Waiting
Login processing...

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

Engineering

إعداد خلايا السائل الجرافين لمراقبة المواد بطارية ليثيوم أيون

Published: February 5, 2019 doi: 10.3791/58676
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1, 1
1Department of Materials Science and Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology
* These authors contributed equally

Summary

نقدم هنا، على بروتوكول لتصنيع وإعداد خلية سائل الجرافين في الموقع انتقال الميكروسكوب الإلكتروني المراقبة، جنبا إلى جنب مع توليفة من المواد الكهربائي واختبارات خلية البطارية الكهروكيميائية.

Abstract

في هذا العمل، نحن نقدم إعداد خلايا السائل الجرافين (ال)، تغليف المواد القطب والشوارد السائلة العضوية بين ورقتين الجرافين، والتوليف سهلة للنانو أحادية البعد باستخدام اليكتروسبينينج. الأخضر تمكن في الموقع مجهر إلكتروني (TEM) لديناميات ليثييشن مواد القطب. في الموقع الأخضر-تيم استخدام شعاع إلكترون للتصوير وليثييشن يمكن الاستفادة من الشوارد البطارية واقعية، ليس فقط، بل أيضا التصوير عالي الدقة من مختلف الخصائص المورفولوجية والمرحلة وتوتره والتحولات.

Introduction

في الآونة الأخيرة، استهلاك الطاقة تزايد مستمرا، فضلا عن أهمية أجهزة تخزين الطاقة عالية الأداء. لتلبية هذا طلب، تطوير بطاريات الليثيوم أيون التي لديها كثافة الطاقة عالية، هو المتانة والسلامة الضرورية1،2. من أجل تطوير بطاريات مع خصائص متفوقة، هو فهم أساسي لآليات تخزين الطاقة أثناء تشغيل البطارية الأساسية3،،من45.

في الوضع الطبيعي مجهر إلكتروني (TEM) يقدم أفكاراً غنية كما يمكن أن تظهر معلومات هيكلية والكيميائية أثناء تشغيل بطاريات3. بين في الموقع ال تقنيات كثيرة، الع قد استخدمت لرصد ديناميات ليثييشن المواد النانوية6،،من78،،من910،11 ،12. الع تتألف من جيب السائل مختومة بالأغشية الجرافين اثنين، والتي توفر واجهة قطب/اﻻلكتروﻻيت الفعلية عن طريق منع تبخر السائل داخل فراغ عالية في6،عمود ال7. مزايا الع أنها تسمح القرار المكانية متفوقة وعالية التباين التصوير نظراً لأنها تستخدم الجرافين موناتوميك سميكة شفافة إلكترون كسائل ختم غشاء13،14،15 ،16. أيضا، يمكن أن يكون تيم التقليدية المطبقة على مراقبة ردود الفعل البطارية، دون استخدام مكلفة في الموقع أصحاب تيم.

في هذا النص، نقدم لك كيفية رد فعل ليثييشن يمكن ملاحظتها مع الع. على وجه التحديد، تشعيع شعاع الإلكترون ينتج ومذاوبة الإلكترونات داخل اﻻلكتروﻻيت السائل، وأنها تبدأ ليثييشن بفصل الأيونات لي من جزيئات المذيبات.

المرتبطة أيضا بمثابة منصة المثلى للسماح المراقبة المباشرة للمواد النانوية مع مورفولوجيس المختلفة، بما في ذلك جسيمات نانوية6،9, الأنابيب النانوية7،10،11، وحتى 12من مواد متعددة الأبعاد. جنبا إلى جنب مع تحليل تيم السابقين الموقع مواد القطب بعد اختبار الخلايا الكهروكيميائية الفعلية، فمن الممكن أن النظام الأخضر المقدمة هنا يمكن استخدامها للتحقيق في إليه التفاعل الأساسية.

مع هذه المزايا الع وتجارب السابقين الموقع ، نقدم هنا أساليب تجربة مفصلة للباحثين الذين هم على استعداد القيام بتجارب الأخضر مماثلة. البروتوكولات تغطي 1) التوليف من القصدير (IV) أكسيد (سنو2) النانومترية نموذجية ذات البنية النانومترية أحادي القطب المواد، 2) اختبار خلية البطارية الكهروكيميائية و 3) إعداد الأخضر 4) أداء لفي الوقت الحقيقي المراقبة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-تجميع الأنابيب النانوية2 سنو اليكتروسبينينج والمعالجة الحرارية اللاحقة17

  1. تعد حلاً اليكتروسبينينج.
    1. حل 0.25 غرام من ثنائي هيدرات كلوريد القصدير في خليط المذيبات 1.25 جرام من الإيثانول و 1.25 غرام من ديميثيلفورماميدي (DMF) في درجة حرارة الغرفة (RT، 25 درجة مئوية).
    2. بعد التحريك ح 2، إضافة ز 0.35 من بوفيدون (PVP) في حل اليكتروسبينينج ويقلب الخليط لآخر ح 6.
  2. نفذ اليكتروسبينينج للنانو مركب السلائف/حماية الأصناف النباتية Sn.
    1. عند حل اليكتروسبينينج مستعدة جيدا، يغسل مستطيل، منزوع الماء (DI) والإيثانول 2 س-5 س مرنة الفولاذ المقاوم للصدأ (30 × 20.5 سم) مع وأيردري أنه عند 60 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
    2. نقل الحل اليكتروسبينينج لحقنه 10 مل بعرقلة من جانب واحد من المحاقن وترك حل اليكتروسبينينج التدفق في المحاقن.
    3. قم بتوصيل إبرة ز 25 المحاقن.
      ملاحظة: أنواع أخرى من الإبر، مثل الإبر 23 ز وز 17، يمكن أيضا أن تستخدم. في هذا البروتوكول، الإبرة ز 25 إبرة قياسية.
    4. إصلاح الفولاذ المقاوم للصدأ مرنة المجففة إلى الطبال مع الشريط.
    5. فتح برنامج وحدة تحكم اليكتروسبينينج وأدخل معلمات اليكتروسبينينج (معدل التدفق: µL·min-15-20، المبلغ الإجمالي للحل: 3-15 مل) للأداء السليم للجهاز اليكتروسبينينج.
      ملاحظة: معدل التدفق الأمثل هو µL·min 10-1 هنا، والمبلغ الإجمالي للحل 5 مل.
    6. إصلاح المحاقن مع الإبرة ز 25 في الجهاز اليكتروسبينينج، ومن ثم، إصلاحها مع الشريط.
    7. قبل اليكتروسبينينج، اضغط المحاقن نحو جامع حتى تدفقات الحل اليكتروسبينينج جيدا من خلال إبرة 25 جرام. ثم، الاتصال غيض الإبرة للقصاصات تمساح انتهى المزدوجة، التي ترتبط أيضا جامع.
    8. لفة الرول (100 لفة في الدقيقة) والشروع في البرنامج برنامج اليكتروسبينينج.
    9. تعدل الجهد المطبق باستخدام تحيز جهد (الشكل 1) بين 10-25 كيلو فولت للسماح اليكتروجيتينج الأقماع تايلور لتشغيل العملية اليكتروسبينينج.
      ملاحظة: هنا، الجهد التطبيقي الأمثل هو 16 كيلوفولت.
  3. إجراء التكليس للنانو مركب السلائف/حماية الأصناف النباتية Sn.
    1. عند الانتهاء من عملية اليكتروسبينينج كشط النانو نسج على الفولاذ المقاوم للصدأ مرنة مع الشفرة وتحويلها إلى شكل مربع ألومينا.
    2. إدراج مربع الألومينا في الفرن مربع وتعيين شروط المعالجة الحرارية للفرن مربع: 600 درجة مئوية أو 700 درجة مئوية ح 1، مع معدل تكثف من 10 ° C·min-1.
    3. بعد الإحراق، يبرد الفرن إلى 50 درجة مئوية، وبعد ذلك، نقل العينات المكلس (أي، سنو2 الأنابيب النانوية) قنينة الزجاج (الشكل 1ب).

2. اختبار خلية البطارية الكهروكيميائية

  1. إعداد مسرى.
    ملاحظة: يتكون الملاط القطب 10 الموثق % wt وأسود الكربون % wt 10 و 80% من المواد النشطة (في هذه الحالة، سنو2 الأنابيب النانوية). ويمكن تعديل كمية الطين وتكوين كل مكون في الطين.
    1. قص إحباط النحاس (Cu) إلى عرض 10 سم x 30 سم طول، واستخدام الإيثانول، إصلاحه على الركازة زجاج مستطيلة (25 × 15 × 0.5 سم).
    2. مزيج 0.02 جم من الكربون الأسود و 0.027 غرام من حمض polyacrylic (35 wt %) ز 0.166 carboxymethyl السليلوز (6% بالوزن) في بوتقة. إضافة ثلاث إلى ست قطرات مياه (دي) في بوتقة للسماح خلط متجانسة.
    3. إضافة 0.16 غرام من الأنابيب النانوية2 سنو في البوتقة. ثم إضافة ثلاث إلى ثماني قطرات الماء دي إلى بوتقة للسماح خلط متجانسة.
    4. الأرض جميع المكونات في بوتقة لمدة 30 دقيقة للتأكد من أن الطين لزج بما فيه الكفاية أن يلقي كذلك على إحباط Cu.
    5. عندما الملاط القطب مستعدة جيدا، مكان الملاط على الجانب العلوي من الاتحاد الجمركي إحباط في الركيزة الزجاج، ويلقي عليه بالتساوي باستخدام الرول صب.
      ملاحظة: عادة، سمك الطين هو 60 ميكرومتر لكن يمكن أن يكون أكثر أو أقل.
    6. أيردري Cu ملاط-يلقي إحباط عند 60 درجة مئوية لمدة 10 دقائق، وختم ذلك داخل كيس بلاستيك قبل انعقاد الجمعية خلية البطارية.
      ملاحظة: يمكن رؤية إحباط Cu ملاط-يلقي في الشكل 1ج.
  2. قم بتجميع خلايا البطارية.
    1. حرارة الفرن الحراري إلى 150 درجة مئوية. ثم، مكان إحباط Cu ملاط-المدلى بها في الفرن.
    2. تعبئة الفرن الحراري بفراغ بمضخات الطرد المركزي لتجفيف المذيبات المتبقية في الملاط مع تجنب أكسدة Cu إحباط.
    3. بعد تدفئة Cu ملاط-يلقي إحباط عند 150 درجة مئوية ح 2، تعبئة الفرن الحراري مع الهواء بإغلاق خط فراغ وفتح الخط المنافس في مضخة دوارة لفتح الدائرة.
    4. تأخذ Cu ملاط-يلقي إحباط الخروج من الدائرة ولكمه مع تثقيب دائرة (لكمه القطر: 14 مم). وزن إحباط Cu ملاط-يلقي لكمات ووضعه في الخلية أسفل البطارية.
    5. استخدام نصف خلية لجمعية خلايا البطارية. بعد وضع Cu ملاط-يلقي إحباط في الجزء السفلي من الخلية البطارية، ونقل العينات إلى أنتيتشامبير مربع القفازات.
    6. فراغ أنتيتشامبير لمدة 30 دقيقة، وبعد ذلك، نقل العينات في الداخل علبة القفازات.
    7. تجميع خلايا البطارية بالترتيب التالي: أسفل خلية البطارية وإحباط Cu الملاط الصب وفاصل، طوقا، الربيع، فاصل وخلية البطارية أعلى. إسقاط الكهرباء بعد الفاصل يتم وضعه في خلية البطارية.
    8. ضغط خلية البطارية في خلية بطارية كاملة الضاغطة. ثم نقل خلايا البطارية الكهروكيميائية الاختبارات إلى أنتيتشامبير في المربع القفازات وتأخذ خلايا البطارية من خارج منطقة الجزاء القفازات.
    9. قياس الجهد الدائرة المفتوحة (القطر) قبل رقمي متعدد وعمر بطارية الخلية عند RT لمد 1-2.
  3. اختبار خلية البطارية الكهروكيميائية.
    1. حساب وزن المواد النشطة بطرح وزن Cu إحباط عن إحباط Cu الملاط الصب وتقسيمه بجزء المواد النشطة.
    2. حساب الحالي الذي يحتاج خلية البطارية ليتم تشغيلها بضرب الكثافة الحالية (mA·g-1) بوزن المواد النشطة.
    3. إدراج الخلايا الكهروكيميائية بطارية في المختبر خلايا البطارية. تطبيق الحالي (المقابلة إلى 0.05 A·g-1 للدورة في تشكيل ومختلف الكثافات الحالية في نطاق A·g 0.1-1 إلى 10.0 A·g-1 لدورة الاختبارات وقدرات معدل) لكل خلية البطارية باستخدام جهاز اختبار خلية البطارية البرنامج.
    4. تطبيق تيارات مختلفة لكل خلية البطارية لو يتم اختباره في مختلف الكثافات الحالية.

3-إعداد الخلية السائل الجرافين

  1. توليف الجرافين بترسب البخار الكيميائي (الرسوم التعويضية).
    1. قطع رقائق Cu (نقاء: 99.9%، سماكة: 0.0125 ملم) مع مقص إلى قطع بإبعاد 10 × 3 سم.
    2. شطف Cu إحباط من الخطوة 3.1.1 مع الكحول الأيزوبروبيل (IPA) إزالة أي غبار أو الملوثات وتعامل مع 100 مل من 20 wt % حامض الفوسفوريك (ح3ص4) لمدة 20 دقيقة لإزالة أكسيد الأصلي على السطح لإحباط Cu في زجاج طبق بيتري. ثم، مكان الاتحاد الجمركي إحباط في المياه دي لآخر 10 دقيقة بالكامل شطف المتبقية ح3ص. ب.4.
    3. تحرك Cu إحباط لأنبوب الكوارتز (القطر الخارجي: 40 ملم، وقطرها الداخلي: 36 ملم) معدات الرسوم التعويضية.
    4. تشغيل المضخة الدوارة وانتظر حتى مستوى الفراغ تحت 2 x 10-3 ميلليمتر زئبق. وبعد ذلك، رفع درجة الحرارة إلى 150 درجة مئوية لإزالة تماما بالأكسجين والرطوبة داخل أنبوب الكوارتز من الرسوم التعويضية.
    5. رفع درجة الحرارة من الرايت إلى 1000 درجة مئوية في 40 دقيقة مع 10 sccm ح2 تدفق الغاز. الحفاظ على درجة حرارة غرفة أخرى 40 دقيقة يصلب إحباط Cu.
    6. إيقاف تشغيل في 60 sccm CH4 الغاز للحد الأدنى 25 باردة أسفل قاعة الرسوم التعويضية لدورة الرايت CH4 والغازات2 ح في 300 درجة مئوية.
    7. تأخذ إحباط Cu (الشكل 2) من دائرة الرسوم التعويضية ويبقيه في مجفف.
  2. نقل الجرافين.
    1. لإزالة الجرافين في المؤخرة إحباط Cu، إجراء النقش البلازما باستخدام بلازما أنظف بالإعدادات التالية: تدفق Ar (من 100 sccm)، الوقت (60 s)، والطاقة (من 30 ث)، وضغط قاعدة (من 5.0 × 10-2 ميلليمتر زئبق).
    2. قطع الاتحاد الجمركي إحباط مع الجرافين التي تم تصنيعه في الخطوة 3، 1 إلى 3 × 3 مم مع المقص. مكان القطع إحباط الاتحاد الجمركي بين الشرائح اثنين النظارات والصحافة لجعلها مسطحة.
      ملاحظة: يتم وضع أربع قطع رقائق Cu معا بين اثنين الشريحة النظارات.
    3. وضع شبكات الاتحاد الأفريقي الكربون المخرمة (300 مش، R2/2) على كل قطعة من رقائق Cu (الشكل 2ب). إسقاط 20 ميليلتر من معهد الإدارة العامة في إحباط شبكة/Cu الاتحاد الأفريقي.
    4. شفط IPA مع تلميح ميكروبيبيتي متصل بمضخة دوارة. بعد المص، الجاف لإحباط شبكة/Cu الاتحاد الأفريقي عند 50 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
    5. السلوك إحباط النقش النحاس في 10 مل من فوق كبريتات الأمونيوم 0.1 م عن ح 6 في زجاج 6 سم. صحن بتري (الشكل 2ج).
      ملاحظة: يجب تنظيف الزجاج أطباق بيتري مع أصد دي المياه قبل استخدامها لتجنب تلوث الجسيمات Si.
    6. حلج القطن شبكات الاتحاد الأفريقي مع حزب العمال حلقة ونقله إلى كوب طبق بيتري مملوءة بالماء دي عند 50 درجة مئوية، من أجل إزالة أي ملوثات المتبقية تماما من تنميش16.
    7. حلج القطن شبكات الاتحاد الأفريقي من المياه دي وتجفيفها ح 6 RT ومع الضغط الجوي.
  3. اصطناع الع.
    1. إعداد الخليط المنحل بالكهرباء وأنابيب نانوية. تفريق 0.06 جم مسحوق أنبوب نانوي في 10 مل من المنحل بالكهرباء، وهي تتألف من سداسي فلوروفوسفات الليثيوم 1.3 M (ليف6) كربونات الإيثيلين (EC) وكربونات الغلايكول (DEC) (نسبة حجم 3:7) مع 10% بالوزن من كربونات فلوروثيليني (FEC).
      ملاحظة: تكوين الكهرباء هو نفسه كتلك المستخدمة في اختبار خلية البطارية الكهروكيميائية. الشوارد مختلفة يمكن استخدامها في الع، ك "ليف م" 16 الذائبة في الجماعة الأوروبية، ديسمبر، وثنائي الكربونات (DMC) بنسبة حجمية 1:1:1، 1 متر من سداسي فلوروفوسفات الصوديوم (ناف6) الذائبة في الجماعة الأوروبية، 1 م من فوق كلورات الصوديوم (ناكلو 4) حله في البولي كربونات (PC) مع 5% بالوزن من المنصف، 0.1 من المغنيسيوم bis(trifluoromethanesulfonimide) (مجتفسي) في ديجليمي، و 1 متر مربع ناكلو4 في جهاز الكمبيوتر.
    2. نقل شبكات الاتحاد الأفريقي نقل الجرافين وخليط المنحل بالكهرباء في صندوق القفازات التي يتم تعبئة مع ع.
    3. مكان واحد الجرافين-نقلت شبكة الاتحاد الأفريقي في الجزء السفلي. إسقاط 20 ميليلتر من خليط المنحل بالكهرباء في الشبكة أسفل.
    4. عقد آخر شبكة نقل الجرافين مع الملاقط ووضعه على رأس الشبكة السفلي.
      ملاحظة: هذا الإجراء يجب أن يتم بسرعة قبل الكهرباء قد المجففة (الشكل 2د).
    5. الجاف للعينة داخل صندوق القفازات مدة 30 دقيقة، خلالها تغليف السائل هو تلقائياً بين ورقتين الجرافين كما أن يجف.
      ملاحظة: كمية السائل فخ يعتمد على جيدا كيف تم نقل الجرافين وجيدا كيف يتم وضع الشبكة العلوية.

4-أداء تيم في الوقت الحقيقي

  1. تحميل الع على حامل تيم واحد وميل تقليدية.
    1. ضع العينة الأخضر (المرفقة الجرافين نقل الاتحاد الأفريقي الشبكتين) على حامل تيم واحد والميل.
    2. إذا مكدسة الشبكتين لم تماما، سوف لا يصلح العينة الأخضر في حامل TEM. وفي هذه الحالة، قطع حافة الشبكات الاتحاد الأفريقي مع شفرة حلاقة.
    3. بعد أن يتم تحميل العينة الأخضر على حامل تيم، وضع صاحب تيم داخل ال والتحقق بعناية من مستوى الفراغ.
  2. سجل أشرطة الفيديو في الوقت الحقيقي TEM.
    1. العثور على المنطقة حيث يتم تغليف أنابيب نانوية2 سنو مع اﻻلكتروﻻيت السائل.
      ملاحظة: لمعرفة ما إذا كان يوجد سائل حول أنبوب نانوي2 سنو، يتهددها شعاع إلكترون لبضع ثوان. إذا لوحظ بعض حركة السائل أو التحلل من المنحل بالكهرباء، فإنه من المرجح جداً أن المنطقة مغلفة بسائل.
    2. قم بمحاذاة لل والجرعة شعاع الإلكترون الشروع في رد فعل عن طريق ضبط السطوع مقبض الباب.
      ملاحظة: يشمل المحاذاة المناسبة لل المحاذاة المستخدم، مثل المحاذاة وبندقية إمالة/التحول، شعاع إمالة/التحول، ومحاذاة الفتحة والمحاذاة ستيجميشن Z-الارتفاع. وتتم هذه الإجراءات أفضل في مجال آخر (بجوار المنطقة الموجودة في الخطوة 4.2.1) من أجل عدم إعطاء أي ضرر للكهرباء أنابيب نانوية والسائل2 سنو. معدل الجرعة شعاع الإلكترون للشروع في ليثياتيون هو عادة ~ 103ه–/Å2· s، ولكن قد تختلف مع كل صك تيم.
    3. قم بتشغيل برنامج الفحص المجهري والكاميرا جهاز اقتران (CCD) وفقا لإرشادات الشركة المصنعة.
    4. اضغط على زر سجل في نافذة الفيديو عالية الوضوح (HD) وسجل رد فعل يحدث في العينة الأخضر.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

كانت ملفقة سنو2 الأنابيب النانوية اليكتروسبينينج والإحراق اللاحقة، خلالها نانوتوبولار وهياكل المليئة بالثغرات التي يمكن رؤية بوضوح، وفقا للصورة ووزارة شؤون المرأة (الشكل 3). بنية نانوتوبولار يأتي من التحلل من حماية الأصناف النباتية، بينما يتم نقل السلائف التعطيل في لب إلى الخارج بسبب تأثير كيركيندال17،18. بالإضافة إلى ذلك، يحدث Ostwald النضوج بالإضافة إلى تأثير كيركيندال، مما أدى إلى نمو سنو2 نانوجينس19. وتوضح الصورة تيم (الشكل 3ب) أن هذه المواقع سهلة الاختراق أكثر مرئية واضحة، وأشارت إلى عدد من البقع البيضاء داخل الأنابيب النانوية2 سنو. هياكل الكريستال سنو2 الكريستالات القصدير هياكل (الشكل 3ج)، وفقا للكتابات المنشورة سابقا17.

من حيث الخصائص الكهروكيميائية للأنابيب النانوية2 سنو، درست الجوانب المختلفة للأنابيب النانوية2 سنو بالتفصيل. لتبدأ، التشكيل الجانبي للشحن والتفريغ للأنابيب النانوية2 سنو في دورة تشكيل يظهر(الشكل 4)، الذي يسلك ملامح الجهد مستقرة مع كفاءة coulombic أولية 67.8 في المائة. الهضبة الجهد، الذي يوجد في 0.9 V، يمكن أن يعزى إلى رد فعل ذات مرحلتين (تحويل رد فعل سنو2 إلى التعطيل)، مماثلة لوصف في السابق يعمل9،20. أدى تشكيل لي2س لا رجعة فيه أثناء رد فعل التحويل سنو2، جنبا إلى جنب مع تشكيل غير مستقر اﻻلكتروﻻيت الصلبة طبقة الطور البيني (معهد استوكهولم للبيئة)، وفعل عكسها سيئة مع لي في دورة تشكيل. معرض الأنابيب النانوية2 سنو ركوب الدراجات الهوائية مستقرة في 500 mA ز-1، مع الكفاءة coulombic فوق 98% (الشكل 4ب). معدل قدرات سنو2 الأنابيب النانوية (الشكل 4ج) معروضة أيضا، حيث تحتفظ الأنابيب النانوية2 سنو قدرة كبيرة (> 700 ماه ز-1) حتى في كثافة التيار عالية من 1,000 ز mA-1 . ومع ذلك، فقدان القدرات الأولية لا رجعة فيها يحتاج إلى دراسة أكثر بالتفصيل باستخدام أساليب تيم في الموقع .

عموما يتم عرض الأوصاف الجرافين في الشكل 5. الشكل 5 يظهر طيف رامان الجرافين توليفها في إحباط Cu. النسبة بين أناز ، وكان2D 2.81، التي مباريات جيدا مع نسبة الجرافين أحادي الطبقة على الركازة Cu الكريستالات، مما يشير إلى أن الجرافين أحادي الطبقة تم تصنيعه. صورة SEM الجرافين المنقولة على شبكة الاتحاد الأفريقي تيم يرد في الشكل 5ب، مما يدل على أن الجرافين وكانت التغطية جيدة بعد نقلها إلى شبكة ال الاتحاد الأفريقي. ترد صورة تيم ونمط حيود (سائد) إلكترون المساحة المحددة المقابلة من الجرافين المنقولة في الشكل 5ج، د. وتبين البقع الحيود سداسية الجرافين أحادي الطبقة جيدا.

صور تيم سلسلة زمنية من الع مبينة في الشكل 6، التي يتم التقاطها من فيلم S1. عندما الع ملفقة حسنا، لديهم جيوب السائل متعددة الأحجام التي تتراوح عشرات نانومتر على مئات نانومتر، اعتماداً على الحل وجسيمات نانوية7،14. وكان حجم الجيب السائل في هذه التجربة، باستخدام الحل EC/DEC/المنصف وسنو2 الأنابيب النانوية، 300-400 نانومتر. الجهد المتسارع كان 300 كيلو فولت والالكترون شعاع جرعة 743.9 ه–/Å2· s، وما يكفي ليثياتيون المضي قدما ولكن ليس لشعاع شديدة الضرر. عن طريق تشعيع شعاع الإلكترون ثابتة، الإلكترونات المذابة والجذور تؤدي إلى رد فعل ثانوي مع الملح والمذيبات. هنا، التحلل من المنحل بالكهرباء، وتشكيل طبقة معهد استوكهولم للبيئة لوحظت في المرحلة الأولية، بالاتفاق مع بعض من سبق الإبلاغ عنها في reuslts6،،من78،9 ،21.

Figure 1
الشكل 1 : صور الكاميرا الرقمية للإعداد اليكتروسبينينج واستعداد سنو2 الأنابيب النانوية وقطب كهربائي- () اليكتروسبينينج، (ب) سنو2 الأنابيب النانوية، و (ج) مسرى ملاط-يلقي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
الشكل 2 : صور الكاميرا الرقمية تظهر شبكة نقل الجرافين وتلفيق الجرافين خلايا السائل- () الجرافين أحادي الطبقة المركبة على إحباط Cu، (ب) شبكة تيم الاتحاد الأفريقي على إحباط Cu، (ج) عملية النقش من رقائق النحاس في الأمونيوم 0.1 متر فوق كبريتات، و (د) مكدس الشبكات الاتحاد الأفريقي داخل صندوق القفازات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3 : وصف سنو2 النانومترية قبل التغليف داخل الورقة الجرافين. وتظهر هذه اللوحات () وزارة شؤون المرأة الصورة والصورة (ب) تيم (ج) نمط سائد للأنابيب النانوية2 سنو. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4 : اختبار خلايا البطارية الكهروكيميائية للأنابيب النانوية2 سنو. إظهار () المسؤول عن هذه اللوحات وأداء الشخصية وخصائصها (ب) الاحتفاظ بدوره، وقدرات (ج) المعدل للأنابيب النانوية2 سنو. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الشكل 5 : وصف المركبة الجرافين. إظهار هذه الألواح () رامان الطيف، (ب) الصورة ووزارة شؤون المرأة، (ج) صورة تيم، و (د) نمط سائد من الجرافين أحادي الطبقة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
الرقم 6 : صور "تيم في الوقت الحقيقي" من عملية الع ليثييشن. ملاحظة اﻻلكتروﻻيت المتحللة، وتشكيل طبقة معهد استوكهولم للبيئة على سطح أنابيب نانوية2 سنو النسبة 0-45 س. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Movie 1
فيلم S1. ليثييشن لل- هو تصور سطح أنبوب نانوي2 سنو داخل السائل المنحل بالكهرباء. من فضلك انقر هنا لمشاهدة هذا الفيديو. (انقر بالزر الأيمن التحميل.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وهناك خطوات حاسمة ضمن البروتوكول. أولاً، يحتاج نقل الجرافين إلى الشبكة تيم الباحثين عناية فائقة. من المهم التعامل مع الشبكات بملاقط ولا تضر أي من الشبكات، على سبيل المثال بتدمير الغشاء الكربون غير متبلور أو الانحناء الإطار. سوف يؤدي ضعف تغطية من الجرافين هذه الأنواع من الأضرار وتؤثر على عدد جيوب السائل. وبالإضافة إلى ذلك، وضع الشبكة العلوية في موقف الحق أمر بالغ الأهمية. كما ورد في البروتوكول، الشبكة العليا يجب أن توضع بسرعة قبل ما يجف السائل. أثناء هذه العملية، قد تلف الشبكة العلوية الباحثين أو وضعه في الموضع غير صحيح (أي، لا في مركز الشبكة السفلي). مماثلة لأي من الأضرار التي لحقت بها أثناء عملية النقل، وهذا سيخفض عائد خلايا السائل. وهكذا، يلزم الكثير من الممارسات مع التعامل مع الشبكات تيم مرارا وتكرارا افتعال الع.

من المهم التأكد من أن إحباط Cu ملاط-يلقي قد جفت تماما قبل انعقاد الجمعية خلية. هذا مهم لأن وجود المياه يمكن أن تتحلل في الأداء العام للخلية. بالإضافة إلى ذلك، الملاط ينبغي أن يلقي على إحباط Cu موحد، حيث أن كمية تحميل المواد النشطة مماثلة. وعلاوة على ذلك، من المهم أن يجد المكان الصحيح لمراقبة تيم، حيث السائل تماما مختومة بصحائف الجرافين ويكفي السائل موجود حيث أن ليثييشن يمكن أن تجري بشكل مستمر. على الرغم من أن الباحثين اتبعت الخطوات كما أنها أثبتت في البروتوكول، أنها ستراقب غالباً ما ردود الفعل غير مكتملة، واستنفاد اﻻلكتروﻻيت السائل حول المواد النشطة. للبحث عن المكان المناسب للمراقبة TEM، ينبغي أن تضيء شعاع الإلكترون لبضع ثوان الباحثون ومراقبة ما إذا كان يوجد سائل ما يكفي لرد فعل المزيد تحدث.

الحد من هذه التقنية الأخضر مع مراعاة ليثياتيون أن الديناميات ممكنة فقط عند ليثياتيون، لا ديليثياتيون. لأن ليثياتيون داخل الع هو بدأها شعاع إلكترون والحد من اﻻلكتروﻻيت المحيطة بها، لا يمكن أن تتحقق بالبيئة المؤكسدة المعاكس. وهذا هو حد بالمقارنة مع الأخرى في الموقع تيم التقنيات التي يمكن أن تنطبق التحيز للنظام، مثل مجهر مسح نفقي (STM)-تيم صاحب أو أصحاب كهربية. أيضا، يتم إرفاق الشبكتين ولا تتم إزالة الشبكة العلوية في هذه التجربة، المذيبات المائية يكون أقل قدرة على عصا الشبكتين معا والالكترولايت العضوية فمن المفضل.

الع توفير أوجه التقدم الرئيسية في ثلاث طرق مختلفة. 1) فهي توفر تصوير عالي الدقة في اﻻلكتروﻻيت سائلة التي لا يكاد يمكن تحقيقه في سائر المنابر تيم في الموقع . 2) أنها لا تحتاج إلى شراء حامل تيم إضافية في الموقع . 3) أيضا، يمكن تصور أنواع مختلفة من المواد النانوية (مثل نانوشيت ونانوحبيبات nanofiber) داخل اﻻلكتروﻻيت السائل.

ال يمكن استخدامها كذلك لمراقبة ليس فقط ديناميات مواد القطب عند ليثييشن، ولكن أيضا، سودييشن (بطاريات أيون Na)، ماجنيسييشن (بطاريات أيون Mg)، بوتاسييشن (بطاريات أيون K)، والزنك والإدراج (بطاريات أيون الزنك). وعلاوة على ذلك، تتجاوز تحلل مختلف أنواع الشوارد، يمكن تصور التغييرات الشكلية لمواد القطب داخل9،الأخضر10. ونحن نتوقع أن مثل هذه المعلومات سوف توفر أفكاراً قيمة للمهندسين الذين يعملون على تصميم بطاريات أيون الثانوية المتقدمة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل قبل الوطنية بحوث مؤسسة من كوريا (جبهة الخلاص الوطني)، ومنحة رقم 2014R1A4A1003712 (BRL البرنامج)، منح كوريا احتجاز ثاني أكسيد الكربون والتطوير مركز د (ككرك) تموله حكومة كوريا (وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وتخطيط المستقبل) (رقم NRF-2014M1A8A1049303)، منحة اندران من KAIST تموله حكومة كوريا في عام 2016 (وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وتخطيط المستقبل) (N11160058)، يمكن ارتداؤها منهاج مواد التكنولوجيا مركز (مؤتمر العالم الإسلامي) (NR--2016R1A5A1009926)، و "البحوث الوطنية" مؤسسة كوريا (جبهة الخلاص الوطني) منحة ممولة من "الحكومة الكورية" (جبهة الخلاص الوطني-2017H1A2A1042006-العالمية زمالة برنامج الدكتوراه)، منحة وطنية بحوث مؤسسة من كوريا (جبهة الخلاص الوطني) تموله حكومة كوريا (مسيب؛ وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات، والتخطيط للمستقبل) (جبهة الخلاص الوطني-2018R1C1B6002624)، Nano· برنامج تطوير التكنولوجيا المادية من خلال الوطنية بحوث مؤسسة من كوريا (جبهة الخلاص الوطني) الممولة من وزارة العلوم، وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وتخطيط المستقبل (2009-0082580) ومنحة جبهة الخلاص الوطني تموله حكومة كوريا (مسيب؛ وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات، والتخطيط للمستقبل) (جبهة الخلاص الوطني-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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sun, Y. -K., et al. Nanostructured high-energy cathode materials for advanced lithium batteries. Nature Materials. 11 (11), 942-947 (2012).
  2. Manthiram, A., Fu, Y., Chung, S. -H., Zu, C., Su, Y. -S. Rechargeable Lithium-Sulfur Batteries. Chemical Reviews. 114 (23), 11751-11787 (2014).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336 (6084), 61-64 (2012).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Mel, A. -A., Nakamura, R., Bittencout, C. The Kirkendall effect and nanoscience: hollow nanospheres and nanotubes. Beilstein Journal of Nanotechnology. 6, 1348-1361 (2015).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).

Tags

الهندسة وشعاع المسألة 144، خلية سائل الجرافين، بطارية ليثيوم أيون، في الموقع مجهر إلكتروني (TEM)، القطب، المنحل بالكهرباء، والالكترون
إعداد خلايا السائل الجرافين لمراقبة المواد بطارية ليثيوم أيون
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chang, J. H., Cheong, J. Y., Seo, H. … More

Chang, J. H., Cheong, J. Y., Seo, H. K., Kim, I. D., Yuk, J. M. Preparation of Graphene Liquid Cells for the Observation of Lithium-ion Battery Material. J. Vis. Exp. (144), e58676, doi:10.3791/58676 (2019).

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