Summary
Здесь мы представляем собой протокол для изготовления и подготовки жидкого ячейки графена для наблюдения на месте передачи электронной микроскопии, наряду с синтез электродных материалов и электрохимических батарея клетки тесты.
Abstract
В этой работе мы представляем подготовки графена жидкой клеток (КСГ), инкапсуляции электродных материалов и органических электролитов жидкости между двух листов графена и поверхностным синтез одномерный наноструктур electrospinning. GLC позволяет в situ просвечивающей электронной микроскопии (ТЕА) на lithiation динамику электродных материалов. В situ GLC-ТЕА с помощью электронного луча для изображений и lithiation можно использовать не только реалистичные батареи электролитов, но и с высоким разрешением изображений различных морфологических, фаза, и отличные переходы.
Introduction
Недавно потребление энергии постоянно увеличилась, а также важность энергии высокой производительности устройств хранения данных. Для удовлетворения такого спроса, разработку литий ионные батареи, которые имеют высокую плотность энергии, долговечность и безопасность является необходимым1,2. Для того, чтобы развивать батареи с превосходными свойствами, фундаментальное понимание механизмов хранения энергии во время работы от батарей является важным3,4,5.
В situ просвечивающей электронной микроскопии (ТЕА) обеспечивает богатые идеи, как он может показать как структурные, так и химической информации во время работы батареи3. Среди многих в situ методов ТЕА КСГ были использованы для наблюдения за динамикой lithiation наноматериалы6,,78,9,10,11 ,12. КСГ состоят из жидкости карман опечатали два графена мембран, которые обеспечивают интерфейс фактической электрод/электролита, предотвращая испарение жидкости внутри высокого вакуума в6,ТЕА в колонке7. Преимущества КСГ являются, что они позволяют Улучшенный пространственным разрешением и высокой контрастности изображения, потому что они используют электрон прозрачный Моноатомные толщиной графена как жидкости, уплотнения мембраны13,14,15 ,16. Кроме того обычные ТЕА могут быть применимы к наблюдать реакции батарея, без использования дорогих в situ Держатели ТЕА.
В этом тексте мы представляем, как lithiation реакцию может наблюдаться с КСГ. конкретно, электронного пучка облучения производит сольватированного электронов внутри жидким электролитом, и они инициировать lithiation, разделив Li ионов от молекул растворителя.
КСГ также служат наиболее оптимальной платформы позволяют прямого наблюдения наноматериалов с различными морфологии, в том числе наночастиц6,9, нанотрубки7,10,11, и даже многомерные материалы12. Вместе с ex situ ТЕА анализ электродных материалов после тестирования фактической электрохимической ячейки вполне возможно, что система GLC, представленные здесь может использоваться для расследования механизм Основные реакции.
С такими преимуществами КСГ и эксперименты ex situ мы представляем здесь подробные эксперимент методы для исследователей, которые готовы проводить подобные эксперименты ГЖХ. Протоколы охватывают 1) синтез олова (IV) оксид (2SnO) нанотрубок как типичный одномерный наноструктурированных материалов электрода, 2) тест ячейка электрохимического аккумулятора, 3 Подготовка ГЖХ и 4) производительности в реальном времени ТЕА наблюдения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. синтез СНО2 нанотрубок Electrospinning и последующей термической обработки17
- Подготовьте раствор electrospinning.
- Растворите 0,25 g олова хлорид дигидрат в жидкостной смеси 1,25 г этанола и 1,25 г диметилформамида (DMF) при комнатной температуре (RT, 25 ° C).
- После перемешивания в течение 2 ч, добавьте 0,35 г поливинилпирролидона (ПВП) electrospinning решение и размешать смесь еще 6 ч.
- Выполните electrospinning Sn прекурсоров/PVP композитный нановолокон.
- Когда решение electrospinning хорошо подготовлены, мыть прямоугольной, гибкие из нержавеющей стали (30 x 20,5 см) с деионизированной воды (DI) и этанола 2 x - 5 x и просушите его на 60 ° C в течение 10 мин.
- Передавать решение electrospinning шприц 10 мл, блокируя одну сторону шприца и позволяя electrospinning решения потока в шприц.
- Подключите 25 G иглой шприца.
Примечание: Другие виды игл, например 23 G и 17 G иглы, может также использоваться. В этом протоколе 25 G иглы используется как стандартные иглы. - Исправьте сухие гибкая из нержавеющей стали в ударник с лентой.
- Откройте программное обеспечение контроллера electrospinning и введите параметры electrospinning (скорость потока: 5-20, общее количество раствора µL·min-1: 3-15 мл) для обеспечения надлежащего функционирования устройства electrospinning.
Примечание: Здесь оптимальный расход-10 µL·min-1 и общее количество раствора составляет 5 мл. - Исправить шприц с иглой, 25 G в electrospinning устройство и, затем, исправить ее с лентой.
- Перед electrospinning нажмите шприц к сборщику, до тех пор, пока решение electrospinning течет хорошо через 25 G иглы. Затем подсоедините кончик иглы-переходника крокодил клипы, которые также подключены к сборщику.
- Крен ролика (100 об/мин) и инициировать программы программное обеспечение electrospinning.
- Модулировать приложенного напряжения с помощью напряжения смещения(рис. 1) между 10-25 кв позволяют electrojetting Тейлор конусов для работы процесса electrospinning.
Примечание: Здесь, оптимальный приложенного напряжения-16 кв.
- Выполните прокаливания Sn прекурсоров/PVP композитный нановолокон.
- По завершении процесса electrospinning скрести nanofibers как вращаться на гибкие из нержавеющей стали с бритвой и передавать их в коробку глинозема.
- Вставьте поле глинозема в поле печи и условий термообработки для коробки печи: 600 ° C или ° C 700 за 1 ч, наращивает темпы 10 ° C·min-1.
- После прокаливания охладить печи до 50 ° C и затем передать стеклянный флакон (рис. 1б) кальцинированного выборок (т.е., SnO2 нанотрубок).
2. Электрохимическое батарея клетки тест
- Подготовьте электрода.
Примечание: Электрод пульпы состоит из 10 wt % вяжущего, 10 wt % сажи и 80 wt % активных материалов (в данном случае, SnO2 нанотрубок). Можно регулировать количество навозной жижи и состава каждого ингредиента в навозной жижи.- Вырезать меди (Cu) фольги в шириной 10 см x 30 см длиной и использование этанола, исправить ее на прямоугольной стеклянной подложке (25 x 15 x 0,5 см).
- Mix 0,02 сажи, 0,027 g полиакриловой кислоты (35 wt %) и 0,166 g карбоксиметилцеллюлоза (6 wt %) в тигле. Добавьте три-шесть капель деонизированной воды (DI) в тигель для равномерного смешивания.
- Добавление 0,16 g СНО2 нанотрубок в тигель. Затем добавьте три до восьми капель воды ди в тигель для равномерного смешивания.
- Земля все ингредиенты в тигле для 30 минут, чтобы убедиться, что пульпа достаточно вязкая подавать хорошо на Cu фольги.
- Когда хорошо подготовлен электрода пульпы, место навозной жижи на верхней стороне Cu фольги на стеклянной подложке и бросил его равномерно с помощью валика литья.
Примечание: Обычно, толщина суспензии 60 мкм но может быть более или менее. - Просушите Cu суспензии литой пленки при 60 ° C 10 мин и запечатать его внутри пластиковый пакет до батареи cell Ассамблеи.
Примечание: Суспензии литой Cu фольги можно увидеть на рисунке 1c.
- Соберите батарея клетки.
- Тепла печь конвекционная до 150 ° C. Затем, место, Cu суспензии литой пленки в духовке.
- Заполните конвекционная печь с вакуумными центробежных насосов для просушки остаточного растворителя в навозной жижи избегая окисления Cu фольги.
- После Отопление Cu суспензии литой пленки при 150 ° C для 2 h, пополнить конвекционная печь с воздухом, вакуумные линии закрытия и открытия линии дефлектора в ротационный насос для открытия камеры.
- Суспензии литой Cu фольги из камеры и удар его с круг перфоратор (удар диаметр: 14 мм). Весят кулаками суспензии литой Cu фольги и поместите его в нижней батареи.
- Используйте половину ячейку для сборки батарей. После размещения суспензии литой Cu фольги в нижней части клетки батареи, передавать образцы antichamber в бардачок.
- Вакуумные antichamber для 30 мин и, затем, передавать образцы внутрь перчаточный ящик.
- Соберите батареи в следующем порядке: дно батареи, суспензии литой Cu фольги, сепаратор, прокладка, Весна, прокладку и топ батареи. Падение электролита после разделителя в батарею.
- Сжимать батареи в полной батареи уплотнителем. Затем переместите батареи для электрохимических тестов в antichamber в перчаточном ящике и принимать батарея клетки из вещевого ящика.
- Измерить напряжение холостого хода (OCV) цифровой мультиметр и возраст батареи на RT для 1-2 d.
- Протестируйте электрохимических батареи.
- Рассчитать вес активных материалов путем вычитания вес Cu фольги от того суспензии литой Cu фольги и деления на части активного материала.
- Вычислите текущий, в котором батареи необходимо запустить путем умножения плотность тока (mA·g-1) с весом активного материала.
- Вставьте ячейки электрохимического аккумулятора в ячейку тестер аккумулятора. Применить текущий (соответствующий 0,05 A·g-1 для формирования цикла и различных плотностях тока в диапазоне 0,1-1 A·g-10,0 A·g-1 для цикла испытаний и скорость возможности) для каждой ячейки батарея, используя тестер аккумулятора ячейки программы.
- Применять различные течения для каждой ячейки батарея, если он протестирован на различных плотностях тока.
3. Подготовка клетки графена жидкости
- Синтезировать графена путем химического осаждения паров (CVD).
- Вырезать Cu фольги (чистоты: 99,9%, толщина: 0,0125 мм) с ножницами на куски с измерением 10 x 3 см.
- Промыть Cu фольги из шага 3.1.1 изопропиловым спиртом (IPA), чтобы удалить пыль или загрязняющих веществ и лечения с 100 мл 20 wt % фосфорной кислоты (H3PO4) для 20 мин для удаления собственного оксида на поверхности Cu фольги в стеклянной чашке Петри. Затем, место, Cu фольги DI воду еще 10 мин полностью ополосните оставшиеся PO3H4.
- Переехать кварцевая трубка ТС фольги (наружный диаметр: 40 мм, внутренний диаметр: 36 мм) CVD оборудования.
- Запустите центробежного насоса и подождать, пока уровень вакуума до 2 x 10-3 Торр. Затем поднимите температуру до 150 ° C полностью удалить кислорода и влаги внутри трубки кварцевые сердечно-сосудистых заболеваний.
- Поднимите температуры от комнатной до 1000 ° C в 40 мин H2 газового потока с 10 sccm. Поддерживать температуру камеры для еще 40 мин для отжига Cu фольги.
- Выключить по 60 sccm и CH4 газа на 25 мин круто вниз палате CVD-RT. очередь CH4 H2 газов при 300 ° C.
- Возьмите Cu фольги(рисунок 2) из камеры CVD и держать его в эксикатор.
- Передача графена.
- Чтобы удалить графена на зад Cu фольги, проводить плазменного травления с помощью плазмы пылесос со следующими параметрами: поток Ar (всего 100 sccm), время (60 s), сила (30 Вт) и базовый давления (5,0 x 10-2 торр).
- Cu фольга с графена, который был синтезирован в шаге 3.1 до 3 x 3 мм с ножницами вырезать. Место частей Cu фольги между двумя слайд очки и нажмите, чтобы сделать их плоские.
Примечание: Четыре Cu фольги штук помещаются вместе между двумя стаканами слайд. - Место Холи углерода Au сетки (300 сетка, R2 2) на каждый кусок фольги Cu (рис. 2b). Падение 20 мкл IPA на фольге сетки/Cu АС.
- Всасывания IPA с микропипеткой кончиком, который подключен к центробежного насоса. После липосакции, сухие фольги сетки/Cu АС при 50 ° C за 5 мин.
- Поведения, травления Cu фольги в 10 мл 0,1 М Аммония персульфат за 6 ч в 6 см стекло Петри (рис. 2c).
Примечание: Стекло Петри должны очищаться с IPA и ди водой перед использованием для того, чтобы избежать загрязнения частиц Si. - SCOOP Au сетки с Pt петлю и переместить его в стеклянной чашке Петри заполнены водой ди при 50 ° C, для того, чтобы полностью удалить все оставшиеся загрязнители из etchant16.
- Совок Au сетки от ди воды и высушите их за 6 ч в RT и атмосферное давление.
- Изготовить КСГ.
- Подготовьте смесь электролитов и нанотрубок. Разогнать 0,06 г порошка нанотрубок в 10 мл электролит, который состоит из 1,3 М литий Гексафторофосфат (6LiPF) в этилена карбонат (EC) и карбонат Диэтиленгликоль (DEC) (3:7 тома соотношение) с 10 wt % карбоната fluoroethylene (FEC).
Примечание: Состав электролита является таким же, как используется в тест ячейка электрохимического аккумулятора. Различные электролитов могут быть использованы в КСГ, такие как 1 М LiPF6 растворяют в ЕС, DEC, и диметил карбонаты (DMC) в объемном соотношении 1:1:1, 1 M Гексафторофосфат натрия (NaPF6) растворяют в ЕС, 1 М перхлората натрия (NaClO 4) растворяют в полиэтилен карбонат (PC) с 5 wt % FEC, 0,1 М магния bis(trifluoromethanesulfonimide) (MgTFSI) в диглим и 1 M4 NaClO в ПК. - Переместите переданы графена Au сетки и электролит смесь в бардачок, которая заполняется с Ar.
- Поместите один переведен графена Au сетки на дне. Падение 20 мкл электролита смеси на нижней сетке.
- Держите другой переданы графена сетки с пинцет и поместите его на верхней части в нижней сетке.
Примечание: Эта процедура должна быть сделано быстро до высыхания электролита (Рисунок 2d). - Сухие образец внутри в бардачок для 30 минут, в течение которого жидкость спонтанно инкапсулируется между двумя листами графена, как он высохнет.
Примечание: Количество зависшие жидкости зависит насколько хорошо была передана графена и насколько хорошо помещается верхняя сетка.
- Подготовьте смесь электролитов и нанотрубок. Разогнать 0,06 г порошка нанотрубок в 10 мл электролит, который состоит из 1,3 М литий Гексафторофосфат (6LiPF) в этилена карбонат (EC) и карбонат Диэтиленгликоль (DEC) (3:7 тома соотношение) с 10 wt % карбоната fluoroethylene (FEC).
4. выполнение реального времени ТЕА
- КСГ нагрузки на обычных держатель ТЕА сингл наклон.
- Место GLC образца (два вложенных переданы графена Au сетки) на держателе ТЕА сингл наклон.
- Если две сетки не складываются совершенно, GLC образца не поместятся в держателе ТЕА. В этом случае Отрежьте край сетки АС с лезвием бритвы.
- После того, как образец GLC монтируется на держателе ТЕА, поместите держатель ТЕА внутри ТЕА и тщательно проверить уровень вакуума.
- Запись видео в реальном времени ТЕА.
- Найти область, где2 нанотрубок SnO инкапсулируется с жидким электролитом.
Примечание: Чтобы узнать, существует ли жидкость вокруг2 нанотрубок СНО, облучить электронный луч на несколько секунд. Если наблюдается некоторое движение жидкости или разложение электролит, это весьма вероятно, что области инкапсулируется с жидкостью. - Выравнивания для ТЕА и задайте дозировки пучка электронов инициировать реакцию, регулируя яркость ручку.
Примечание: Подходит выравнивание для ТЕА включает в себя выравнивание пользователя, такие как Z-высота, пистолет tilt/shift, луч tilt/shift, выравнивание диафрагмы и отчаиваются выравнивание. Эти процедуры выполняются лучше в другом районе (рядом с регионе, найденных на шаге 4.2.1) в порядке, не давать каких-либо повреждений СНО2 нанотрубок и жидкий электролит. Курсовая доза пучка электронов для инициирования lithiation обычно это ~ 103e–/Å2· s, но она может отличаться с каждый инструмент ТЕА. - Запустите программу микроскопии и зарядовой (связью ПЗС) камеры согласно инструкциям производителя.
- Нажмите кнопку записи в окне видео высокой четкости (HD) и запись реакции, происходящие в образце ГЖХ.
- Найти область, где2 нанотрубок SnO инкапсулируется с жидким электролитом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
SnO2 нанотрубок были сфабрикованы electrospinning и последующего обжига, во время которого nanotubular и пористых структур можно увидеть четко, согласно SEM изображения (рис. 3). Такая структура nanotubular приходит от разложения PVP, в то время как Sn прекурсоров в ядре перемещается наружу из-за Керкендалл эффект17,18. Кроме того Ostwald созревания происходит в дополнение к Керкендалл эффект, что приводит к росту СНО2 nanogains19. ТЕА изображение (Рисунок 3b) показывает, что таких пористых сайтов являются более визуально ясно, указывается количество белых пятен внутри нанотрубки2 СНО. Кристаллические структуры СНО2 являются поликристаллического касситерита структуры (рис. 3c), в соответствии с ранее опубликованной литературы17.
С точки зрения электрохимические характеристики нанотрубок2 СНО были детально рассмотрены различные аспекты нанотрубок2 СНО. Начнем с того заряда и разряда профиль СНО2 нанотрубок в цикл формирования показано (Рисунок 4), который экспонаты стабильного напряжения профили с первоначального кулоновских эффективность 67,8%. Плато напряжения, которое существует на 0,9 V, можно отнести к двухфазной реакции (реакции конверсии2 SnO-Sn), аналогичные описания в предыдущих работ9,20. Необратимого формирования ли2O во время реакции конверсии СНО2, наряду с нестабильной формирования твердого электролита межфазного (ИУЭ) слоя, привели к плохо Обратимые реакции с Li формирования цикла. Нанотрубки2 СНО экспонат, стабильной Велоспорт на 500 мА g-1, с кулоновских эффективность выше 98% (Рисунок 4b). Скорость возможности СНО2 нанотрубок (рис. 4c) также представлены, где2 нанотрубок SnO сохраняют значительный потенциал (> 700 мАч g-1) даже при высокой плотности тока по 1000 мА g-1 . Тем не менее потери первоначального необратимого потенциала необходимо изучить более подробно, с использованием методов в situ ТЕА.
Общие характеристики графена показано на рисунке 5. Рисунок 5 отображает спектр Раман графена, синтезированных на Cu фольги. Соотношение между яg и я2D составил 2,81 человек, какие матчи хорошо с соотношением монослоя графена на поликристаллическом Cu подложке, указав, что графен монослой был синтезирован. SEM изображение передаваемых графена на сетке Au ТЕА будет показано на рис. 5b, демонстрируя, что охват графена было хорошо после его передачи в сетку Au ТЕА. Изображений ТЕА и соответствующего выбранной области электрон дифракции (Саид) характер передаваемых графена показано на рис. 5c, d. Гексагональной дифракции пятна указывают монослоя графена хорошо.
Время серии изображений ТЕА КСГ показаны на рисунке 6, которые записываются из Фильма S1. Когда хорошо изготовлены КСГ, они имеют несколько жидкого карманы чьи размеры варьируются от десятков нанометров до сотни нанометров, в зависимости от раствора и наночастиц7,14. В этом эксперименте, используя решение ЕС/DEC/FEC и СНО2 нанотрубок размер жидкий карман был 300-400 Нм. Ускоряющее напряжение было 300 кв и электронного пучка дозировка 743.9 e–/Å2· s, который является достаточно для lithiation продолжить, но не для тяжелых луч ущерб. Через постоянное электронного пучка облучения растворенного электронов и радикалы вызывают вторичные реакции с солью и растворителя. Здесь, разложение электролитов и формирование слоя SEI были замечены на начальном этапе, в согласии с некоторыми из ранее сообщалось на reuslts6,,78,9 ,21.
Рисунок 1 : Цифровой камеры изображения electrospinning установки и подготовленных СНО2 нанотрубок и электрода. () Electrospinning, (b) СНО2 нанотрубок и (c) суспензии литой электрода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 : Цифровой камеры изображения показаны переданы графена сетки и изготовление графена жидкой клеток. () синтезированных монослоя графена на Cu фольги, (b) Au ТЕА сетки на Cu фольги, (c) процесс травления Cu фольги в 0,1 М Аммония персульфат и (d) укладываются Au сетки внутри перчаточный ящик. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : Характеристика СНО2 нанотрубок до их инкапсуляции внутри лист графена. Эти панели показывают () SEM изображение, изображение (b) ТЕА и (c) Саед модель SnO2 нанотрубок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 : Электрохимический батарея клетки тестирование нанотрубок2 СНО. Эти панели показывают () заряда и разряда профиль, (b) цикла удержания характеристики и возможности (c) скорость2 нанотрубок СНО. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5 : Характеристика синтезированных графена. Эти панели показывают () Раман спектра, (b) изображение SEM, (c) изображение ТЕА и (d) Саед шаблон графена монослоя. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6 : ТЕА в реальном времени изображений lithiation процесса КСГ. Разложить электролита и формирование SEI слоя на поверхности нанотрубок2 СНО наблюдаются для 0 - 45 s. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Фильм S1. Lithiation КСГ. На поверхности нанотрубок2 СНО визуализируется внутри жидким электролитом. Пожалуйста нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео. (Правой кнопкой мыши для загрузки.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Есть важные шаги в рамках протокола. Во-первых передача графена на сетке ТЕА требует пристального внимания исследователей. Это важно для обработки сеток с помощью пинцета и не повредить любой из сетки, например, уничтожая аморфный углерод мембраны или изгиб кадра. Эти виды ущерба приведет к плохой охват графена и влияет на количество жидкого карманов. Кроме того размещение в верхнюю сетку в правильном положении имеет решающее значение. Как описано в протоколе, верхней сетки должен быть помещен быстро, прежде чем жидкость высохнет. В ходе этого процесса исследователи могут повредить верхнюю сетку или поместить его в неправильном положении (т.е., не в центре нижней сетке). Аналогично любые убытки, понесенные в ходе процесса передачи, это снизит доходность жидкой клеток. Таким образом много практики с обработкой ТЕА сетки необходимо неоднократно изготовить КСГ.
Важно, чтобы убедиться, что суспензии литой Cu фольги полностью высохнет до cell Ассамблеи. Это важно, потому что наличие воды может снизить общую производительность ячейки. Кроме того навозной жижи должен быть приведен на Cu фольги равномерно, так что загрузка количество активного материала похож. Кроме того важно найти правильное место для наблюдения за ТЕА, где жидкость полностью опечатаны листы графена и существует достаточное количество жидкости, lithiation непрерывно может иметь место. Даже несмотря на то, что исследователи следуют шаги как они демонстрируются в протоколе, они часто будут наблюдать неполной реакций и истощение жидкий электролит вокруг активных материалов. Чтобы найти правильное место для наблюдения ТЕА, исследователи должны осветить электронного пучка на несколько секунд и наблюдать, существует ли достаточное количество жидкости для дальнейшей реакции происходят.
Ограничение метод ГЖХ с наблюдения за lithiation является, что динамика возможны только после lithiation, не delithiation. Потому что lithiation внутри КСГ инициируется электронно-лучевые и сокращение окружающих электролита, напротив окислительной среды не могут быть реализованы. Это ограничение по сравнению с другими в situ ТЕА методы, которые можно применить предвзятости к системе, например сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)-ТЕА владельца или владельцев электрохимии. Кроме того как прилагаются две сетки и верхняя сетка не удаляется в этом эксперименте, водных растворителей менее способность склеивать две сетки и органических электролитов поэтому предпочтительнее.
КСГ обеспечивают крупные достижения тремя различными способами. 1) они обеспечивают с высоким разрешением изображений в жидкий электролит, который вряд ли достижимо в других платформах в situ ТЕА. 2) они не требуют покупки держателя дополнительной в situ ТЕА. 3) Кроме того различные виды наноматериалы (например, nanosheet, наночастиц и нановолокно) могут быть визуализированы внутри жидким электролитом.
КСГ может использоваться далее соблюдать не только динамика электродных материалов на lithiation, но, Кроме того, sodiation (Na ионные аккумуляторы), magnesiation (мг ионные аккумуляторы), potassiation (K-ионные батареи) и цинка вставки (Zn ионные батареи). Кроме того помимо разложения различных видов электролитов, морфологические изменения электродных материалов могут быть визуализированы внутри КЗС9,10. Мы ожидаем, что такая информация будет содержать ценную информацию для инженеров, которые работают на разработке передовых вторичной батареи.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Национальный фонд исследований Кореи (СРН), Грант № 2014R1A4A1003712 (BRL программа), Корея CCS R & D центр (KCRC) Грант, финансируемых правительством Кореи (Министерство науки, ИКТ и будущее планирование) (No. NRF-2014M1A8A1049303), End-Run грант от КИПНТ, финансируемых правительством Кореи в 2016 (Министерство науки, ИКТ и будущее планирование) (N11160058), носимых платформы материалы технологии центр (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), национальные исследования Фонд гранта Кореи (СРН), финансируемых правительством Кореи (СР 2017H1A2A1042006-Глобальная программа стипендий кандидат), Национальный фонд исследований Кореи (NRF) Грант, финансируемых правительством Кореи (MSIP; Министерство науки, ИКТ и будущего планирования) (NRF-2018R1C1B6002624), Nano· Программа развития материальные технологии через национальные исследования фонд из Кореи (NRF) финансируется министерством науки и ИКТ и будущего планирования (2009-0082580) и ФНС Грант, финансируемых правительством Кореи (MSIP; Министерство науки, ИКТ и будущего планирования) (NRF-2018R1C1B6002624).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Tin chloride dihyrate | Sigma Aldrich | CAS 10025-69-1 | In a glass bottle |
| Ethanol | Merck | CAS 64-17-5 | In a glass bottle |
| Dimethylformamide | Sigma Aldrich | CAS 68-12-2 | In a glass bottle |
| Polyvinylpyrrolidone | Sigma Aldrich | CAS 9003-39-8 | In a plastic bottle |
| Cell tester | KOREA THERMO-TECH | Maccor Series 4000 | |
| Cell tester 2 | WonaTech | WBCS4000 | |
| Sodium perchlorate | Sigma Aldrich | CAS 7601-89-0 | In a glass bottle |
| 25 gauge needle | Hwa-In Science Ltd. | ||
| 1.3 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF6) dissolved in EC/DEC with 10 wt% of FEC | PANAX ETEC | In a stainless steel bottle | |
| Propylene carbonate | Sigma Aldrich | CAS 108-32-7 | In a glass bottle |
| Super P Carbon Black | Alfa-Aesar | CAS 1333-86-4 | In a glass bottle |
| Cell components (bottom cell, top cell, separator, gasket, spring, spacer) | Wellcos Corporation | ||
| Cell punch | Wellcos Corporation | ||
| Glove Box | Moisture Oxygen Technology (MOTEK) | ||
| Box Furnace | Naytech | Vulcan 3-550 | |
| Electrospinning device | NanoNC | ||
| Hydrofluoric acid | Junsei | 84045-0350 | 85% |
| Cu foil | Alfaaesar | 38381 | Copper Thinfoil, 0.0125mm thick, 99.9% |
| Holy carbon Au grid | SPI | Quantifoil R2/2 Micromachined Holey Carbon Grids, 300 Mesh Gold | Quantifoil R2/2 Micromachined Holey Carbon Grids, 300 Mesh Gold |
| Isoprophyl alchol | Sigmaaldrich | W292907 | 99.70% |
| Ammonium persulfate | Sigmaaldrich | 248614 | 98% |
| Transmission electron microscope (TEM) | JEOL | JEOL JEM 3010 | 300 kV |
| Chemical vapor depistion (CVD) | Scientech | ||
| Charge coupled device (CCD) | Gatan | Orius SC200 | |
| Plasma Cleaner | Femtoscience | VITA | |
| Electrospinning program | NanoNC | NanoNC eS- robot |
References
- Sun, Y. -K., et al. Nanostructured high-energy cathode materials for advanced lithium batteries. Nature Materials. 11 (11), 942-947 (2012).
- Manthiram, A., Fu, Y., Chung, S. -H., Zu, C., Su, Y. -S.
- Liu, X. H., Huang, J. Y. In situ TEM electrochemistry of anode materials in lithium ion batteries. Energy Environmental Science. 4 (10), 3844-3860 (2011).
- Xie, Z. -H., Jiang, Z., Zhang, X. Review-Promises and Challenges of In Situ Transmission Electron Microscopy Electrochemical Techniques in the Studies of Lithium Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 164 (9), 2100-2123 (2017).
- Tripathi, A. M., Su, W. -N., Hwang, B. J. In situ analytical techniques for battery interface analysis. Chemical Society Reviews. 47 (3), 736-851 (2018).
- Yuk, J. M., Seo, H. K., Choi, J. W., Lee, J. Y. Anisotropic lithiation onset in silicon nanoparticle anode revealed by in situ graphene liquid cell electron microscopy. ACS Nano. 8 (7), 7478-7485 (2014).
- Cheong, J. Y., et al. Growth dynamics of solid electrolyte interphase layer on SnO2 nanotubes realized by graphene liquid cell electron microscopy. Nano Energy. 25, 154-160 (2016).
- Lee, K., Shin, S., Degen, T., Lee, W., Yoon, Y. S. In situ analysis of SnO2/Fe2O3/RGO to unravel the structural collapse mechanism and enhanced electrical conductivity for lithium-ion batteries. Nano Energy. 32, 397-407 (2017).
- Chang, J. H., et al. Direct realization of complete conversion and agglomeration dynamics of SnO2nanoparticles in liquid electrolyte. ACS Omega. 2 (10), 6329-6336 (2017).
- Cheong, J. Y., et al. In Situ High-Resolution Transmission Electron Microscopy (TEM) Observation of SnNanoparticles on SnO2 Nanotubes Under Lithiation. Microscopy Microanalysis. 23 (6), 1107-1115 (2017).
- Cheong, J. Y., et al. Revisiting on the effect and role of TiO2 layer thickness on SnO2 for enhanced electrochemical performance for lithium-ion batteries. Electrochimica Acta. 258, 1140-1148 (2017).
- Hwa, Y., Seo, H. K., Yuk, J. M., Cairns, E. J. Freeze-Dried Sulfur-Graphene Oxide-Carbon Nanotube Nanocomposite for High Sulfur-Loading Lithium/Sulfur Cells. Nano Letters. 17 (11), 7086-7094 (2017).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336 (6084), 61-64 (2012).
- Jeong, M., Yuk, J. M., Lee, J. Y. Observation of Surface Atoms during Platinum Nanocrystal Growth by Monomer Attachment. Chemistry of Materials. 27 (9), 3200-3202 (2015).
- Yuk, J. M., et al. Real-Time Observation of Water-Soluble Mineral Precipitation in Aqueous Solution by In situ High-Resolution Electron Microscopy. ACS Nano. 10 (1), 88-92 (2015).
- Wang, C., Qiao, Q., Shokuhfar, T., Klie, R. F. High-Resolution Electron Microscopy and Spectroscopy of Ferritin in Biocompatible Graphene Liquid Cells and Graphene Sandwiches. Advanced Materials. 26 (21), 3410-3414 (2014).
- Cheong, J. Y., Kim, C., Jang, J. S., Kim, I. -D. Rational design of Sn-based multicomponent anodes for high performance lithium-ion batteries: SnO2@TiO2@reduced graphene oxide nanotubes. RSC Advances. 6 (4), 2920-2925 (2016).
- Mel, A. -A., Nakamura, R., Bittencout, C. The Kirkendall effect and nanoscience: hollow nanospheres and nanotubes. Beilstein Journal of Nanotechnology. 6, 1348-1361 (2015).
- Cheong, J. Y., Kim, C., Jung, J. -W., Yoon, K. R., Kim, I. -D. Porous SnO2-CuO nanotubes for highly reversible lithium storage. Journal of Power Sources. 373, 11-19 (2018).
- Ao, X., et al. Porous Honeycomb-inspired design of ultrafine SnO2@C nanospheres embedded in carbon film as anode materials for high performance lithium- and sodium-ion battery. Journal of Power Sources. 359, 340-348 (2017).
- Abellan, P., et al. Probing the Degradation Mechanisms in Electrolyte Solutions for Li-Ion Batteries by in Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 14, 1293-1299 (2014).
