Introduction
В 1996 году Авраам и Цзян 1 сообщил первый обратимый аккумулятор неводной Li-O 2 , состоящий из пористого углеродного катода, органического электролита, а также литий-металлического анода. С тех пор, из - за его чрезвычайно высокой теоретической плотности энергии , превышающей любых других существующих систем хранения энергии, батарея Li-O 2, которое индуцирует электрический ток за счет окисления лития на аноде и восстановления кислорода на катоде ( общая реакция Li + + O 2 + е - ↔ Li 2 O 2), получил значительный интерес в последнее время 1-8.
Катод материал со следующими требованиями были бы в состоянии удовлетворить потребности высокой производительности Li-O 2 батареи: (1) диффузия кислорода быстро; (2) хороший электрический и ионной проводимости; (3) высокая удельная площадь поверхности; и (4) стабильность. Оба площадь поверхности и пористость катода имеют решающее значение для. электрохимические характеристики литий-O 2 батарей 9-12 Пористая структура позволяет осаждение твердых выбросов продуктов , образующихся в результате реакции катионов Li с O 2; и большие площади поверхности обеспечивают более активные участки для размещения электрокаталитические частиц, которые ускоряют электрохимические реакции. Такие электрокатализаторами добавляют в катодный материал определенными способами осаждения, которые обеспечивают сильную адгезию к подложке и хорошим контролем частиц катализатора, с сохранением исходной пористой структуры поверхности подложки. 13-17 форме, как они были подготовлены материалы тестируются в клетках БРС типа в качестве катода апротонного батареи Li-O 2. Тем не менее, производительность клетки зависит не только от природы катодных материалов, но и от типа апротонного электролита и 18-22 литий-металлического анода. 23-26 больше влияния включают количество и концентрацию материалов , так и пrocedure используется в тестах заряда / разряда. Надлежащие условия и протоколы позволит оптимизировать и улучшить общую производительность батареи материалов.
В дополнение к результатам электрохимического теста, емкость аккумулятора может быть также оценена путем характеризации нетронутые материалов и продуктов реакции. 27-33 с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) , используется для исследования микроструктуры поверхности катодного материала и морфологии эволюция разрядных продуктов. Методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рентгеновского поглощения вблизи края структуры (XANES) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) могут быть использованы для определения ультраструктурному химическое состояние и компонент элементов, особенно для этого наночастиц катализатора. С высокой энергией рентгеновской дифракции (XRD) используется для идентификации непосредственно Кристаллический продукты разряда. Возможное разложение электролита может быть определена путем нарушенного полного внутреннего отражения преобразования ФурьеИнфракрасный (ИК-Фурье-ATR) и спектры комбинационного рассеяния света.
Эта статья представляет собой протокол , который демонстрирует систематическое и эффективное расположение контрольных испытаний апротонном батареей Li-O 2, включая подготовку аккумуляторных материалов и комплектующих, испытания электрохимических характеристик и характеристик нетронутых материалов и продуктов реакции. Детальный протокол видео призвано помочь новым практиков в области избежать многих распространенных ошибок , связанных с тестированием производительности и характеристик 2 -х батарей Li-O.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Пожалуйста, обратитесь все соответствующие листы безопасности материалов (MSDS) перед использованием. Некоторые из химических веществ, используемых в этих синтезов остро токсичными и канцерогенными. Наноматериалы могут иметь дополнительные риски по сравнению с их насыпной коллегой. Пожалуйста, используйте все надлежащие практики в области безопасности при проведении реакции нанокристаллической в том числе использование технических средств контроля (вытяжкой, GLOVEBOX) и средств индивидуальной защиты (защитные очки, перчатки, лабораторный халат, полная длина брюк, закрытые носок обуви). Порции следующих процедур включают стандартные методы обработки без доступа воздуха.
1. Синтез катодных материалов
Примечание: катодные материалы могут быть синтезированы с помощью любого молекулярного наслаивания или влажной реакции химии.
- Atomic Layer Отложение (ALD)
- Дисперсные 5 г пористого углерода в 100 мл 1 М раствора KMnO 4 при перемешивании магнитной мешалкой в течение 12 ч.
- Spread 100 мг йе окисляется порошок углерода на поднос из нержавеющей стали на ALD инструмента, и зажим из нержавеющей стали сетки крышку над лотком.
- Держа угольного порошка в лотке при 200 ° С при непрерывном потоке 300 куб.см при СТД сверхвысокой чистоты газа-носителя азота при давлении 1 мм рт.ст. в течение 30 мин.
- Рассматривать угольный порошок с полным циклом ALD следующим образом.
Примечание: Возьмите наночастиц Pd в качестве примера электрокатализаторах в этом протоколе. Реагенты могут быть изменены в соответствии с конкретными требованиями. Все реагенты используются как получена без каких-либо дополнительной очистки.- Защиту углеродную подложку (100 мг) с участием палладиевого гексафторацетилацетоната (Pd (hfac) 2, 99,9%) при 200 ° С в течение 100 мин.
- Промойте лоток с непрерывным потоком 300 SCCM сверхвысокой чистоты газа-носителя азота при давлении 1 Торр в течение 300 мин.
- Выставляют субстрат углерода в формалине (HCHO 37 мас.% В H 2 O) при 200 ° С в течение 100 мин.
- Purge тон поднос с непрерывным потоком 300 SCCM сверхвысокой чистоты газа-носителя азота при давлении 1 Торр в течение 300 мин.
- Повторите цикл ALD по мере необходимости. Обычно 3-10 повторений.
- Мокрая химия реакции
Примечание: Возьмите наночастицы Fe в качестве примера электрокатализатора в этом протоколе. Реагенты могут быть изменены в соответствии с конкретными требованиями. Все реагенты используются как получена без каких-либо дополнительной очистки.- Дисперсные 5 г пористого углерода в 100 мл 1 М раствора KMnO 4 при перемешивании магнитной мешалкой в течение 12 ч.
- Промыть окисленного углерода деионизированной водой.
- Фильтр промытый уголь с фильтром колбе, снабженной стекловолокна, а затем высушить в печи при температуре 110 ° С в течение 12 часов.
- Дисперсные высушенный уголь в 100 мл деионизованной воды, затем добавляют 1 г FeCl 3 при перемешивании магнитной мешалкой.
- Отрегулировать значение рН до примерно 9, с использованием 1 М раствора NaOH.
- Перемешать гesulting суспензии в течение 5 ч, а затем фильтруют суспензию с фильтром колбе, снабженной стекловолокном.
- Промыть продукт с деионизированной водой и этанолом. Затем высушить в печи при температуре 110 ° С в течение ночи.
- Пастеризовать продукта при температуре 450 ° С с непрерывным потоком H 2 / Ar смеси (4% H 2) в кварцевой трубчатой печи. Используйте скорость потока 100 мл / мин в течение 5 ч.
2. Подготовка электродов и электролитом
- катодный
- Смешайте, как подготовленный материал катода и связующего поли (винилиденфторида) (ПВДФ) в соотношении 4: 1 вес.
Примечание: Общее количество смеси зависит от количества катодов. Загрузка материала катода на каждой части находится в диапазоне 0,1-1 мг. - Добавляют 1-метил-2-пирролидон (NMP) к смеси, и хорошо перемешать, чтобы сделать даже текстурированной суспензии. Добавить в NMP примерно в три раза больше веса смеси.
- Coat суспензию на карбоп бумаги с помощью ракеля с толщиной около 100 мкм.
- Сушат ламинат в вакуумной печи при температуре 100 ° С в течение ночи.
- Обомните ламель диски с перфоратором до диаметра 7/16 дюйма, и взвешивают.
- Смешайте, как подготовленный материал катода и связующего поли (винилиденфторида) (ПВДФ) в соотношении 4: 1 вес.
- Апротонный Электролит
- Сухие трифторметансульфонат лития (LiCF 3 SO 3) в вакуумной печи при температуре 100 ° С в течение ночи.
- Добавить сушат LiCF 3 SO 3 в тетраэтиленгликоль диметиловый эфир (TEGDME, H 2 O ~ 10 частей на миллион) с концентрацией 1 моль / л, а затем перемешивают раствор при перемешивании магнитной мешалкой до тех пор , соль не растворится.
- Держите электролита в бардачке, заполненный аргоном.
- анодный
- Удар литиевые фольги / фишки на диски с перфоратором до диаметра 7/16 дюйма.
3. Электрохимическое испытание
- Сборка Swagelok Cell </ Сильный>
Примечание: Все этапы сборки работают в бардачке, заполненный аргоном, за исключением 3.1.9.- Соберите набор Swagelok , как показано на рисунке 1а. Затянуть конец анода, и ослабьте конец катода.
- Помещенный часть лития микросхеме металла (диаметром 7/16 дюйма) на верхней части стальной стержень из нержавеющей конца анода.
- Положите кусок стекловолокна сепаратор (диаметр 1/2 дюйма) на верхней части металлического лития анода.
- Добавьте 5-7 капель электролита полностью смочить сепаратор из стекловолокна. Осторожно нажмите на разделитель, чтобы удалить пузырьки.
- Помещенный часть катода на верхней части сепаратора увлажненной, с активным материалом анода, обращенной к.
- Накройте катод с куском алюминиевой сетки (диаметр 7/16 дюйма).
- Нажмите упомянутые выше слои с алюминиевой трубки, затем затяните конец катода.
- Уплотнение всю ячейку Swagelok в стеклянную камеру, и зафиксировать камеру с зажимом, как показано на
- Возьмите всю ячейку из перчаточного ящика. Подключение стеклянной камеры к емкости с кислородом сверхвысокой чистоты, и очистить его с непрерывным потоком кислорода при давлении 1 атм в течение 30 мин.
- Тестирование производительности батареи
- Установите термостат на 25 ° C.
- Помещенный клетки и электроды (электронные зажимы, подключенные к оборудованию с помощью кабеля) в термостат, и исправить их.
- Клип катода и анода на стеклянную камеру с соответствующими электронными клипсы.
- Откройте управляющее программное обеспечение испытательной батареи системы, и выберите канал, подключенный с помощью кабеля.
- Установить процедуру электрохимического тестирования.
Примечание: Установите плотность тока 100 мА / г активного материала, и диапазон напряжений 2.2-4.5 В.- Установите напряжение разряда отсечки 2,2 V для испытания разряда.
- Установите заряда / разряда шаг времени 5 или 10 ч для циклического испытания регулируемой мощностью. Установите напряжение разряда отсечки 2,2 V и заряд отсечки напряжения 4,5 В для управляемого напряжением циклического испытания.
- Выполните процедуру, нажав на кнопку "Выполнить" на интерфейсе программного обеспечения.
- Разборка и очистка ячейки
- Разберите клетки в бардачке.
- Храните электроды в стеклянные флаконы для следующих характеристик. Передача других частей клеток из бардачке.
- Положите детали Swagelok, стержни из нержавеющей стали, алюминиевые трубы и алюминиевые сетки в растворе ацетона (~ 20%) или деионизированной воды в стакане, и очистить их с ультразвуком в течение 15-30 мин.
- Сухие части и стеклянные камеры в термостат установлен на 60-80 ° С.
4. Подготовка образцов характеризации
Примечание: Образцы готовят в вытяжном шкафу (для приготовлени материалов) или бардачок заполненный аргоном (для воздухо-чувствительные особи).
- Образцы для СЭМ и XPS
- Палка углеродную ленту на стадии образца. Углерод лента может быть столь же большим, как на стадии образца, или как малые, также как образец куска.
- Отрежьте кусок образца около 5 мм 2, и вставить его на углеродную ленту.
Примечание: Образец может представлять собой любые немагнитные образцы. Для получения образцов после электрохимического испытания, промойте их электролитической растворителем перед ручкой на углеродную ленту. - Уплотнение воздушных чувствительных образцов в банке Мейсон перед измерением.
- Управляйте SEM 34-36 или XPS 37,38 в соответствии с инструкциями изготовителя.
- Образцы для ПЭМ
- Мельница 1 мг порошкообразного образца.
Примечание: Для получения образцов электродов, царапать активные материалы от копировальной бумаги перед измельче-. - Загрузите образец порошка на медную сетку, и удалите порохом.
- Загрузите медный гизбавиться от держателя образца ТЭМ.
Примечание: получить этот шаг сделать так быстро, насколько это возможно для воздушных чувствительных образцов. - Выполните ПЭМ. 39-41
- Мельница 1 мг порошкообразного образца.
- Образцы для высоких энергий РСА
- образцы порошка
- Уплотнение один конец полиимидной трубки глиной или клеем.
- Загрузка порошка в трубку.
- Печать другой конец трубки.
- образцы дисков
Примечание: Для измерения активных материалов на электроде, другой вариант, чтобы очистить их от копировальной бумаги и следовать шаг 4.3.1.- Печать выборочные части с куском полиамидной ленты. Seal, помещая образцы в середине одной части ленты, и покрыв их другой части ленты.
Примечание: Для получения образцов после электрохимического испытания, промойте их электролитической растворителем перед герметизацией.
- Печать выборочные части с куском полиамидной ленты. Seal, помещая образцы в середине одной части ленты, и покрыв их другой части ленты.
- Используйте высокоэнергетический РФА 42-44 Расширенный PhИсточники отон в Аргоннской национальной лаборатории.
- образцы порошка
- Образцы для XANES
- образцы порошка
- Развести образцы, если концентрация измеряемых элементов высока, используя или нитрида бора (BN) или технический углерод в качестве разбавленного агента. Здесь, разбавляют до 3-5 мас. %.
- Нажмите порошок в диск диаметром 7 мм и толщиной около 1 мм, с использованием KBr Press Kit и 7 мм Die Set.
- Печать диск с оконной пленки.
- образцы дисков
- Печать образца с окном пленкой.
- Эксплуатация высокоэнергетический XANES Расширенный Источники Фотон в Аргоннской национальной лаборатории 45-47.
- образцы порошка
- Образцы для ATR-FTIR
- Очистите алмазную нарушенного полного отражения (ATR) блок до и после измерения.
- Поместите образцы на единицу алмазов для всех образцов заинтересованных.
- Выполните ATR-FTIR - спектрометрия. 48,49
- Образцы для спектров комбинационного рассеяния
- Поместите образец на плоской доске (стекло, нержавеющая сталь и т.д..).
- Накройте образец с крышкой слайд.
- Уплотнение набор для воздушных чувствительных образцов.
- Выполнение комбинационное спектрометрии. 50,51
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 1а показана установка в БРС типа ячейки теста батареи Li-O 2. Кусок пленки лития помещается на стержень из нержавеющей стали, в конце анода. Пористый катод открыт для чистого O 2 через алюминиевую трубу. Стекловолокно используется в качестве разделителя и поглотитель апротонного электролита; и Al-сетка используется в качестве текущего сборщика. Весь БРС типа клеток герметизируется в стеклянной камере, заполненной сверхвысоком кислорода чистотой. Для углубленного изучения, несколько методов определения характеристик применяются для изучения батарейной системы, в том числе в качестве подготовленных электродных материалов и продуктов реакции. SEM и ТЕМ изображения представляют микроструктуру образцов. СЭМ изображения порошка углерода до (рис 1в) и после (рис 1d) загрузки катализатора демонстрируют сохранение также пористой структуры поверхности. ПЭМ (рис 1д) показатьS наночастицы электрокатализатора равномерно распределяют на углеродной подложке; и хорошо кристаллизованные наночастицы показаны в ПЭМ изображения с высоким разрешением на рисунке 1f. Хотя электронные изображения микроскопии морфологии детали и структуру электрокатализаторах, другие методы определения характеристик на основе рентгеновских лучей может предоставить более подробную информацию об их химическом составе и состоянии валентности. Как показано на рисунке 1b, 13 XANES - спектры, которые применяются для определения валентных состояний, показывают , что наночастицы электрокатализатором частично окисляется за счет подготовки катодов в воздухе.
В подготовленные катодные материалы испытаны в клетках БРС типа в окне напряжения 2.2-4.5 V (против Li + / Li). Типичные профили напряжения для разряда и заряда разряда циклов показаны на рисунке 2а и б. При наличии electrocatalyst загружен ALD, разряд удельная мощность возросла до более чем 4000 мА · ч / г, когда клетка разряжается до 2,2 В, по сравнению с катодом без электрокатализаторах (905 мА-ч / г). Потенциал заряда снижается до 3,4 В , когда емкость элемента контролируется при 500 мА · ч / г (рис 2b), которые являются значительные улучшения по сравнению с зарядом потенциала 4 В (рис 2b) для голых углеродных катодов. Для того, чтобы лучше оценить производительность батареи и понять электрохимический механизм реакции, образцы на разных стадиях разряда / заряда подвергаются характеризации с использованием нескольких передовых технологий. В СЭМ - изображение разряженной катода , как показано на фиг.2с, выпускные продукты имеют тороидальную форму, что получили широкое признание в качестве первичной морфологии Li 2 O 2 в Li-O 2 клеток. 15,52 Рентгенограмма используется в качестве прямое доказательство для идентификации кристаллических продуктов. Тамповторно только пики Li 2 O 2 и углерода в Рентгенограмма разряжен катода (рис 2d), предполагая , что побочные реакции сведены к минимуму в клетке.
XPS и спектры комбинационного рассеяния используются для определения состава поверхности на электродах при разном состоянии заряда / разряда. По данным спектров РФЭС (рис 3а), Li 2 O 2 и LiOH формы на поверхности катода после выгрузки; и зарядки Li 2 O 2 снижается , но необратимый продукт LiOH остается на поверхности. Небольшое количество LiO 2, промежуточный продукт переноса одного электрона ЧОО, детектируется спектроскопии комбинационного рассеяния (3б). LiO 2 метастабилен благодаря своей легкой диспропорционирования, что делает только обнаруженной поверхности чувствительного метода определения характеристик как спектроскопии комбинационного рассеяния света. Сигнал вибрации ОН и С = О связи в ИК-спектры (рис 3c и d) указывает на присутствие эфира электролита, а также другие гидроксид, карбонат или карбонильные на поверхности Li анода или сепаратора из стекловолокна, которые образуют в побочных реакций , таких , как электролит разложение и кислорода кроссовер эффект.
Рисунок 1. БРС типа клеток и , как подготовленные материалы. (А) Схематическое в БРС типа клетки запечатанной в стеклянной камере. (Б) Pd K-край XANES спектров в приготовленном материала катода, перепечатано из исх. 13. (C, D) СЭМ изображения порошка углерода до и после того, как электрокатализатора загрузки соответственно. (Д, е) ПЭМ и ВПЭМ изображения порошка углерода с электрокатализатора соответственно..com / файлы / ftp_upload / 53740 / 53740fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2. Напряжение Профили процесса заряда / разряда и характеристика сбрасываемых катодов. (А, б) профиль Напряжение разряда до 2,2 В и емкости под контролем цикла заряда-разряда, соответственно. (С, d) SEM изображения и высокой энергии Рентгенограмма катода , выпускаемого в батарее БРС типа Li-O 2, соответственно. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. (А) XPS спектры пиков Li 1s при различном состоянии заряда / разряда, перепечатана из исх. 13. (б) спектры комбинационного рассеяния углеродных катодов , сбрасываемых в 2,5 В. (C, D) ИК - Фурье - спектров анода и сепаратора после циклов разрядки-зарядки, соответственно. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Учитывая чувствительность Li-O 2 батареи системы для воздуха, особенно СО 2 и влаги, много шагов в протоколе необходимы для того , чтобы уменьшить и мешающих избежать побочных реакций. Например, БРС-типа клетки собирают в перчаточной камере , заполненной аргоном с O 2 <0,5 частей на миллион и H 2 O <0,5 частей на миллион; и все катодные материалы, электролитный растворитель и соль, стекловолокно, Swagelok части, и стеклянные камеры сушат перед сборкой, чтобы уменьшить впитывание влаги. Конечным анод изготовлен из нержавеющей стальной стержень, чтобы избежать прямого контакта между металлическим литием и O 2 и для защиты литиевого анода. Вся установка БРС помещают в чистый кислород-заполненной стеклянной камере, которая гарантирует контейнер герметичную уплотнение с уплотнительным кольцом и вакуума смазками. Кроме того, Аль-сетка, ток-коллектор, может помочь защитить хрупкую углерода катода.
В элекtrochemical испытания показывают , что , как подготовленные катодные материалы показали превосходную электрохимическую поведение в батарее Li-O 2. Благодаря тому, что наночастицы катализатора были равномерно распределены по высокой поверхностной области поддержки углерода, и, что пористая структура и площадь поверхности были хорошо выстоял с помощью методов осаждения катализаторов, используемых в данном протоколе. Общая реакция батареи неводной литий-O 2 является 2Li + + O 2 + 2e - → Li 2 O 2 2,3,7 побочные реакции, такие как разложения электролита, также могут возникнуть из - за активности материалов. и промежуточных продуктов, используемых в клетке. Тем не менее, в исследовании на современном этапе, побочные реакции и побочные продукты (LiOH, Li 2 CO 3 и др.) Были значительно снижены с совершенствованием материалов и технологий синтеза. Как показано на рисунке 2d, хотя там может быть небольшое количество byproducts, сумма слишком мала, чтобы быть обнаружены с помощью рентгеновской дифракции. Некоторые поверхностно-чувствительных методов, таких как XPS, FT-ИК и спектроскопии комбинационного рассеяния света, которые, таким образом, используется для обнаружения мелких продуктов, особенно на участке поверхности. Существует никаких сомнений в том, что стабильность электролитов имеет очень важное значение в кислородной среде и электрохимических реакций. Эфир на основе электролиты (например, TEGDME) являются относительно стабильными на современном этапе Li-O 2 исследования батареи. Тем не менее, их поведение все еще необходимо исследовать при длительной езды на велосипеде; и поиск стабильных электролитов является приоритетным в настоящее время исследования.
Есть некоторые другие методы определения характеристик для установления выхода разряда, или побочные продукты, такие как масс-спектрометрии (МС) и титрования. Тем не менее, в текущем этапе исследований, система батареи является гораздо более стабильным и обратимым, и побочные продукты были значительно сокращены развитием электролита и катодных материаловкоторые были более стабильны к действию кислорода и разряд продуктов. 3,13,15 В этом случае мобильная станция и титрование недостаточно чувствительны , чтобы оценить выход разряда. К тому же , LiO 2, промежуточный продукт, не может быть обнаружен путем титрования либо, из - за своей крайней активности.
В этой статье мы продемонстрировали систематический и эффективный протокол контрольных испытаний апротонном батареи Li-O 2, в том числе эксплуатационных испытаний и характеристики аккумуляторных материалов и продуктов реакции. Подходы нагрузки катализатора приводят к равномерному распределению катализатора наночастицы с сохранением структуры поверхности углеродной подложки. Соответствующий протокол сборки оптимизирует активные материалы и обеспечивает среду чистого O 2 для электрохимических реакций.
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).
