Waiting
Login processing...

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

Engineering

Protonsuz Li-O Elektrokimyasal Testi Protokol ve Karakterizasyonu 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

1996 yılında, Abraham ve Jiang 1 gözenekli karbon katot, bir organik elektrolit ve Li metali bir anod ihtiva eden, ilk döner susuz lityum O 2 pil bildirilmiştir. O zamandan bu yana, bağlı başka mevcut enerji depolama sistemleri aşan son derece yüksek teorik enerji yoğunluğu, anotta lityum oksidasyonu ile bir akım akışı ve katot oksijen azalma (indükler Li-O 2 pil, genel reaksiyon Li + O 2 + e - ↔ Li 2 O 2), son zamanlarda büyük ilgi aldı 1-8.

Aşağıdaki şartları bir katot malzemesi Li-O yüksek performans ihtiyaçlarını karşılamak mümkün olacaktır 2 pil: (1) hızlı oksijen difüzyon; (2) iyi elektrik ve iyonik iletkenlik; (3) yüksek özgül yüzey alanı; ve (4) stabilite. Hem katodun yüzey alanı ve gözenek kritik. Li-O 2 pillerin elektrokimyasal performans 9-12 gözenekli yapısı O 2 Li katyonlarının reaksiyonundan elde edilen katı deşarj ürünlerinin birikmesini sağlar; ve daha büyük yüzey alanları elektrokimyasal reaksiyonların hızlandırılması elektro katalitik parçacıklar karşılamak için daha fazla aktif bölgeyi sağlar. Bu elektrokatalizörler 13-17. Alt-tabaka orjinal gözenekli yüzey yapısı korunarak, alt-tabaka ve katalizör parçacıklarının iyi kontrol güçlü yapışma temin belirli bir yerleştirme yöntemleri ile katot malzemesinin ilave olarak hazırlanmış maddeler test edilmiştir aprotik Li-O 2 pilin katot olarak Swagelok tipi hücrelerde. Ancak, hücre performansı sadece katot malzeme tipine bağlıdır, fakat aynı zamanda aprotik elektrolit 18-22 ve Li metali anot türüne. 23-26 fazlası etkiler miktarı ve malzeme konsantrasyonu ve bunlar arasında pşarj / deşarj testlerinde kullanılan rocedure. Uygun koşullar ve protokoller optimize etmek ve pil malzemelerinin genel performansını artıracak.

Elektrokimyasal testi sonuçlarına ek olarak, pil performansı da bozulmamış malzemeleri ve reaksiyon ürünlerinin karakterize değerlendirilebilir. 27-33 Taramalı elektron mikroskobu (SEM) katot malzeme ve morfoloji yüzey mikroyapı araştırmak için kullanılır deşarj ürünlerinin evrimi. Transmisyon elektron mikroskobu (TEM), kenar yapısı (XANES) yakın X-ışını soğurma, ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), özellikle katalizör nanopartiküller Bunun için, elemanların ince yapı, kimyasal durum ve bileşeni tespit etmek için kullanılabilir. Yüksek enerjili X-ışını kırınımı (XRD) doğrudan kristal tahliye ürünleri tanımlamak için kullanılır. Olası bir elektrolit bozunma zayıflatılmış toplam yansıma Fourier belirlenebilir dönüşümüKızılötesi (ATR-FTIR) ve Raman spektrumları.

Bu makale bozulmamış malzeme ve reaksiyon ürünlerinin pil malzeme ve aksesuarları hazırlama, elektrokimyasal performans testi ve karakterizasyon da dahil olmak üzere aprotik Li-O 2 pil rutin testler, sistematik ve verimli bir düzenleme gösteren bir protokoldür. Ayrıntılı video protokolü alanında yeni uygulayıcıları Li-O 2 pillerin performansı test ve karakterizasyonu ile ilgili birçok ortak tuzaklardan kaçınmak yardımcı olmak için tasarlanmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Kullanmadan önce tüm ilgili Malzeme Güvenlik Bilgi Formları (MSDS) danışın. ve bu sentezlerde kullanılan kimyasalların çeşitli akut olarak toksik ve kanserojen. Nanomalzemeler kendi toplu meslektaşı ile karşılaştırıldığında ek tehlikeler olabilir. mühendislik kontrolleri (davlumbaz, torpido gözü) ve kişisel koruyucu ekipman kullanımı da dahil olmak üzere bir nano-kristal reaksiyonu yaparken tüm uygun güvenlik uygulamalarını kullanın (koruyucu gözlük, eldiven, laboratuvar önlüğü, tam uzunlukta pantolon, kapalı-toe ayakkabıları). Aşağıdaki prosedürler bölümleri standart hava-ücretsiz taşıma tekniklerini içermektedir.

Katot Malzeme 1. Sentezi

Not: Katot malzemeleri ya atom, tabaka veya ıslak kimyasal reaksiyon yoluyla sentezlenebilir.

  1. Biriktirme Layer Atom (ALD)
    1. 12 saat boyunca manyetik karıştırma altında 100 ml 1 M KMnO 4 çözelti içinde gözenekli karbon 5 g dağıtılır.
    2. th 100 mg yaymakE ALD enstrümanın bir paslanmaz çelik tepsi üzerine karbon tozu okside ve tepsinin üzerinde bir paslanmaz çelik hasır kapağını kelepçe.
    3. 30 dakika boyunca, 1 Torr basınçta 300 sccm ultra yüksek saflıkta azot taşıyıcı gaz sürekli akışı altında 200 ° C de tepsi karbon tozu tutun.
    4. aşağıdaki gibi tam bir ALD döngüsü ile karbon tozu davranın.
      Not: Bu protokolde elektrokatalizörler bir örnek olarak Pd nanopartiküller alın. Reaktifler özel ihtiyaçlarına göre değiştirilebilir. daha fazla saflaştırılmadan bir alınan-Tüm reaktifler kullanılır.
      1. 100 dakika süreyle 200 ° C'de paladyum heksafluoroasetilasetonat karbon alt-tabakanın (100 mg) (Pd (hfac) 2,% 99.9) ortaya çıkarın.
      2. 300 dakika boyunca 1 Torr basınçta 300 sccm ultra yüksek saflıkta azot taşıyıcı gaz sürekli akış tepsiye temizleyin.
      3. 100 dakika için formalin karbon alt-tabakanın (HCHO 37 wt., H 2 O%) 200 ° C de Açığa.
      4. tasfiye tO 300 dakika boyunca 1 Torr basınçta 300 sccm ultra yüksek saflıkta azot taşıyıcı gaz sürekli akış tepsisi.
    5. Tekrarlayın ALD döngüsü olarak gerekli. Genellikle 3-10 tekrarlar.
  2. Islak kimyasal reaksiyonu
    Not: Bu protokolde elektrokatalizörü bir örneği olarak Fe nanopartiküller alın. Reaktifler özel ihtiyaçlarına göre değiştirilebilir. daha fazla saflaştırılmadan bir alınan-Tüm reaktifler kullanılır.
    1. 12 saat boyunca manyetik karıştırma altında 100 ml 1 M KMnO 4 çözelti içinde gözenekli karbon 5 g dağıtılır.
    2. iyonu giderilmiş su ile okside karbon yıkayın.
    3. Bir cam elyafı ile donatılmış bir filtre şişesi ile yıkandı, karbon filtre, ve daha sonra 12 saat boyunca 110 ° C'de bir fırında kurutulur.
    4. Deiyonize su, 100 ml kuru karbon dispers sonra manyetik karıştırma altında FeCl3 1 g ekleyin.
    5. 1 M NaOH çözeltisi kullanılarak yaklaşık pH 9 değerine ayarlar.
    6. r Stir5 saat boyunca bulamacın esulting, ve daha sonra bir cam elyaf ile donatılmış bir filtre şişesi ile bulamaç filtre.
    7. iyonu giderilmiş su ve etanol ile yıkamak. Daha sonra, gece boyunca 110 ° C'de bir fırında kurutulur.
    8. Bir kuvars tüp fırın içinde H2 / Ar karışımı (% 4 H2) sürekli akışı ile 450 ° C 'de ürünün ısıyla işlem görmesi. 5 saat süreyle 100 ml / dakika bir akış hızı kullanarak.

Elektrotlar ve Elektrolit 2. Hazırlık

  1. Katot
    1. 1 ağırlık oranında bir 4'deki gibi hazırlanmış katod malzeme ve bağlayıcı poli (viniliden flüorür) (PVDF) karıştırın.
      Not: karışımın toplam katotların miktarına bağlıdır. Her bir parça üzerinde katot malzemesinin yüklenmesi 0.1-1 mg aralığındadır.
    2. Karışıma 1-metil-2-pirolidinon (NMP) ekleyin ve daha dokulu bulamaç yapmak için iyice karıştırın. Karışımın üç kat ağırlığında NMP ekleyin.
    3. karbo üzerine ceket bulamaç100 um civarında bir kalınlığa sahip bir doktor bıçağı ile N kağıdı.
    4. gece boyunca, 100 ° C'de vakumlu bir fırın içinde laminat kurutun.
    5. 7/16 inç çapında bir delgeç sahip diskler halinde laminat Punch ve tartılır.
  2. protonsuz Elektrolit
    1. Gece boyunca, 100 ° C'de vakumlu bir fırın içinde kuru lityum trifluorometansülfonat (SO3 LiCF 3).
    2. Tetraetilen glikol dimetil eter SO3 LiCF 3 kurutuldu ekle tuz eriyene kadar 1 mol / L'lik bir konsantrasyon ile (TEGDME H2O ~ 10 ppm), daha sonra manyetik karıştırma ile çözelti ilave edin.
    3. Ar ile dolu Bir eldiven kutusu içinde elektrolit tutun.
  3. Anot
    1. 7/16 inç çapında bir delgeç sahip diskler halinde lityum folyo / fiş yumruk.

3. Elektrokimyasal Testi

  1. Swagelok Hücre Montajı </ Strong>
    Not: tertibatının tüm adımları 3.1.9 hariç Ar ile dolu Bir eldiven kutusu içinde çalıştırılır.
    1. Şekil 1a gösterildiği gibi Swagelok setini monte edin. anot ucunu sıkın ve katot ucunu gevşetin.
    2. Anot ucunun paslanmaz çelik çubuğun üstünde lityum metal çip (çap 7/16 inç) bir parça koyun.
    3. lityum metal anod üzerine cam elyaf ayırıcı (çap 1/2 inç) bir parça koyun.
    4. Tamamen cam elyaf ayırıcısını ıslak elektrolit 5-7 damla ekleyin. Yavaşça kabarcıklarını çıkarmak için ayırıcısını basın.
    5. anot bakan aktif malzeme ile, ıslatılmış ayırıcının üstüne katodun bir parça koyun.
    6. alüminyum mesh (çap 7/16 inç) bir parça ile katot kaplayın.
    7. Basın alüminyum boru ile yukarıda belirtilen katmanlar, daha sonra katot ucunu sıkın.
    8. cam bölme bütün Swagelok hücre mühür ve gösterildiği gibi, bir kelepçe ile bölme tamir
    9. torpido gözünün dışarı tüm hücre atın. ultra yüksek saflıkta oksijen deposu cam bölmeyi bağlayın ve 30 dakika boyunca 1 atm basınçta sürekli bir oksijen akışı ile temizleyin.
  2. Pil Performans Testleri
    1. 25 ° C'ye kadar bir termostat ayarlayın.
    2. termostat içine hücreleri ve elektrotlar (bir kablo ile ekipmana bağlı elektronik klipleri) koyun ve onları düzeltmek.
    3. Elektronik klipleri karşılık gelen cam odasının katot ve anot klibi.
    4. Pil test sisteminin işletim yazılımını açın ve kablo ile bağlanan kanalı seçin.
    5. elektrokimyasal test prosedürünü ayarlayın.
      Not: 100 mA / g aktif malzeme akım yoğunluğu ayarlama ve 2,2-4,5 V gerilim aralığı
      1. deşarj testi için 2.2 V deşarj kesim gerilimi ayarlayın.
      2. Kapasite kontrollü bisiklet testi için 5 ya da 10 saat deşarj / şarj adım saati ayarlayın. voltaj kontrollü bisiklet testi için, 4.5 V 2.2 V ve şarj kesim geriliminden deşarj kesim gerilimi ayarlar.
    6. yazılım arayüzü üzerinde "run" butonuna tıklayarak yordamı çalıştırın.
  3. Sökme ve hücre temizleme
    1. Bir torpido gözünün hücreleri sökün.
    2. Aşağıdaki karakterizasyonu için cam şişe elektrotlar tutun. torpido gözünün dışarı diğer hücre parçaları aktarın.
    3. beher aseton çözeltisi (~% 20) ya da deiyonize su içinde Swagelok parça paslanmaz çelik çubuklar, alüminyum tüpler ve alüminyum kafesleri koyun ve 15-30 dakika boyunca ultrasonikasyon ile temizleyin.
    4. 60-80 ° C'ye ayarlanmış bir termostata parça ve cam odaları kurutun.

Karakterizasyonu Örneklerinin 4. hazırlanması

Not: Örnekler (as hazırlanmış malzemeler için) bir başlık hazırlanır veya torpido gözü hava soğutmalı için (Ar ile doluduyarlı numuneler).

  1. SEM ve XPS numuneler
    1. örnek sahnede bir karbon bant yapıştırın. Karbon bant numune parçası olarak numune aşamasında kadar büyük ya da küçük olabilir.
    2. 5 mm yaklaşık 2 numune bir parça kesin ve karbon bant üzerine yapıştırın.
      Not: Numune herhangi manyetik olmayan örnekler olabilir. elektrokimyasal testler sonucunda örneklerde, karbon bant sopa önce elektrolit çözücü ile yıkayın.
    3. ölçümden önce bir kavanozda hava duyarlı örnekler Seal.
    4. Üreticinin talimatlarına göre SEM 34-36 veya XPS 37,38 çalıştırın.
  2. TEM için numuneler
    1. Örnek tozunun Değirmen 1 mg.
      Elektrot örnekleri için freze önce karbon kağıdı aktif maddeleri kazıyın Not:.
    2. Bir bakır ızgara üzerine numune tozunu yükleyin ve gevşek toz çıkarın.
    3. Bakır g yükleTEM örnek sahibine kurtulmak.
      Not: Hava-duyarlı numuneler için mümkün olduğunca hızlı yapılması bu adımı alın.
    4. TEM gerçekleştirin. 39-41
  3. Yüksek enerji XRD için numuneler
    1. toz örnekleri
      1. kil veya tutkal ile bir polimid hortumun bir ucunu mühür.
      2. tüp içine toz yükleyin.
      3. Hortumun diğer ucunu mühür.
    2. Disk örnekleri
      Not: elektrot üzerinde aktif maddeler ölçmek için, başka bir seçenek karbon kağıdı onları kazımak ve adım 4.3.1 takip etmektir.
      1. poliamid bant parçası ile örnek parçalar Seal. bant tek parça ortasında örnekleri koyarak ve bant başka bir parça ile kaplanarak Seal.
        Elektrokimyasal testler sonucunda numuneler için sızdırmazlık önce elektrolit solvent ile yıkayın Not:.
    3. Gelişmiş Ph yüksek enerji XRD 42-44 İşletArgonne National Laboratory in Oton Kaynakları.
  4. XANES için numuneler
    1. Toz numuneleri
      1. ölçülen elementlerin konsantrasyonu, seyreltik bir madde olarak, siyah bor nitrür (BN) ve karbon kullanarak, yüksek ise örnekleri seyreltilir. Burada, 3-5 ağırlıkça sulandırmak. %.
      2. 7 mm çapında ve yaklaşık 1 mm kalınlığında disk içine toz basınız KBr basın Kiti kullanılarak ve 7 mm Set Die.
      3. cam filmi ile diski mühür.
    2. Disk örnekleri
      1. cam filmi ile örnek mühür.
    3. Yüksek enerjili Argonne National Laboratory Gelişmiş Foton Sources 45-47 XANES çalıştırın.
  5. ATR-FTIR için numuneler
    1. öncesi ve sonrası ölçüm elmas zayıflatılmış toplam yansıma (ATR) ünitesini temizleyin.
    2. ilgilenen tüm örnekler için elmas ünitesindeki örneklerini koyun.
    3. Gerçekleştirmek ATR-FTIR spektrometresi. 48,49
  6. Raman Spectra için numuneler
    1. Düz bir tahta üzerinde örnek koymak (cam, paslanmaz çelik, vb.).
    2. Bir kapak slayt örnek örtün.
    3. Hava-duyarlı numuneler için set mühür.
    4. Raman spektrometresi gerçekleştirin. 50,51

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 1a Li-O 2 pil testi Swagelok-tipi hücre kurulumunu göstermektedir. Lityum film parçası anot ucunda bir çelik çubuk yerleştirilir. Gözenekli katot, bir alüminyum tüp aracılığıyla saf O 2 açıktır. Cam elyaf ayırıcı ve aprotik bir elektrolit bir emici madde olarak kullanılır; Al-gözenekli bir akım toplayıcı olarak kullanılır. Bütün Swagelok tipi, hücre çok yüksek saflıkta oksijen ile doldurulmuş bir camlı odada kapatılır. derinlemesine çalışma için, birden fazla karakterizasyon yöntemleri olarak hazırlanmış elektrot malzemeleri ve reaksiyon ürünleri de dahil olmak üzere, akü sistemi incelemek için uygulanır. SEM ve TEM görüntüleri numunelerin mikroyapı sunuyoruz. (Şekil 1d) katalizör yükleme (Şekil 1c) önce ve sonra karbon tozu SEM görüntüleri, gözenekli yüzey yapısı da iyi korunmasını göstermektedir. TEM görüntüleri (Şekil 1e) göstermekElektrokatalizör nanopartiküller eşit karbon tabaka üzerinde dağıtmak s; ve iyi kristalleşmiş nanopartiküller Şekil 1f yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü gösterilmektedir. Elektron mikroskobu görüntüleri elektrokatalizörler detay morfolojisi ve yapısı göstermesine rağmen, diğer X-ışını tabanlı karakterizasyon teknikleri kimyasal kompozisyonu ve saçak durumu hakkında daha fazla bilgi verebilir. Şekil 1b'de gösterildiği gibi, valans durumları saptamak için uygulanan 13 XANES spektrumları, elektrokatalizörü, nanopartiküller kısmen hava katotların hazırlanması oksidize olduğunu göstermektedir.

Katot malzemeleri (Li + / Li vs) 2,2-4,5 V bir voltaj penceresinde Swagelok tipi hücrelerde test edilen gibi hazırlanmış. Deşarj ve deşarj-şarj için tipik gerilim profilleri Şekil 2a ve b'de gösterilmiştir. electroca varlığı ileHücre 2.2 V'a boşaltıldığı zaman ALD tarafından yüklenen talyst deşarj belirli kapasite elektrokatalizörler (905 mAh / g) olmayan katot ile karşılaştırıldığında, 4000 mAh / g yükselmiştir. Hücre kapasitesi çıplak C katot 4 V (Şekil 2b) şarj potansiyeli ile karşılaştırıldığında önemli gelişmeler olduğu, 500 mAh / g (Şekil 2b) olarak kontrol edilirken yük potansiyeli 3.4 V düşürüldü. daha iyi pil performansını değerlendirmek ve elektrokimyasal reaksiyon mekanizmasını anlamak için, farklı deşarj / şarj aşamalarında örnekler birden çok gelişmiş teknikler kullanılarak karakterizasyonu tabi tutulur. Şekil 2c'de gösterildiği gibi, deşarj katodun SEM görüntüsünde, deşarj ürünleri yaygın olarak kullanılan bir Li-O 2 hücre. 15,52 XRD Li 2 O 2 birincil morfolojisi olarak kabul edilen, toroidal bir şekle sahip bir doğrudan bir kanıt kristal ürünleri belirlemek için. orada biryan reaksiyonlar hücrede en aza düşündürmektedir Li 2 tek tepe O2 ve deşarj katot (Şekil 2d) XRD deseni karbon, yeniden.

XPS ve Raman spektrumları farklı şarj / deşarj statüsünde elektrotların yüzey bileşimi tanımlamak için kullanılır. XPS spektrumları (Şekil 3a), Li 2 O 2 ve boşaltıldıktan sonra, katot yüzeyinde LiOH biçimine göre; ve şarj ederek, Li 2 O 2 azalır, ancak geri dönülemez ürün LiOH yüzeyde kalır. Lio 2'nin bir az miktarda, tek-elektron transfer ORR bir ara ürünü, Raman spektroskopisi ile tespit edilir (Şekil 3b). LiO 2 nedeniyle sadece Raman spektroskopisi gibi yüzey duyarlı karakterizasyonu tekniği ile tespit yapar, kolay disproporsiyonasyonu, için yarı kararlı olduğunu. OH ve C titreşim sinyali O bağı = FT-IR spektrumları (Şekil 3C ve d) elektrolit olarak yan reaksiyonlar meydana Li anot yüzeyi veya cam fiber ayırıcı üzerinde eter elektrolitin bulunması ve diğer hidroksit, karbonat ya da karbonil türü gösterir ayrışma ve oksijen geçiş efekti.

Şekil 1
Şekil 1. Swagelok-tipte bir hücre gibi hazırlanmış malzemeler. (A) bir cam bölme mühürlü bir Swagelok tipi hücre Şemalar. (B) Pd K-kenar ref yeniden basıldı olarak hazırlanmış katot malzeme, spektrumları XANES. 13. (c, d) karbon tozu SEM görüntüleri önce sırasıyla elektrokatalizörü, yükleme sonrası. (E, f) TEM ve sırasıyla elektrokatalizörü ile karbon tozu, bir HRTEM görüntüler..com / files / ftp_upload / 53740 / 53740fig1large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil taburcu katot deşarj / şarj süreci ve karakterizasyonu 2. Gerilim Profilleri. Sırasıyla 2.2 V ve kapasite kontrollü boşaltım-dolum döngüsünde, bir akıntı (a, b) Gerilim profili. (C, d) SEM görüntüsü ve Swagelok-tipi Li-O 2 pilin şarjı katot yüksek enerjili XRD deseni, sırasıyla. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. (a) XPS spektrumları. 13. (b) 2.5 V deşarj-şarj sonra anot ve ayırıcının (c, d) FTIR spektrumları deşarj karbon katot Raman spektrumları sırasıyla. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Havaya Li-O 2 batarya sisteminin duyarlılığı, özellikle CO2 ve nem dikkate alınarak, protokolde adımlar çok interferents azaltmak ve yan tepkimeleri önlemek için gereklidir. Örneğin, Swagelok-tipte bir hücre O 2 <0,5 ppm H2O <0.5 ppm ile Ar ile dolu Bir eldiven kutusu içinde bir araya getirilir; ve tüm katot malzemeleri, elektrolit çözücü ve tuz, cam elyaf, Swagelok parçalar ve cam bölmeleri nem kirlenmesini azaltmak için montajdan önce kurutulur. Anot uç lityum metal ve O 2 arasındaki doğrudan temastan kaçınmak ve lityum anot korumak için bir paslanmaz çelik çubuk olduğunu. Bütün Swagelok ayar O-ring ve vakum gres ile kapatılmak suretiyle sızdırmaz bir kap garanti saf oksijen-dolu bir cam bölme içine yerleştirilir. Ayrıca, Al-örgü, akım-toplayıcı, kırılgan karbon katot korumaya yardımcı olur.

elektrochemical testi olarak hazırlanmış katot malzemeleri Li-O 2 pil üstün bir elektrokimyasal davranışı gösterdiğini ortaya koymaktadır. Buna bağlı olarak, katalizör nanopartiküller eşit yüksek yüzey alanlı karbon destek üzerine dağıtıldı ve gözenekli yapı ve yüzey alanı da bu protokolde kullanılan katalizörler, yerleştirme yöntemleri ile sebat edildi. Sulu olmayan Li-O 2 pilin toplam reaksiyon 2Li olup + O 2 + 2e - → Li 2 O 2 gibi elektrolit ayrışma olarak 2,3,7 yan reaksiyonlar nedeniyle malzeme aktivitesi de meydana gelebilir. ve ara bir hücre kullanılır. Bununla birlikte, bu aşamada araştırmada, yan reaksiyonların ürünleri ve yan ürünleri (LiOH, Li 2 CO 3, vs.) Önemli ölçüde malzeme ve sentez teknolojilerinin iyileştirilmesi ile azaltılmıştır. Şekil 2B de gösterildiği gibi, her ne kadar bypr küçük bir miktar olabiliroducts, miktar XRD ile tespit edilemeyecek kadar düşük. Bu XPS FT-IR ve Raman spektroskopisi gibi bazı yüzey duyarlı teknikler, bu nedenle, özellikle yüzey bölgesinde, küçük ürünler tespit etmek için kullanılır. elektrolit stabilitesi oksijen ortamı ve elektrokimyasal reaksiyonlar çok kritik hiç şüphe yoktur. Eter bazlı elektrolitler (örneğin, TEGDME) Li-O 2 pil araştırma bugünkü aşamasında nispeten istikrarlı. Ancak, onların davranış hala uzun vadeli devir esnasında incelenmesi gerekmektedir; ve istikrarlı elektrolitler için arama araştırma önceliği şu anda olduğu.

Bu kütle spektrometrisi (MS) ve titrasyon gibi başka karakterizasyon boşaltım verim kurmak için yöntemler veya yan ürünleri bulunmaktadır. Ancak, mevcut araştırma aşamasında, pil sistemi çok daha istikrarlı ve geri dönüşümlüdür ve yan anlamlı elektrolit ve katot malzemelerinin geliştirilmesi azaltılmıştıroksijen ve deşarj ürünler. 3,13,15 Bu durumda daha istikrarlı olmuştur, hangi MS ve titrasyon deşarj verimi tahmin etmek yeterince duyarlı değildir. Bunun yanı sıra, LiO 2, ara ürün nedeniyle aşırı etkinliği için, iki titrasyon ile tespit edilemez.

Bu yazıda, performans testi ve akü malzemeleri ve reaksiyon ürünlerinin karakterizasyonu dahil olmak üzere aprotik Li-O 2 pil rutin testler, sistematik ve verimli bir protokol ortaya koymuştur. katalizörün muntazam bir dağılım içinde, katalizör yükleme sonucu yaklaşımları karbon alt-katmanın yüzey yapısının korunması Nanopartiküllerin. Uygun montaj protokolü aktif maddeleri optimize eder ve elektrokimyasal reaksiyonlar için saf-O 2 ortamı sağlar.

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

Mühendislik Sayı 113 aprotik Li-O gözenekli katot aprotik elektrolit lityum anot kimya mühendisliği elektrokimya karakterizasyonu
Protonsuz Li-O Elektrokimyasal Testi Protokol ve Karakterizasyonu<sub&gt; 2</sub&gt; Pil
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