Waiting
Login processing...

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

Engineering

הכנה של גראפן נוזלי תאים התצפית של חומר סוללת ליתיום-יון

Published: February 5, 2019 doi: 10.3791/58676
* These authors contributed equally

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור ייצור ו הכנת גרפן תא נוזלי להשגחה בחיי עיר הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים, יחד עם סינתזה של חומרים אלקטרודה ובדיקות תא אלקטרוכימי הסוללה.

Abstract

בעבודה זו, נסקור את הכנת גרפן נוזלי תאים (GLCs), לבצע אלקטרודה חומרים והן אורגני נוזלי אלקטרוליטים בין שתי יריעות גרפן, נתיישב סינתזה של מימדי nanostructures באמצעות electrospinning. GLC מאפשר בחיי עיר במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) הדינמיקה lithiation של חומרים אלקטרודה. ה בחיי עיר GLC-TEM שימוש בקרן אלקטרון עבור הדמיה והן lithiation יכול לנצל לא רק הסוללה מציאותי אלקטרוליטים, אלא גם את דימות ברזולוציה של שונים מורפולוגי, תלת פאזי, interfacial המעברים.

Introduction

לאחרונה, צריכת אנרגיה כל הזמן גדל, כמו גם החשיבות של התקני אחסון אנרגיה ביצועים גבוהים. כדי לעמוד בדרישה כזאת, הפיתוח של סוללות ליתיום בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה, עמידות, בטיחות הוא הכרחי1,2. כדי לפתח סוללות עם תכונות מעולה, הבנה בסיסי של מנגנוני אחסון אנרגיה במהלך פעולת הסוללה הוא חיוני3,4,5.

בחיי עיר במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) מספק תובנות עשיר כמו זה יכול להציג מידע מבניים וכימיים במהלך הפעולה של סוללות3. בין בחיי עיר TEM טכניקות רבות, GLCs שימשו את ההתבוננות הדינמיקה lithiation של ננו6,7,8,9,10,11 ,12. GLCs מורכב נוזלי כיס חתומים ע י שתי ממברנות גרפן, המספקות ממשק אלקטרודה/אלקטרוליט בפועל על-ידי מניעת האידוי של הנוזל בתוך הריק גבוהה ב- TEM עמודה6,7. היתרונות של GLCs הם כי הם יאפשרו רזולוציה מרחבית מעולה בעלת חדות גבוהה הדמיה כי הם מעסיקים אלקטרונים שקופים גראפן חד-עבה כמו נוזל איטום ממברנה13,14,15 ,16. בנוסף, TEM קונבנציונלי יכול להיות החל לבחון את התגובות הסוללה, ללא שימוש יקר בחיי עיר TEM מחזיקי.

בטקסט זה, אנו מציגים כיצד התגובה lithiation יכול להיות שנצפו עם GLCs. במיוחד, הקרנה קרן אלקטרונים מייצרת solvated אלקטרונים בתוך נוזל אלקטרוליט, וליזום הם lithiation על-ידי הפרדת Li יונים ממולקולות הממס.

GLCs גם לשמש הפלטפורמה המיטבית ביותר כדי לאפשר בהתבוננות ישירה ננו עם מורפולוגיות שונות, כולל חלקיקים6,9, צינוריות7,10,11, ואפילו חומרים רב-ממדי12. יחד עם באתרו לשעבר TEM ניתוח של חומרים אלקטרודה לאחר הבדיקה בפועל תא אלקטרוכימי, זה אפשרי כי המערכת GLC המובאת כאן יכול לשמש כדי לחקור את מנגנון התגובה הבסיסית.

עם כזה יתרונות GLCs וניסויים באתרו לשעבר , נסקור כאן שיטות ניסוי מפורט עבור חוקרים שמוכנים לבצע ניסויים GLC דומים. הפרוטוקולים לכסות 1) הסינתזה של צינוריות אוקסיד (שוקולדים2) (IV) בדיל כמו החומרים אלקטרודה טיפוסי nanostructured חד-ממדי, 2) הבדיקה תא אלקטרוכימי סוללה 3) הכנת GLC, 4) את הביצועים של TEM בזמן אמת התבוננות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. סינתזה של שוקולדים צינורות2 מאת Electrospinning וטיפול חום עוקבות17

  1. להכין פתרון electrospinning.
    1. להמיס 0.25 g של בדיל כלורי וגופרית והרכבו בתערובת ממס של 1.25 גרם אתנול ו- 1.25 גרם dimethylformamide (DMF) בטמפרטורת החדר (RT, 25 ° C).
    2. לאחר ערבוב כבר שעתיים, להוסיף 0.35 גרם פוליוינילפירולידון (PVP) הפתרון electrospinning ומערבבים את התערובת על עוד 6 שעות.
  2. ביצוע של electrospinning של nanofibers ללא הפרדות צבע קודמן/PVP Sn.
    1. כאשר הפתרון electrospinning מוכן כהלכה, לשטוף את מלבני, פלדת אל-חלד גמיש (30 x 20.5 ס מ) עם יונים (DI) מים ואתנול 2 x - 5 x מילה נהדרת זה ב 60 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
    2. להעביר את הפתרון electrospinning מזרק 10 מ"ל על ידי חסימת צד אחד של המזרק ולתת את הפתרון electrospinning זרימה לתוך המזרק.
    3. להתחבר מחט 25 גרם המזרק.
      הערה: סוגים אחרים של מחטים, כגון מחטים 23 גרם ו- 17 G, יכול גם לשמש. ב פרוטוקול זה, המחט 25 גרם משמש את המחט סטנדרטי.
    4. לתקן את נירוסטה גמיש מיובשים לתוך המתופף עם הקלטת.
    5. פתח את התוכנה בקר electrospinning והכנס את הפרמטרים electrospinning (קצב הזרימה: 5-20 µL·min-1, הסכום הכולל של הפתרון: 3-15 מ ל) לתפקוד תקין של המכשיר electrospinning.
      הערה: כאן, קצב הזרימה אופטימלית היא 10 µL·min-1 והוא הסכום הכולל של פתרון מ.
    6. לתקן את המזרק עם המחט 25 גרם לתוך המכשיר electrospinning ו, אז, לתקן את זה עם סרט.
    7. לפני electrospinning, הקש את המזרק לכיוון האספן עד הפתרון electrospinning זורם דרך המחט 25 גרם. לאחר מכן, חבר את קצה המחט לסרטונים תנין יציקה, אשר מחוברים גם האספן.
    8. לגלגל את רולר (100 סל"ד) וליזום electrospinning בתוכנה.
    9. לווסת את מתח המופעל על-ידי שימוש דעה קדומה מתח (איור 1) בין 10-25 kV כדי לאפשר את electrojetting של קונוסים טיילור כדי להפעיל את תהליך electrospinning.
      הערה: כאן, מתח יישומית האופטימלי הוא 16 kV.
  3. לבצע את calcination של nanofibers ללא הפרדות צבע קודמן/PVP Sn.
    1. עם סיום תהליך electrospinning, לגרד את nanofibers כמו שמשמיע על הנירוסטה גמיש עם סכין גילוח ולהעביר אותם לתוך קופסת אלומיניום אוקסיד.
    2. הוספת תיבת אלומינה לכבשן האש תיבת ולהגדיר את התנאים טיפול בחום הכבשן תיבת: 600 ° C או 700 º C עבור h 1, עם קצב ramping של 10 ° C·min-1.
    3. לאחר calcination, לקרר את התנור עד 50 מעלות צלזיוס, לאחר מכן, להעביר את הדגימות calcined (קרי, שוקולדים2 צינורות) בקבוקון זכוכית (איור 1b).

2. מבחן תא אלקטרוכימי הסוללה

  1. להכין את האלקטרודה.
    הערה: slurry אלקטרודה מורכב 10 wt % בינדר, 10 wt % פחמן שחור ו- 80% wt של החומר הפעיל (במקרה זה, שוקולדים2 צינורות). ניתן להתאים את כמות slurry ואת ההרכב של כל מרכיב slurry.
    1. לחתוך את נייר הכסף נחושת (Cu) לתוך 10 ס מ רוחב x 30 ס מ אורך ו, באמצעות אתנול, לתקן את זה על מצע זכוכית מלבני (25 x 15 x 0.5 ס מ).
    2. מערבבים 0.02 נקודות גר' פחמן שחור, g 0.027 של חומצה polyacrylic (35 wt %) ו- g 0.166 תאית carboxymethyl (6 wt %) ב כור היתוך. להוסיף 3-6 טיפות מים (DI) יונים לתוך הכור כדי לאפשר ערבוב הומוגנית.
    3. להוסיף 0.16 גר' כדורי שלג2 צינורות לתוך הכור. לאחר מכן, להוסיף 3 עד 8 טיפות מים DI לתוך הכור כדי לאפשר ערבוב הומוגנית.
    4. פרוק את כל המרכיבים בציד המכשפות למשך 30 דקות להבטיח slurry צמיגה מספיק להטיל גם על מסכל Cu.
    5. כאשר slurry אלקטרודה מוכן. טוב, המקום slurry בצד העליון של Cu רדיד על המצע זכוכית, והוציאה אחיד באמצעות גלגלת הליהוק.
      הערה: בדרך כלל, עובי slurry מיקרומטר 60 אבל יכול להיות פחות או יותר.
    6. מילה נהדרת Cu slurry-שחקנים את המזימה ב 60 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות, לאטום אותו בתוך שקית הניילון לפני ההרכבה תא הסוללה.
      הערה: רדיד האלומיניום Cu slurry יצוק ניתן לראות באיור 1c.
  2. להרכיב את תאי סוללה.
    1. מחממים תנור הסעת חום ל 150 מעלות צלזיוס. אז, המקום Cu slurry-שחקנים לסכל לתוך התנור.
    2. למלא את התנור הסעת חום ואקום באמצעות משאבות צנטריפוגליות להתייבש הממס שיורית ב slurry תוך הימנעות החמצון של מסכל Cu.
    3. לאחר חימום Cu slurry-שחקנים את המזימה ב 150 מעלות צלזיוס במשך שעתיים, למלא את הסעת חום התנור עם אוויר על ידי סגירת הקו ואקום פתיחת הקו פתח ב משאבת סיבוביים לפתוח את התא.
    4. קח Cu slurry-שחקנים לסכל מהחדר ו סע עם כבטלן מעגל (אגרוף קוטר: 14 מ מ). שוקל מסכל Cu slurry-גבס מחורר ולמקם אותו לתוך תא הסוללה בתחתית.
    5. השתמש חצי תא עבור ההרכבה של תאי סוללה. לאחר הצבת Cu slurry-שחקנים את המזימה לתוך החלק התחתון של תא הסוללה, להעביר את הדגימות antichamber של בתא הכפפות.
    6. לשאוב את antichamber למשך 30 דקות, ולאחר. מכן, להעביר הדגימות לתוך תא הכפפות.
    7. להרכיב את התאים הסוללה לפי הסדר הבא: בתחתית תא הסוללה רדיד Cu slurry-שחקנים, מפריד, אטם, האביב, מרווח, תא הסוללה העליון. ירידה האלקטרוליט לאחר ההפרדה מכניסים תא הסוללה.
    8. לדחוס את התא הסוללה לתא הסוללה מלא על-ידי. כשנחזור. לאחר מכן, להעביר את התאים הסוללה לבדיקות אלקטרוכימי לתוך antichamber בתא הכפפות ולקחת לתאי המצברים תא הכפפות.
    9. למדוד את המתח במעגל פתוח (OCV) על ידי מולטימטר, גיל התא הסוללה ב RT עבור d 1-2.
  3. בדוק בתא אלקטרוכימי הסוללה.
    1. לחשב את המשקל של החומרים הפעילים על-ידי הפחתת המשקל של Cu לסכל מזו של slurry-שחקנים מסכל Cu ו חילוק זה החלק של החומר הפעיל.
    2. לחשב את הזרם שבו תא הסוללה צריך להתנהל על-ידי הכפלת צפיפות הזרם (mA·g-1) עם המשקל של החומר הפעיל.
    3. הכנס את תאי סוללה אלקטרוכימי הבודק תא הסוללה. החל הנוכחי (תואם ל- 0.05 A·g-1 עבור מחזור היווצרות וצפיפות הזרם שונים בטווח של 0.1 A·g-1 כדי A·g 10.0-1 עבור בדיקות מחזור ו קצב יכולות) עבור כל תא הסוללה באמצעות הבודק תאים סוללה תוכנית.
    4. להחיל זרמים שונים עבור כל תא סוללה אם זה נבדק צפיפויות הזרם שונים.

3. הכנת גרפן נוזל התא

  1. לסנתז גראפן מאת בתצהיר אדים כימיים (CVD).
    1. לחתוך נייר Cu (טוהר: 99.9%, עובי: 0.0125 מ מ) עם מספריים לחתיכות עם ממד של 10 x 3 ס"מ.
    2. יש לשטוף Cu לסכל מהשלב 3.1.1 עם אלכוהול איזופרופיל (IPA) מסיר אבק או לכלוך. ולהתייחס זה עם 100 מ של 20 wt % חומצה זרחתית (H3פו4) במשך 20 דקות להסיר יליד תחמוצת על-פני מסכל Cu בכוס פטרי. אז, המקום Cu לסכל במים DI עוד 10 דקות מלאה שטיפה פו3H הנותרים4.
    3. העבר Cu לסכל הצינור קוורץ (הקוטר החיצוני: 40 מ מ, קוטר פנימי: 36 מ מ) של הציוד CVD.
    4. הפעל את משאבת סיבוביים והמתן עד רמת ואקום היא מתחת לגיל 2 x 10-3 טנדר של גוה. לאחר מכן, להעלות את רמת הטמפרטורה עד 150 ° C כדי להסיר לחלוטין את החמצן ואת הלחות בתוך הצינור קוורץ של CVD.
    5. להעלות את רמת הטמפרטורה של RT עד 1000 ° C ב- 40 דקות עם 10 sccm של זרימת גז2 H. לשמור על הטמפרטורה של החדר בשביל עוד 40 דקות anneal את רדיד האלומיניום Cu.
    6. ביטול הפעלה sccm 60 של גז4 CH במשך 25 דקות מגניב למטה לחדר CVD RT. התור ה-CH4 וגזים2 H ב 300 º C.
    7. קח את רדיד Cu (איור 2) מן החדר CVD ולשמור אותו ב desiccator.
  2. העברת הגרפן.
    1. כדי להסיר הגרפן בצד האחורי של Cu מסכל, לנהל איכול פלזמה פלזמה מנקה באמצעות שימוש בהגדרות הבאות: זרימה של Ar (של 100 sccm), זמן (של 60 s), חשמל (מתוך 30 W), ואני בלחץ הבסיס (של 5.0 x 10-2 טנדר של גוה של).
    2. גזור Cu רדיד עם הגרפן זה היה מסונתז בשלב 3.1 ל 3 x 3 מ מ עם מספריים. המקום את פיסות נייר Cu בין שתי שקופיות משקפיים לחץ כדי לגרום להם שטוח.
      הערה: ארבע חתיכות נייר Cu ממוקמים יחד בין שתי כוסות שקופיות.
    3. במקום פחמן חור Au רשתות (רשת 300, אר 2/2) על כל פיסת נייר Cu (איור 2b). ירידה µL 20 של IPA על מסכל רשת/Cu Au.
    4. IPA יניקה עם טיפ micropipette מחובר אליו משאבת סיבוביים. לאחר suctioning, יבש מסכל רשת/Cu Au ב 50 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
    5. התנהגות החריטה של Cu המזימה של 10 מ"ל של 0.1 M קירור עבור 6-אייץ ' בכוס 6 ס מ פטרי (איור 2c).
      הערה: יש לנקות צלחות פטרי זכוכית עם מים IPA ומתת לפני השימוש כדי למנוע הזיהום של החלקיקים סי.
    6. סקופ רשתות Au עם Pt לולאה ולהעביר אותה לכוס פטרי מלא במים DI ב 50 מעלות צלזיוס, על מנת להסיר לחלוטין את כל מזהמים שנותרו מן ה-etchant16.
    7. סקופ Au הרשתות מהמים DI ויבש אותם עבור 6-אייץ '-RT ועם הלחץ האטמוספרי.
  3. לפברק GLCs.
    1. להכין לתערובת אלקטרוליט, ננו-צינורית. לפזר 0.06 גרם של אבקת nanotube ב 10 מ"ל של אלקטרוליט, המורכבת hexafluorophosphate ליתיום 1.3 מ' (LiPF6) אתילן קרבונט (EC), דיאטילן קרבונט (DEC) (יחס נפח 3:7) עם 10% wt fluoroethylene קרבונט (FEC).
      הערה: ההרכב של האלקטרוליט היא זהה לזה שהיה בשימוש במבחן תא אלקטרוכימי הסוללה. אלקטרוליטים שונים יכול להיות מועסק ב GLCs, כגון M LiPF 16 מומס EC, דצמ, דימתיל carbonates (DMC) על יחס נפח של 1:1:1, 1 מ' של נתרן hexafluorophosphate (NaPF6) מומס EC, 1 מ' של נתרן פרכלורט (NaClO 4) מומס פוליאתילן קרבונט (PC) עם 5% wt FEC, 0.1 M של מגנזיום bis(trifluoromethanesulfonimide) (MgTFSI) ב- diglyme ו- 1 M NaClO4 ב- PC.
    2. להזיז את רשתות Au הועבר גרפן אלקטרוליט התערובת לתוך תיבת כפפה הממולא עם ar.
    3. במקום רשת Au הועבר גראפן אחת על החלק התחתון. ירידה µL 20 תערובת אלקטרוליט על הרשת התחתונה.
    4. להחזיק עוד רשת הועבר גרפן עם פינצטה ומניחים אותו על ראש הרשת התחתונה.
      הערה: הליך זה חייב להתבצע במהירות לפני האלקטרוליט יבש (איור 2d).
    5. יבש את הדגימה בתוך הכפפות למשך 30 דקות, במהלכן הנוזל באופן ספונטני ייעטפו בין הסדינים גראפן שני כפי שהוא מתייבש.
      הערה: כמות הנוזל כלואה תלוי עד כמה הגרפן הועבר עד כמה הרשת העליונה ממוקמת.

4. ביצוע TEM בזמן אמת

  1. טען GLCs על בעל TEM קונבנציונאלי יחיד ממונעת.
    1. מניחים את הדגימה GLC (שני המצורפת הועברה גראפן Au רשתות) על המחזיק TEM יחיד ממונעת.
    2. אם שתי הרשתות הן לא נערמים באופן מושלם, המדגם GLC לא יתאימו ב בעל TEM. במקרה כזה, לחתוך את הקצה של הרשתות Au עם סכין גילוח.
    3. לאחר המדגם GLC, מותקן על המחזיק TEM, לשים המחזיק TEM פנימה TEM, בדוק את רמת ואקום.
  2. להקליט קטעי וידאו TEM בזמן אמת.
    1. למצוא את האזור שבו nanotube2 שוקולדים עוברת אנקפסולציה עם נוזל אלקטרוליט.
      הערה: כדי לגלות קיים נוזל מסביב nanotube2 שוקולדים, להאיר בקרן אלקטרון לכמה שניות. אם נצפית תנועה של נוזל או הפירוק של אלקטרוליט, סביר מאוד כי האזור עוברת אנקפסולציה עם נוזל.
    2. לעשות את היישור עבור TEM ולהגדיר את המינון קרן אלקטרונים ליזום את התגובה על ידי התאמת הידית בהירות.
      הערה: מתאים היישור עבור TEM כולל יישור המשתמש, כגון Z-גובה יישור, האקדח shift/הטיה, קרן shift/הטיה, צמצם יישור יישור stigmation. הליכים אלה נעשים יותר באזור אחר (ממש ליד האזור שנמצא בשלב 4.2.1) על מנת לא לתת שום נזק סנובורד2 nanotube ונוזלים האלקטרוליט. קרן אלקטרונים מינון לאתחול של lithiation בדרך כלל ~ 103e2· s, אבל זה עשוי להיות שונה עם כל מכשיר TEM.
    3. הפעל את התוכנית מיקרוסקופ תשלום מצמידים מכשיר (CCD) מצלמה על פי הוראות היצרן.
    4. לחץ על לחצן הרשומה על חלון וידאו באבחנה גבוהה (HD) והקלטה של התגובה המתרחשת במדגם GLC.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

סנובורד2 צינורות היו מפוברק על ידי electrospinning ו calcination עוקבות, שבמהלכה nanotubular ואת המבנים נקבובי ניתן היה לראות בבירור, על פי תמונת SEM (איור 3). מבנה כזה nanotubular נובע הפירוק של PVP, בעוד למבשר Sn הליבה מועברת כלפי חוץ בשל Kirkendall אפקט17,18. בנוסף, הבשלת אוסטוולד מתרחש בנוסף האפקט Kirkendall, וכתוצאה מכך הצמיחה של שוקולדים2 nanogains19. תמונת TEM (איור 3ב') מראה כי אתרים נקבובי אלה הם יותר מבחינה ויזואלית ברורה, המצוין על-ידי מספר כתמים לבנים בתוך הנאנו2 כדורי שלג. המבנים קריסטל של שוקולדים2 הם polycrystalline קסיטריט מבנים (איור 3c), על פי הספרות שפורסמו בעבר17.

מבחינת מאפייני אלקטרוכימי של הנאנו2 שוקולדים, נבחנו היבטים שונים של הנאנו2 שוקולדים בפירוט. כדי להתחיל עם, לפרופיל טעינה ופריקה של הנאנו2 שוקולדים במחזור של היווצרות מוצג (איור 4), אשר מוצגים הפרופילים מתח יציב עם יעילות coulombic הראשונית של 67.8%. רמת מתח, אשר קיים ב- 0.9 V, ניתן לייחס את התגובה דו-שלבית (התגובה ההמרה של שוקולדים2 ל- Sn), הדומה תיאורים של עבודות קודמות9,20. היווצרות בלתי הפיך של Li2O במהלך התגובה ההמרה של שוקולדים2, יחד עם היווצרות השכבה לאטמוספרה (סל) אלקטרוליט מוצק, לא יציב גרמו לתגובה לקוי הפיך עם Li במחזור של היווצרות. הנאנו2 שוקולדים התערוכה אופניים יציבים ב 500 מא ז-1, עם יעילות coulombic מעל 98% (איור 4b). היכולות קצב של שוקולדים2 צינורות (איור 4c) מוצגים, איפה הנאנו2 שוקולדים שומרים על קיבולת ניכר (> 700 mAh g-1) אפילו ב צפיפות זרם גבוהה של אמא 1,000 g-1 . למרות זאת, אובדן יכולת בלתי הפיך הראשונית צריך להיבדק יותר בפירוט בשיטות בחיי עיר TEM.

בסך הכל אפיוני של גראפן מוצגים באיור5. איור 5 מציג את ספקטרום ראמאן של גראפן מסונתז על רדיד Cu. היחס בין אניg ו אני2D היה סיכון 2.81, אילו התאמות טוב עם היחס של גראפן חד שכבתי על המצע Cu polycrystalline, המציין גראפן טפט זה היה מסונתז. תמונת SEM של גראפן שהועברו על רשת Au TEM מוצג באיור 5b, הממחיש הכיסוי של גראפן היה טוב לאחר את ההעברה לרשת Au TEM. תמונת TEM הדפוס עקיפה (סאאיד) אלקטרון האזור שנבחר המקביל של הגרפן שהועברו מוצגים באיור 5c, d. המקומות עקיפה משושה מציינים הגרפן טפט טוב.

זמן-סדרת תמונות TEM של GLCs מוצגים באיור 6, אשר נלכדים מן הסרט S1. כאשר GLCs מיוצרים. ובכן, יש להם כיסים מרובים נוזלי אשר טווח גדלים עשרות ננומטר למאות ננומטר, תלוי פתרון וחלקיקים7,14. בניסוי זה, באמצעות פתרון EC/DEC/FEC וצינורות2 שוקולדים, בגודל של נוזל הכיס היה 300-400 nm. המתח מאיץ היה 300 kV, האלקטרון לשגר המינון e743.9 /Å2· s, אשר מספיק lithiation להמשיך אבל לא נזק הקורה חמורה. דרך הקרנה קרן אלקטרונים מתמדת, מומס אלקטרונים ו רדיקלים לעורר תגובה משנית עם מלח, הממס. . הנה, הפירוק של אלקטרוליט ואת היווצרות רובד סל נצפו בשלב ההתחלתי, בהסכם עם חלק שדווחה בעבר על reuslts6,7,8,9 ,21.

Figure 1
איור 1 : דיגיטלית המצלמה תמונות של electrospinning ההתקנה ולא מוכן צינורות2 שוקולדים, אלקטרודה. צינוריות () Electrospinning, (b) כדי לראות2 ו- (ג) האלקטרודה הגבס slurry. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 : תמונות מצלמה דיגיטלית מציג העבירה-גראפן רשת וקווי ייצור של הגרפן תאים נוזלי. persulfate () הגרפן טפט מסונתז על רדיד Cu, (b) רשת Au TEM על רדיד Cu, (ג) תהליך חריטה Cu foils ב 0.1 M אמוניום, ו- (ד) מוערמים Au רשתות בתוך תיבת כפפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : אפיון של צינוריות2 שוקולדים לפני שלהם אנקפסולציה בתוך גיליון גראפן. לוחות אלה מראים תמונה () SEM, תמונות (b) TEM ו (ג) התבנית סאאיד של הנאנו2 כדורי שלג. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : הסוללה אלקטרוכימי תא בדיקה של הנאנו2 שוקולדים. לוחות אלה להראות () הטעינה, הפרשות פרופיל, (b) השמירה מחזור מאפייני ויכולות (ג) שיעור של הנאנו2 שוקולדים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5 : אפיון של גראפן מסונתז. אלה מראות ספקטרום () ראמאן, (b) תמונת SEM, (ג) את תמונת TEM, ו- (d) התבנית סאאיד של הגרפן חד שכבתי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 : תמונות בזמן אמת TEM של תהליך lithiation GLCs. אלקטרוליט המפורקת ואת היווצרות רובד סל על פני nanotube2 שוקולדים שנצפו 0 - 45 ס אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Movie 1
סרט S1. Lithiation של GLCs. פני השטח של nanotube2 שוקולדים הוא מדמיין בתוך נוזל אלקטרוליט. אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון. (לחיצה ימנית כדי להוריד.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

יש שלבים קריטיים בתוך הפרוטוקול. ראשית, ההעברה של הגרפן לעלות על הרשת TEM צריך תשומת לב החוקרים. חשוב להתמודד עם הרשתות עם פינצטה, לא נזק מכל רשתות, למשל על ידי השמדת קרום פחמן אמורפי או כיפוף המסגרת. אלה סוגי נזקים לגרום כיסוי עניים של הגרפן, משפיעה על מספר כיסים נוזלי. בנוסף, הנחת הרשת העליונה במיקום הנכון הוא קריטי. כמפורט בפרוטוקול, הרשת העליונה יש להציב במהירות לפני הנוזל התייבש. במהלך תהליך זה, חוקרים ייתכן נזק לרשת העליונה או למקם אותו בתנוחה לא (כלומר, לא במרכז הרשת התחתונה). בדומה כל נזק שייגרם במהלך תהליך ההעברה, זה יוריד את התשואה של תאים נוזלי. לפיכך, הרבה ניסיון עם טיפול הרשתות TEM נדרש שוב ושוב מחומות GLCs.

חשוב לוודא כי מסכל Cu slurry-שחקנים התייבש לחלוטין לפני ההרכבה תא. זה חשוב כי הנוכחות של מים יכול לבזות את הביצועים הכוללים של התא. בנוסף, slurry צריך להיות שיוטל מסכל Cu בצורה אחידה, כך טעינת כמות החומר הפעיל הוא דומה. יתר על כן, חשוב למצוא שהמקום המתאים עבור התצפית TEM, שבו הנוזל נעולה לגמרי על ידי הסדינים גרפן, מתפוררת קיימת כך lithiation באופן רציף יכולה להתקיים. אף-על-פי החוקרים עקבו אחר הצעדים כפי שהם מודגמות בפרוטוקול, הם לעיתים קרובות תקפידו על תגובות לא שלם, דלדול של נוזל אלקטרוליט סביב החומר הפעיל. כדי למצוא את המקום הנכון עבור התצפית TEM, החוקרים צריך להאיר כשקרן האלקטרונים לכמה שניות ולבחון מספיק נוזל קיים עבור בהמשך התגובה תתרחש.

המגבלה של הטכניקה GLC עם התבוננות lithiation היא כי הדינמיקה אפשריות רק על lithiation, לא delithiation. כי lithiation בתוך GLCs הוא שיזם בקרן אלקטרון והפחתת מספר אלקטרוליט שמסביב, הסביבה חמצון הנגדי לא יכול להתממש. זוהי מגבלה בהשוואה בחיי עיר TEM טכניקות אחרות יכולים להחיל הטיה על המערכת, כגון מיקרוסקופ מינהור סריקה (STM)-TEM מחזיק או מחזיקי אלקטרוכימיה. כמו כן, כמו שתי רשתות מחוברים לרשת העליונה לא יוסר בניסוי זה, ממיסים מימית יש פחות יכולת להישאר שתי רשתות יחד ולכן אלקטרוליט אורגני המועדפת.

GLCs מספקים התקדמות גדולה בשלוש דרכים שונות. 1) הם מספקים דימות ברזולוציה גבוהה באלקטרוליט נוזלי זה בקושי בהגעה בחיי עיר TEM פלטפורמות אחרות. 2) הם אינם מחייבים רכישת מחזיק TEM נוספים בחיי עיר . 3) כמו כן, ניתן לאבחן סוגים שונים של ננו-חומרים (כגון nanosheet, ננו-חלקיק ו- nanofiber) בתוך נוזל אלקטרוליט.

GLCs יכול לשמש עוד יותר להתבונן לא רק את הדינמיקה של אלקטרודה חומרים על lithiation אבל, בנוסף, sodiation (Na-יון סוללות), magnesiation (סוללות יון Mg), potassiation (K-יון סוללות), ואבץ ההכנסה (Zn-יון סוללות). יתר על כן, מעבר הפירוק של סוגים שונים של אלקטרוליטים, שינויים מורפולוגיים של חומרים אלקטרודה להיות visualized בתוך GLC9,10. אנו מצפים כי מידע כזה יספק תובנות בעלות ערך עבור מהנדסים אשר עובדים על עיצוב סוללות יון משני מתקדם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי נבחרת מחקר קרן של קוריאה (ב- NRF), מעניקות מס 2014R1A4A1003712 (BRL תוכנית), קוריאה CCS R & D מרכז (KCRC) להעניק ממומן על ידי ממשלת קוריאה (משרד המדע, ICT ותכנון העתיד) (לא. NRF-2014M1A8A1049303), מענק End-Run KAIST ממומן על ידי ממשלת קוריאה 2016 (משרד המדע, ICT ותכנון העתיד) (N11160058), את לביש פלטפורמה חומרים וטכנולוגיה מרכז (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), על המחקר הלאומי קרן של קוריאה (NRF) גרנט במימון הממשלה קוריאנית (ה-NRF-2017H1A2A1042006-Global מלגת לדוקטורט), מענק הלאומי מחקר קרן של קוריאה (NRF) ממומן על ידי ממשלת קוריאה (MSIP; משרד המדע, ICT & בתכנון עתידי) (ה-NRF-2018R1C1B6002624), Nano· תוכנית פיתוח טכנולוגיה חומרים דרך לאומי מחקר קרן של קוריאה (ב- NRF) ממומן על ידי משרד המדע, ICT, העתיד (2009-0082580) ותכנון גרנט ב- NRF ממומן על ידי ממשלת קוריאה (MSIP; משרד המדע, ICT & בתכנון עתידי) (ה-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

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

הנדסה לשגר גיליון 144 תא נוזלי גרפן סוללת ליתיום-יון בחיי עיר במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) אלקטרודה אלקטרוליט אלקטרון
הכנה של גראפן נוזלי תאים התצפית של חומר סוללת ליתיום-יון
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