Summary
Vi præsenterer her, en protokol til fremstilling og udarbejdelse af en graphene flydende celle for i situ transmissions Elektron Mikroskopi observation, sammen med en syntese af elektrode materialer og elektrokemiske batteri celle tests.
Abstract
I dette arbejde indføre vi udarbejdelse af graphene flydende celler (GLCs), indkapsling både elektrode materialer og økologisk flydende elektrolytter mellem to graphene ark og letkøbt syntesen af endimensional nanostrukturer ved hjælp af electrospinning. GLC muliggør i situ transmissions elektronmikroskopi (TEM) for lithiation dynamikken af elektrode materialer. i situ GLC-TEM bruger en elektronstråle til både billedbehandling og lithiation kan udnytte ikke kun realistisk batteri elektrolytter, men også den med høj opløsning billeder af forskellige morfologiske, fase og interfacial overgange.
Introduction
For nylig, forbruget af energi hele tiden steget, samt betydningen af højtydende energi opbevaring hjælpemidler. For at imødekomme sådan en efterspørgsel, udvikling af lithium-ion-batterier, der har en høj energitæthed, er holdbarhed og sikkerhed nødvendigt1,2. For at udvikle batterier med overlegne egenskaber, er en grundlæggende forståelse af energi opbevaringsmekanismer under batteri drift væsentlige3,4,5.
In situ transmissions elektronmikroskopi (TEM) giver rig indsigt som kan vise både strukturelle og kemiske oplysninger under driften af batterier3. Blandt mange i situ TEM teknikker, har GLCs været brugt til iagttagelse af lithiation dynamics af nanomaterialer6,7,8,9,10,11 ,12. GLCs består af en flydende lomme forseglet af to graphene membraner, som giver en faktiske elektrode/elektrolyt interface ved at forhindre fordampning af væske inde i den høje vakuum i et TEM kolonne6,7. Fordelene ved GLCs er at de tillader en overlegen rumlige opløsning og høj imaging kontrast, fordi de anvender elektron gennemsigtig monatomisk-tykke graphene som flydende forsegling membran13,14,15 ,16. Konventionelle TEM kan også anvendes til at observere reaktioner batteri uden brug af dyrt i situ TEM indehavere.
I denne tekst, vi introducere, hvordan lithiation reaktion kan observeres med GLCs. specielt, elektron beam bestråling producerer solvated elektroner inde den flydende elektrolyt og de indlede lithiation ved at adskille Li ioner fra solvent molekyler.
GLCs tjener også som den mest optimale platform til at tillade direkte observation af nanomaterialer med forskellige morfologier, herunder nanopartikler6,9, nanorør7,10,11, og selv flerdimensionale materialer12. Sammen med ex situ TEM analyse af elektrode materialer efter den faktiske elektrokemiske celle test er det muligt, at Rune system præsenteres her kan bruges til at undersøge den grundlæggende reaktionsmekanisme.
Med sådanne fordele af GLCs og ex situ eksperimenter indfører vi her detaljerede eksperiment metoder for forskere, der er villige til at gennemføre lignende GLC eksperimenter. Protokollerne dækker 1) syntese af tin (IV) oxid (SnO2) nanorør som typisk endimensional nanostrukturerede elektrode materialer, 2) elektrokemiske batteri celle test, 3) udarbejdelse af Rune og 4) udførelsen af en real-time TEM observation.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sammenfatning af SnO2 nanorør af Electrospinning og efterfølgende varmebehandling17
- Forberede en electrospinning løsning.
- Opløse 0,25 g af tin chlorid dihydrat i et opløsningsmiddel blanding af 1,25 g ethanol og 1,25 g dimethylformamid (DMF) ved stuetemperatur (RT, 25 ° C).
- Efter omrøring i 2 h, tilføje 0,35 g af polyvinylpyrrolidon (PVP) til electrospinning løsning og rør blandingen til en anden 6 h.
- Udføre en electrospinning af Sn forløber/PVP sammensatte nanofibers.
- Når electrospinning løsningen er velforberedte, vaske den rektangulære, fleksibel rustfrit stål (30 x 20,5 cm) med deioniseret vand (DI) vand og ethanol 2 x - 5 x og lufttørre det ved 60 ° C i 10 min.
- Electrospinning opløsning overføres til en 10 mL sprøjte ved at blokere en side af sprøjten og lade electrospinning løsningen flow ind i sprøjten.
- Tilslut en 25 G kanyle på sprøjten.
Bemærk: Andre typer af nåle, f.eks 23 G og 17 G nåle, kan også bruges. I denne protokol bruges 25 G nål som den standard nål. - Lave den tørrede fleksibel rustfrit stål til trommeslager med tape.
- Åbn electrospinning controller software og Indtast electrospinning parametre (strømningshastighed: 5-20 µL·min-1, samlede af løsningen: 3-15 mL) for at electrospinning enheden kan fungere korrekt.
Bemærk: Her, den optimale flow er 10 µL·min-1 og den samlede løsning er 5 mL. - Fix sprøjten med 25 G nålen ind i electrospinning enheden, og derefter lave det med tape.
- Før electrospinning, skal du trykke på sprøjte mod collector, indtil electrospinning løsningen flyder godt gennem 25 G kanyle. Forbind derefter spidsen af nålen med dobbelt-ended crocodile udklip, som er også forbundet til Samleren.
- Rulle valse (100 rpm) og indlede electrospinning program software.
- Modulere den anvendte spænding ved hjælp af en spænding bias (figur 1en) mellem 10-25 kV at tillade electrojetting af Taylor kegler at operere electrospinning proces.
Bemærk: Her, den optimale anvendt spænding er 16 kV.
- Udføre kalcinering af Sn forløber/PVP sammensatte nanofibers.
- Når electrospinning er færdig, skrabe som spundet nanofibers på fleksibel rustfrit stål med en barberkniv og overføre dem til en alumina boks.
- Indsæt boksen alumina i boksen ovnen og sæt varmebehandling betingelserne for boks ovnen: 600 ° C og 700 ° C i 1 time, med en ramping sats på 10 ° C·min-1.
- Efter kalcinering, køle ned ovn til 50 ° C, og derefter overføre de kalcinerede prøver (dvs., SnO2 nanorør) til hætteglas glas (figur 1b).
2. elektrokemiske batteri celle Test
- Forberede elektrode.
Bemærk: Elektrode gylle er sammensat af 10 wt % bindemiddel, 10 wt % carbon black og 80 wt % af aktive materialer (i dette tilfælde, SnO2 nanorør). Mængden af gylle og sammensætningen af hver ingrediens i gyllen kan justeres.- Skær til kobber (Cu) folie i 10 cm bredde x 30 cm længde, og brug af ætanol, ordne det på en rektangulær glas substrat (25 x 15 x 0,5 cm).
- Bland 0,02 g af kønrøg, 0.027 g af polyacrylic syre (35 wt %) og 0.166 g natriumcarboxymethylcellulose cellulose (6 wt %) i en digel. Tilføj tre til seks dråber deioniseret vand (DI) vand ind i crucible at give mulighed for en homogen blanding.
- Tilføje 0.16 g SnO2 nanorør ind i Digelen. Derefter tilføje tre til otte dråber DI vand ind i crucible at give mulighed for en homogen blanding.
- Jorden alle ingredienserne i digel for 30 min til at sikre, at gylle er tilstrækkelig tyktflydende at blive kastet godt på Cu folien.
- Når elektrode gylle er forberedt godt, sted gylle på oversiden af Cu folie på glas substrat, og kastede det jævnt ved hjælp af en støbning roller.
Bemærk: Normalt, tykkelsen af gylle er 60 µm men kan være mere eller mindre. - Lufttørre gylle-cast Cu folie på 60 ° C i 10 min og forsegle det inde i plasticpose før batteri celle samling.
Bemærk: Gylle-cast Cu folien kan ses i figur 1c.
- Samle battericeller.
- Varme konvektionsovn til 150 ° C. Derefter sted gylle-cast Cu folie i ovnen.
- Fyld konvektionsovn med vakuum af roterende pumper til at tørre den resterende opløsningsmiddel i gylle samtidig undgå oxidation af Cu folien.
- Efter opvarmning gylle-cast Cu folie på 150 ° C i 2 timer, refill konvektionsovn med luft ved at lukke det vakuum linje og åbne linjen vent i den roterende pumpe til at åbne kammeret.
- Tage gylle-cast Cu folie ud af salen og punch det med en cirkel puncher (punch diameter: 14 mm). Vejer den udstansede gylle-cast Cu folie og læg det i bunden batteri celle.
- Bruge halvdelen en celle til samling af battericeller. Efter at placere gylle-cast Cu folie i bunden af batteri celle, overføre prøverne til antichamber i handskerummet.
- Vakuum antichamber for 30 min og derefter overføre prøverne til indersiden handskerummet.
- Samle battericeller i følgende rækkefølge: nederste batteri celle, gylle-cast Cu folie, separator, pakning, forår, spacer og top batteri celle. Drop elektrolytten efter separatoren er sat ind i batteriet celle.
- Komprimere batteri celle til en komplet batteri celle af en komprimator. Derefter, flytte battericeller for elektrokemisk test i antichamber i handskerummet og tage battericeller ud af handskerummet.
- Måle åbent kredsløb spænding (OCV) af en digital multimeter og alder batteri celle på RT for 1-2 d.
- Test den elektrokemiske batteri celle.
- Beregn vægten af de aktive materialer ved at trække vægten af Cu folie fra af gylle-cast Cu folie og dividere det med del af det aktive materiale.
- Beregn den aktuelle, hvormed batteri celle skal køre ved at multiplicere strømtæthed (mA·g-1) med vægten af det aktive materiale.
- Indsæt de elektrokemiske battericeller i batteriet celle tester. Anvende nuværende (svarende til 0,05 A·g-1 for dannelsen cyklus og forskellige strømtætheder i rækken af 0,1 A·g-1 til 10,0 A·g-1 for cyklus tests og hastighed kapaciteter) for hvert batteri celle ved hjælp af batteri celle tester program.
- Anvende forskellige strømninger for hvert batteri celle, hvis det er testet på forskellige strømtætheder.
3. forberedelse af cellen Graphene væske
- Syntetisere graphene af kemisk dampudfældning (CVD).
- Skære Cu folie (renhed: 99,9%, tykkelse: 0.0125 mm) med en saks i stykker med en dimension af 10 x 3 cm.
- Skyl Cu folie fra trin 3.1.1 med isopropylalkohol (IPA) til at fjerne støv eller forurenende stoffer og behandle det med 100 mL 20 wt % phosphorsyre (H3PO4) i 20 min. til at fjerne indfødte oxid på overfladen af Cu folien i et glas petriskål. Derefter sted Cu folie i DI vand for en anden 10 min til fuldt skyl den resterende H3PO4.
- Flyt Cu folie til kvarts rør (ydre diameter: 40 mm, indvendig diameter: 36 mm) af CVD udstyr.
- Køre den roterende pumpe og vente, indtil niveauet vakuum er under 2 x 10-3 Torr. Derefter, hæve temperaturen til 150 ° C og helt fjerne den ilt og fugt inde i kvarts rør af CVD.
- Hæve temperaturen fra RT til 1.000 ° C i 40 min med 10 sccm H2 gas flow. Opretholde temperaturen i salen til en anden 40 min at anneal Cu folien.
- Slå på 60 sccm CH4 gas i 25 min. Cool ned CVD kammer til RT. Turn CH4 og H2 gasser fra ved 300 ° C.
- Tage Cu folien (figur 2en) fra CVD kammer og holde det i en ekssikkator.
- Overføre graphene.
- Hvis du vil fjerne graphene på bagsiden af Cu folien, gennemføre plasma ætsning ved hjælp af en plasma renere med følgende indstillinger: en strøm af Ar (af 100 sccm), tid (60 s), magt (af 30 W), og en base pres (på 5,0 x 10-2 Torr).
- Cut Cu folie med den graphene, der blev syntetiseret i trin 3.1 til 3 x 3 mm med en saks. Placer Cu foliestykker mellem to dias briller og tryk på for at gøre dem flade.
Bemærk: Fire Cu foliestykker placeres sammen mellem to dias briller. - Placer holey carbon Au gitre (300 mesh, R2/2) på hvert stykke af Cu folie (figur 2b). Drop 20 µL af IPA på Au gitter/Cu folie.
- Suge IPA med en mikropipette tip, der er tilsluttet en roterende pumpe. Efter sugning, tørre Au gitter/Cu folien ved 50 ° C i 5 min.
- Adfærd ætsning af Cu folie i 10 mL af 0,1 M ammonium persulfat for 6 h i en 6 cm glas petriskål (figur 2c).
Bemærk: Glas petriskåle skal rengøres med IPA og DI vand før brug for at undgå kontaminering af Si partikler. - SCOOP Au gitre med en Pt loop og flytte det til et glas petriskål fyldt med Deioniseret vand ved 50 ° C, helt fjerne enhver resterende forurenende stoffer fra TIPkan16.
- SCOOP Au gitre fra DI vand og tør dem for 6 h i RT og med atmosfærisk tryk.
- Fremstil GLCs.
- Forberede elektrolyt og nanorør blandingen. Sprede 0,06 g af nanorør pulver i 10 mL af elektrolyt, som er sammensat af 1,3 M lithium hexafluorophosphate (LiPF6) ethylen karbonat (EF) og diethylenglycol karbonat (DEC) (3:7 volumen ratio) med 10 wt % af fluoroethylene karbonat (FEC).
Bemærk: Sammensætningen af elektrolytten er den samme som den, der anvendes i elektrokemiske batteri celle test. Forskellige elektrolytter kan være ansat i GLCs, såsom 1 M LiPF6 opløst i EF, DEC, og dimethyl karbonater (DMC) i en målekolbe forholdet 1:1:1, 1 M af natrium hexafluorophosphate (NaPF6) opløst i EF, 1 M af natrium perchlorat (NaClO 4) opløst i polyethylen karbonat (PC) med 5 wt % af FEC, 0,1 M af magnesium bis(trifluoromethanesulfonimide) (MgTFSI) i diglym, og 1 M NaClO4 i pc'en. - Flytte graphene-overført Au gitre og elektrolyt blandingen i en handskerummet, der er fyldt med Ar.
- Placer en graphene-overført Au gitter i bunden. Drop 20 µL af elektrolyt blandingen på det nederste gitter.
- Holde en anden graphene-overført gitter med en pincet og placere den på toppen af det nederste gitter.
Bemærk: Denne procedure skal gøres hurtigt før elektrolytten har tørret (figur 2d). - Tør prøve inde i handskerummet i 30 min, hvor væsken er spontant indkapslet mellem de to graphene plader som det tørrer.
Bemærk: Mængden fanget væske afhænger af hvor godt graphene er blevet overført, og hvor godt det øverste gitter er placeret.
- Forberede elektrolyt og nanorør blandingen. Sprede 0,06 g af nanorør pulver i 10 mL af elektrolyt, som er sammensat af 1,3 M lithium hexafluorophosphate (LiPF6) ethylen karbonat (EF) og diethylenglycol karbonat (DEC) (3:7 volumen ratio) med 10 wt % af fluoroethylene karbonat (FEC).
4. udførelse af Real-time TEM
- Læg GLCs på en konventionelle single-tilt TEM indehaveren.
- Rune prøven (to vedhæftede graphene-overført Au gitre) anbringes på single-tilt TEM indehaveren.
- Hvis de to gitre ikke er stablet perfekt, vil GLC prøven ikke passe i TEM indehaveren. I så fald skære kanten af Au gitre med et barberblad.
- Efter eksemplet GLC er monteret på indehaveren af TEM, sætte TEM indehaveren inde TEM og nøje kontrollere niveauet vakuum.
- Optage real-time TEM videoer.
- Find den region, hvor SnO2 nanorør er indkapslet med flydende elektrolyt.
Bemærk: For at finde ud af, om flydende findes omkring SnO2 nanorør, bestråle en elektronstråle i et par sekunder. Hvis nogle bevægelse af væske eller nedbrydning af en elektrolyt er observeret, er det meget sandsynligt, at området er indkapslet med væske. - Gøre justering for TEM og sæt elektron beam dosering at indlede reaktionen ved at justere lysstyrke knop.
Bemærk: Den passende justering for TEM indeholder brugeren justering, som Z-højde justering, pistol tilt/shift, beam tilt/shift, blænde justering og stigmation justering. Disse procedurer er bedre gjort i et andet område (lige ved siden af regionen fundet i trin 4.2.1) for ikke at give nogen skade til at SnO2 nanorør og flydende elektrolyt. Elektron beam dosering for at indlede lithiation er normalt ~ 103e-/Å2· Sørensen, men det kan variere med hver TEM instrument. - Køre mikroskopi program og afgift - sammen enhed (CCD) kamera ifølge producentens anvisninger.
- Tryk på record-knappen på vinduet high definition (HD) video og optage reaktion forekommer i eksemplet GLC.
- Find den region, hvor SnO2 nanorør er indkapslet med flydende elektrolyt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
SnO2 nanorør blev fremstillet af electrospinning og efterfølgende kalcinering, hvorunder nanotubular og porøse strukturer kunne ses tydeligt, ifølge SEM billedet (fig. 3en). Sådan en nanotubular struktur stammer fra nedbrydning af PVP, mens Sn forløber i kernen er flyttet udad på grund af Kirkendall effekt17,18. Derudover opstår Ostwald modning ud over Kirkendall virkningen, hvilket resulterer i vækst af SnO2 nanogains19. TEM billede (fig. 3b) viser, at sådanne porøse steder er mere visuelt klart angivet med en række hvide pletter i SnO2 nanorør. SnO2 crystal strukturer er polykrystallinske cassiterit strukturer (figur 3c), i overensstemmelse med tidligere publicerede litteratur17.
Med hensyn til elektrokemisk egenskaber af SnO2 nanorør, blev forskellige aspekter af SnO2 nanorør undersøgt i detaljer. Til at starte med er den oplade og aflade profil af SnO2 nanorør i dannelsen cyklus vist (figur 4en), som udstiller stabil spænding profiler med en indledende coulombic effektivitet af 67,8%. Spænding plateau, som findes på 0,9 V, kan tilskrives den tofasede reaktion (konvertering reaktion SnO2 Sn), svarer til beskrivelserne i tidligere værker9,20. Irreversibel dannelsen af Li2O under konvertering reaktionen SnO2, sammen med de ustabile dannelsen af laget fast elektrolyt interphase (SEI) resulterede i en dårligt reversibel reaktion med Li i dannelsen cyklus. SnO2 nanorør udstille stabil cykling på 500 mA g-1, med coulombic effektivitet over 98% (fig. 4b). SnO2 nanorør (fig. 4c) sats kapaciteter også præsenteres, hvor SnO2 nanorør stadig betydelig kapacitet (> 700 mAh g-1) selv ved en høj strømtæthed 1.000 mA g-1 . Ikke desto mindre skal oprindelige irreversibel kapacitet tab undersøges mere indgående i situ TEM metoder.
Generelle er beskrivelser af graphene vist i figur 5. Figur 5 en viser Raman spektret af graphene syntetiseret i Cu folie. Forholdet mellem jegg og jeg2D var 2,81, hvilke kampe godt med forholdet mellem éncellelag graphene på polykrystallinske Cu substrat, der angiver, at éncellelag graphene blev syntetiseret. SEM billede af overførte graphene på en Au TEM gitter er vist i figur 5b, demonstrerer, at dækningen af graphene var god efter overførsel til gitteret Au TEM. TEM billede og den tilsvarende valgte område elektron diffraktion (SAED) mønster af den overførte graphene er vist i figur 5c, d. De sekskantede diffraktion punkter angiver éncellelag graphene godt.
Tidsserier TEM billeder af GLCs er vist i figur 6, som er taget fra Filmen S1. Når GLCs er opdigtet godt, har de flere flydende lommer hvis størrelser spænder fra snese nanometer til hundredvis af nanometer, afhængig af løsning og nanopartikler7,14. I dette eksperiment, ved hjælp af EF/DEC/FEC løsning og SnO2 nanorør, var størrelsen af den flydende lomme 300-400 nm. Den accelererende spænding var 300 kV og elektronen stråle dosering 743.9 e-/Å2· s, hvilket er nok for lithiation at gå videre, men ikke for svær beam skader. Gennem konstant elektron beam bestråling udløse opløste elektroner og radikale en sekundær reaktion med salt og opløsningsmiddel. Her, nedbrydning af elektrolyt og dannelsen af en SEI lag blev observeret i den indledende fase, efter aftale med nogle af de tidligere rapporteret på reuslts6,7,8,9 ,21.
Figur 1 : Digital kamerabilleder af electrospinning opsætning og forberedt SnO2 nanorør og elektrode. (en) Electrospinning, (b) SnO2 nanorør, og (c) gylle-cast elektrode. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 : Digital kamerabilleder viser graphene-overført gitter og fabrikation af graphene flydende celler. (en) den syntetiserede éncellelag graphene på Cu folie, (b) en Au TEM gitter på Cu folie, (c) ætsning processen med Cu folier i 0,1 M ammonium persulfat, og (d) stablet Au gitre inde i en handskerummet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Karakterisering af SnO2 nanorør før deres indkapsling inde graphene ark. Disse paneler viser (en) et SEM billede, (b) en TEM billede og (c) SAED mønster af SnO2 nanorør. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 : Elektrokemiske batteri celle afprøvning af SnO2 nanorør. Disse paneler viser (en) afgiften og decharge profil, (b) cyklus opbevaring karakteristika og (c) satsen kapacitet af SnO2 nanorør. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5 : Karakterisering af elektronisk graphene. Disse paneler viser (en) Raman spektrum, (b) SEM billede, (c) TEM billede, og (d) éncellelag graphene SAED mønster. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 : Real-time TEM billeder af lithiation processen af GLCs. Opløste elektrolyt og dannelsen af en SEI lag på overfladen af en SnO2 nanorør er observeret for 0 - 45 s. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Film S1. Lithiation af GLCs. Overfladen af en SnO2 nanorør er visualiseret inde flydende elektrolyt. Venligst klik her for at se denne video. (Højreklik for at hente.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Der er kritiske trin i protokollen. Første brug overførsel af graphene på gitteret TEM forskernes omhyggelig opmærksomhed. Det er vigtigt at håndtere gitrene med pincet og ikke skade nogen af gitre, for eksempel ved at ødelægge amorf carbon membran eller bøjning rammen. Disse typer af skader vil resultere i en dårlig dækning af graphene og påvirke antallet af flydende lommer. Derudover er placere det øverste gitter på den rigtige position kritisk. Som beskrevet i protokollen, skal den øverste gitter placeres hurtigt før væsken er tørret. Under denne proces, kan forskere skader det øverste gitter eller placere den i den forkerte position (dvs.ikke i midten af det nederste gitter). Svarende til eventuelle skader opstået under overførselsprocessen, dette vil sænke udbyttet af flydende celler. Således meget praksis med håndtering TEM gitre er nødvendig for at gentagne gange fabrikere GLCs.
Det er vigtigt at sørge for, at gylle-cast Cu folie fuldt er tørret før celle samling. Dette er vigtigt, fordi tilstedeværelsen af vand kan forringe den generelle celle ydeevne. Derudover skal gylle være støbt på Cu folien ensartet, således at laste mængden af aktive materiale er tilsvarende. Derudover er det vigtigt at finde rigtige sted for TEM observation, hvor væsken er helt forseglet af graphene ark og nok væske findes således at lithiation kan løbende finde sted. Selv om forskerne fulgt foranstaltninger, som de er vist i protokollen, vil de ofte observere ufuldstændige reaktioner og nedbrydning af flydende elektrolyt omkring aktive materialer. For at finde det rigtige sted for TEM observation, skal forskerne belyse elektronstrålen i et par sekunder og observere om nok væske findes for yderligere reaktion at forekomme.
Begrænsning af GLC teknik med observere lithiation er, at dynamikken er muligt kun efter lithiation, ikke delithiation. Fordi lithiation inde i GLCs er indledt af en elektronstråle og reduktion af omkringliggende elektrolyt, ikke kan den modsatte oxiderende miljø realiseres. Dette er en begrænsning i forhold til andre i situ TEM teknikker, der kan anvende bias på systemet, såsom en scanning tunneling mikroskop (STM)-TEM indehaveren eller elektrokemi indehavere. Også, som to gitre er knyttet og øvre gitteret ikke er fjernet i dette eksperiment, vandig opløsningsmidler har mindre evne til at holde to gitre sammen og økologisk elektrolyt er derfor at foretrække.
GLCs give store fremskridt på tre forskellige måder. 1) de giver høj opløsning billeddannelse i et flydende elektrolyt, der er næppe opnåelig i andre i situ TEM platforme. 2) de kræver ikke køb af en ekstra i situ TEM indehaveren. 3) også, forskellige former for nanomaterialer (f.eks. nanosheet, nanopartikel og nanofiber) kan visualiseres inde den flydende elektrolyt.
GLCs kan anvendes yderligere at observere ikke blot dynamikken af elektrode materiale efter lithiation, men også sodiation (Na-ion batterier), magnesiation (Mg-ion batterier), potassiation (K-ion batterier), og zink indsættelse (Zn-ion batterier). Endvidere ud over nedbrydning af forskellige former for elektrolytter, kan morfologiske ændringer af elektrode materialer visualiseres inde GLC9,10. Vi forventer, at sådanne oplysninger vil give værdifuld indsigt for ingeniører, der arbejder på at designe avancerede sekundære ion batterier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af den nationale forskning fundament af Korea (NRF), give no. 2014R1A4A1003712 (BRL Program), Korea CCS R & D Center (KCRC) give finansieres af Korea regering (Ministeriet for videnskab, IKT & fremtid planlægning) (nr. NRF-2014M1A8A1049303), en End-Run tilskud fra KAIST finansieret af Korea regering i 2016 (Ministeriet for videnskab, IKT & fremtid planlægning) (N11160058), den bærbare Platform materialer teknologi Center (WMC) (NN-2016R1A5A1009926), en National forskning Grundlaget for Korea (NRF) tilskud finansieret af den koreanske regering (NRF-2017H1A2A1042006-Global Ph.D. stipendium Program), National Research Foundation af Korea (NRF) tilskud finansieret af Korea regeringen (MSIP; Ministeriet for videnskab, IKT & fremtidige planlægning) (NRF-2018R1C1B6002624), Nano· Materielle teknologi Development Program gennem National Research Foundation af Korea (NRF) finansieret af Ministeriet for videnskab, og en IKT og fremtidige planlægning (2009-0082580) og NRF tilskud finansieret af Korea regeringen (MSIP; Ministeriet for videnskab, IKT & fremtidige planlægning) (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. Rechargeable Lithium-Sulfur Batteries. Chemical Reviews. 114 (23), 11751-11787 (2014).
- 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).
