع الحالي. وختم الخلية Swagelok من نوع كلها في غرفة زجاجية مملوءة فائقة الأكسجين النقاء. لدراسة متعمقة، وتطبق أساليب توصيف متعددة لدراسة نظام البطارية، بما في ذلك المواد الكهربائي كما أعدت ومنتجات التفاعل. ووزارة شؤون المرأة وتيم الصور تظهر المجهرية للعينات. الصور SEM من مسحوق الكربون قبل (الشكل 1C) وبعد (1D الشكل) تحميل حافزا يبرهن على وجود الحفاظ جيدا للهيكل السطحي التي يسهل اختراقها. صور تيم (الشكل 1E) المعرضق النانوية electrocatalyst توزيع موحد على الركيزة الكربون؛ وترد النانوية تبلور بشكل جيد في الصورة تيم عالية الدقة في الشكل 1F. على الرغم من أن الصور المجهر الإلكتروني تظهر التشكل التفاصيل وهيكل electrocatalysts، يمكن أن تقنيات توصيف الأخرى القائمة الأشعة السينية توفر مزيد من المعلومات حول تركيبتها الكيميائية والدولة الستارة. كما هو مبين في الشكل 1B، 13 XANES الأطياف، والتي يتم تطبيقها لتحديد الدول التكافؤ، وتبين أن الجسيمات النانوية electrocatalyst تتأكسد ويرجع ذلك جزئيا إلى إعداد اقطاب في الهواء.

كما التحضير يتم اختبار المواد الكاثود في الخلايا Swagelok من نوع في إطار الجهد 2،2-4،5 الخامس (مقابل لى / + لي). وتظهر ملامح الجهد نموذجية لتصريف والتفريغ تهمة دورات في الشكل 2A و ب. مع وجود electrocatalyst تحميلها بواسطة محددة المدة، وزيادة القدرة على التصريف محددة إلى أكثر من 4000 مللي أمبير / ز عندما يتم الإعفاء من خلية إلى 2.2 V، مقارنة بما كان عليه من القطب السالب دون electrocatalysts (905 مللي أمبير / ز). خفضت إمكانية تهمة إلى 3.4 V عندما يتم التحكم في قدرة الخلية في 500 مللي أمبير / غ (الشكل 2B)، والتي هي تحسينات كبيرة مقارنة مع إمكانات المسؤول عن 4 V (الشكل 2B) لاقطاب الكربون العارية. لتقييم أفضل أداء البطارية وفهم آلية رد فعل الكهروكيميائية، يتعرضون عينات في مختلف مراحل التفريغ / المسؤول على توصيف متعددة باستخدام التقنيات المتقدمة. في صورة SEM من الكاثود تفريغها كما هو مبين في الشكل 2C، والمنتجات تصريف لها شكل حلقي، والتي تحظى بقبول واسع كما التشكل الأساسي لللي 2 O 2 في ليثيوم O 2 الخلية. 15،52 نمط حيود الأشعة السينية يستخدم كأساس على أدلة مباشرة لتحديد المنتجات البلورية. هناكإعادة قمم الوحيدة لي 2 O 2 والكربون في نمط حيود الأشعة السينية من القطب السالب اعفوا من الخدمة (الشكل 2D)، مما يدل على أن يتم الحد من التفاعلات الجانبية في الخلية.

وتستخدم XPS وأطياف رامان للتعرف على التركيب على سطح الأقطاب الكهربائية في مختلف حالة شحن / التفريغ. وفقا لأطياف XPS (الشكل 3A)، لي 2 O 2 و LiOH تتشكل على سطح الكاثود بعد التفريغ. وعن طريق فرض رسوم، لي 2 O 2 يتم تقليل لكن يبقى المنتج لا رجعة فيه LiOH على السطح. تم الكشف عن كمية ضئيلة من LIO 2، منتج وسيط لنقل الإلكترون واحد أور، التي رامان الطيفي (الشكل 3B). LIO 2 غير متبدل الاستقرار بسبب disproportionation عليها بسهولة، مما يجعل الكشف إلا عن طريق تقنية توصيف الحساسة للسطح مثل رامان الطيفي. إشارة اهتزاز OH و C = O السندات في FT-IR الأطياف (الشكل 3C ود) يدل على وجود بالكهرباء الأثير فضلا عن غيرها من هيدروكسيد، كربونات، أو الأنواع الكربونيل على سطح لي الأنود أو فاصل الألياف الزجاجية، والتي تشكل في التفاعلات الجانبية مثل بالكهرباء التحلل وتأثير الأكسجين كروس.

شكل 1
الشكل 1. خلية Swagelok من نوع والمواد وإعدادها. (أ) الخطط خلية Swagelok من نوع مختومة في غرفة زجاجية. (ب) المشتريات K-حافة XANES أطياف من المواد الكاثود كما معدة، وأعيد طبعه من المرجع. 13. (ج، د) الصور SEM من مسحوق الكربون قبل وبعد التحميل electrocatalyst، على التوالي. (ه، و) تيم والصور HRTEM من مسحوق الكربون مع electrocatalyst، على التوالي.كوم / ملفات / ftp_upload / 53740 / 53740fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. لمحات من الجهد / عملية تهمة التفريغ وتوصيف اقطاب تصريفها. (أ، ب) لمحة الجهد من إفرازات إلى 2.2 V ودورة التفريغ تهمة التي تسيطر عليها القدرة على التوالي. (ج، د) ووزارة شؤون المرأة صورة والطاقة العالية نمط حيود الأشعة السينية من القطب السالب تفريغها في Swagelok من نوع ليثيوم O 2 بطارية، على التوالي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل (3). (أ) الأطياف XPS من قمم لي 1S في مختلف حالة شحن / التفريغ، وأعيد طبعه من المرجع. 13. (ب) أطياف رامان من اقطاب الكربون خرجوا إلى 2.5 V. (ج، د) FTIR أطياف من الأنود وفاصل بعد التفريغ المسؤول، على التوالي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وبالنظر إلى حساسية ليثيوم O 2 نظام البطارية في الهواء، وخاصة CO 2 والرطوبة، والكثير من الخطوات في بروتوكول ضرورية من أجل الحد من interferents وتجنب التفاعلات الجانبية. على سبيل المثال، يتم تجميع الخلية Swagelok من نوع في صندوق قفازات مليئة هارون مع O 2 <0.5 جزء في المليون وH 2 O <0.5 جزء في المليون. ويتم تجفيفها جميع المواد الكاثود، المنحل بالكهرباء المذيبات والملح، والألياف الزجاجية وقطع Swagelok، والغرف الزجاجية قبل الجمعية للحد من التلوث الرطوبة. نهاية القطب الموجب هو قضيب الفولاذ المقاوم للصدأ وذلك لتجنب الاتصال المباشر بين معدن الليثيوم وO 2 وحماية الأنود الليثيوم. يتم وضع الإعداد Swagelok كله إلى حجرة زجاجية مملوءة الأكسجين النقي الذي يضمن وعاء مقاوم للتسرب الختم مع يا الدائري وفراغ الشحوم. وعلاوة على ذلك، آل شبكة، وجامع الحالي، يمكن أن يساعد على حماية الكاثود الكربون هش.

وكهربائياختبار trochemical تثبت أن المواد الكاثود كما معدة أظهرت السلوك الكهروكيميائي متفوقة في بطارية ليثيوم-O 2 بطارية. نظرا لذلك، وتم تفريق النانوية محفز بشكل موحد على ارتفاع سطح الدعم الكربون المنطقة، وأن بنية مسامية ومساحة وثابر جيدا من قبل وسائل المحفزات ترسب المستخدمة في هذا البروتوكول. رد الفعل العام لامائي ليثيوم O 2 بطارية 2Li + + O 2 + 2E - → لي 2 O 2 2،3،7 ردود فعل جانبية، مثل التحلل بالكهرباء، من المرجح أن تحدث أيضا نتيجة لنشاط المواد. وسيطة تستخدم في خلية. ومع ذلك، في الدراسة التي اجريت في المرحلة الحالية، والتفاعلات الجانبية والمنتجات الثانوية (LiOH، لي 2 CO 3، الخ.) قد خفضت بشكل كبير مع تحسين المواد والتكنولوجيات التوليف. كما هو مبين في الشكل 2D، على الرغم من أنه قد يكون هناك كمية صغيرة من BYPRoducts العلاقات، ومقدار منخفض جدا بحيث لا يمكن الكشف عنها بواسطة حيود الأشعة السينية. بعض التقنيات الحساسة للسطح، مثل XPS، FT-IR، ورامان الطيفي، وبالتالي، تستخدم للكشف عن المنتجات الثانوية، وخصوصا على المنطقة السطحية. ليس هناك شك في أن استقرار الشوارد حرج للغاية في بيئة الأوكسجين وردود الفعل الكهروكيميائية. الشوارد القائم على الأثير (على سبيل المثال، TEGDME) مستقرة نسبيا في المرحلة الحالية من يثيوم O 2 البحوث البطارية. ومع ذلك، لا تزال بحاجة إلى سلوكهم ليتم التحقيق أثناء الدراجات طويلة الأجل؛ والبحث عن الشوارد مستقرة هو الأولوية البحثية في الوقت الحاضر.

هناك بعض الأساليب الأخرى توصيف لتحديد العائد التفريغ، أو المنتجات الثانوية، مثل مطياف الكتلة (MS) والمعايرة. ومع ذلك، في مرحلة البحث الحالية، ونظام البطارية أكثر استقرارا وعكسها، ووالمنتجات الثانوية خفضت بشكل كبير من خلال تطوير بالكهرباء والكاثود الموادالتي كانت أكثر استقرارا للأكسجين والمنتجات التفريغ. 3،13،15 في هذه الحالة، MS والمعايرة ليست حساسة بما يكفي لتقدير العائد التفريغ. الى جانب ذلك، ليو 2، ومنتج وسيط، لا يمكن الكشف عنها بواسطة المعايرة إما بسبب نشاطه المدقع.

في هذه المقالة، لقد أثبتنا بروتوكول منهجي وفعال من الاختبارات الروتينية لابروتوني بطارية ليثيوم-O 2، بما في ذلك اختبار الأداء وتوصيف المواد البطارية ومنتجات التفاعل. مقاربات نتيجة المحفز في توزيع موحد للمحفز النانوية مع الحفاظ على بنية سطح الركيزة الكربون. بروتوكول التجمع المناسب يحسن المواد الفعالة ويضمن بيئة نقية O 2 لردود الفعل الكهروكيميائية.

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

الهندسة، العدد 113، ابروتوني لي-O
بروتوكول الكهروكيميائية اختبار وتوصيف ابروتوني لي-O<sub&gt; 2</sub&gt; البطارية
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