Summary
Her presenterer vi en protokoll for fabrikasjon og utarbeidelse av en Grafén flytende celle for i situ overføring elektronmikroskop observasjon, sammen med en syntese av elektroden materialer og elektrokjemiske cellen Batteritester.
Abstract
I dette arbeidet introdusere vi utarbeidelsen av Grafén flytende celler (GLCs), innkapsle både elektrode materialer og organisk flytende elektrolytter mellom to Grafén ark og lettvinte syntesen av endimensjonal nanostrukturer bruker electrospinning. GLC kan i situ overføring elektronmikroskop (TEM) for lithiation dynamikken i elektrode materialer. Den i situ GLC-TEM bruker elektronstråler både for bildebehandling og-litiasjon kan utnytte ikke bare realistisk batteri elektrolytter, men også høy oppløsning avbilding av ulike morfologiske, fase og interfacial overganger.
Introduction
Nylig har forbruk av energi stadig økt, samt betydningen av høy ytelse energi lagringsenheter. For å møte slike behov, utviklingen av litium-ion batterier som har en høy energi-tetthet, er holdbarhet og sikkerhet nødvendig1,2. For å utvikle batterier med overlegne egenskaper, er en grunnleggende forståelse av energi lagring mekanismer under batteridrift viktig3,4,5.
In situ overføring elektronmikroskop (TEM) gir rik innsikt som kan vise både strukturelle og kjemiske informasjon ved bruk av batterier3. Blant mange i situ TEM teknikker, har GLCs blitt brukt for observasjon av lithiation dynamikken av nanomaterialer6,7,8,9,10,11 ,12. GLCs består av en væske lomme forseglet av to Grafén membraner, som gir et faktisk elektrode/elektrolytt grensesnitt ved å hindre fordampning av væsken inni høy vakuum i en TEM kolonnen6,7. Fordelene med GLCs er at de tillater en overlegen romlig oppløsning og tenkelig Høykontrast fordi de ansette elektron gjennomsiktig besto av enatomig tykke Grafén som flytende tetting membran13,14,15 ,16. Konvensjonelle TEM kan også brukes av å observere reaksjonene batteriet, uten å bruke dyre i situ TEM holdere.
I denne teksten, introduserer vi hvordan lithiation reaksjonen kan observeres med GLCs spesielt, electron beam irradiation produserer solvated elektroner i flytende elektrolytt og de starte lithiation ved å skille Li ioner fra løsemiddel molekyler.
GLCs også tjene som den mest optimale plattformen tillater direkte observasjon av nanomaterialer med forskjellige morphologies, inkludert nanopartikler6,9, nanorør7,10,11, og flerdimensjonale materialer12. Sammen med ex situ TEM analyse av elektroden materialer etter faktiske elektrokjemiske cellen testing er det mulig at GLC systemet presenteres her kan brukes til å undersøke den grunnleggende mekanismen.
Med slike fordeler GLCs og ex situ eksperimenter introduserer vi her detaljert eksperiment metoder for forskere som er villig til å utføre lignende GLC eksperimenter. Protokollene dekke 1) syntesen av tinn (IV) oksid (SnO2) nanorør som typisk endimensjonal nanostructured elektrode materiale, 2) elektrokjemiske batteriet celle testen, 3) utarbeidelsen av GLC og 4) ytelsen til en sanntid TEM observasjon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. syntese av SnO2 nanorør av Electrospinning og påfølgende varmebehandling17
- Klargjør en electrospinning løsning.
- Oppløse 0,25 g tinn klorid dihydrate i en løsemiddel blanding av 1,25 g av etanol og 1,25 g vannistedenfor (DMF) i romtemperatur (RT, 25 ° C).
- Etter stirring 2 h, legge 0,35 g polyvinylpyrrolidone (PVP) til electrospinning løsningen og rør blandingen for en annen 6 h.
- Utføre en electrospinning av Sn forløper/PVP sammensatt nanofibers.
- Når den electrospinning løsningen er godt forberedt, vask den rektangulære, fleksible rustfritt stål (30 x 20.5 cm) med vaskebuffer (DI) vann og etanol 2 x - 5 x og air-dry det ved 60 ° C i 10 min.
- Overføre electrospinning løsningen til 10 mL sprøyte ved å blokkere én side av og la den electrospinning løsningen flyt i sprøyten.
- Koble en 25 G nål til sprøyten.
Merk: Andre typer nåler, som 23 G og 17 G nåler, kan også brukes. I denne protokollen brukes 25 G nålen som standard nålen. - Fikse det tørket fleksible rustfritt stålet til trommeslager med tape.
- Åpne den electrospinning programvaren og angi parameterne electrospinning (flyt: 5-20 µL·min-1, antall løsningen: 3-15 mL) for riktig funksjon av den electrospinning enheten.
Merk: Her optimal infusjonshastigheten er 10 µL·min-1 , og den totale mengden løsning er 5 mL. - Fastsette sprøyten med 25 G nålen inn i electrospinning-enheten, og deretter fastsette den med tape.
- Før electrospinning, trykk på sprøyten mot kollektoren til electrospinning løsningen flyter godt gjennom 25 G nålen. Deretter koble spissen av nålen for dobbel endte krokodille utklippene, som også er koblet til samleren.
- Rull valsen (100 rpm) og starte det programmet programvaren for electrospinning.
- Modulere anvendt spenning ved hjelp av en spenning bias (figur 1en) mellom 10-25 kV tillate electrojetting de Taylor kjegler å operere electrospinning prosessen.
Merk: Her optimal anvendt spenning er 16 kV.
- Utføre calcination av Sn forløper/PVP sammensatt nanofibers.
- Når electrospinning prosessen er ferdig, skrap som spunnet nanofibers på det fleksible rustfritt stålet med en barberhøvel og overføre dem til en alumina-boksen.
- Sett inn boksen alumina i boksen ovnen og angi varmebehandling betingelsene for boksen ovnen: 600 ° C eller 700 ° C i 1 time, med en gradvis rate på 10 ° C·min-1.
- Etter calcination, avkjølt ovnen til 50 ° C, og deretter overføre calcined prøvene (dvs., SnO2 nanorør) til ampullen glasset (figur 1b).
2. elektrokjemiske batteriet celle Test
- Forberede elektroden.
Merk: Elektrode gjødsel består av 10 wt % dokumentordneren, 10 wt % karbon svart og 80 wt % av aktive materiale (i dette tilfellet SnO2 nanorør). Slurry og sammensetning av hver ingrediens i gjødsel kan justeres.- Skjær kobber (Cu) folien i 10 cm bredde x 30 cm lengde, og bruker etanol, fikse det på en rektangulær barometer substrate (25 x 15 x 0,5 cm).
- Bland 0.02 g av sot, 0.027 g polyacrylic syre (35 wt %) og 0.166 g carboxymethyl cellulose (6 wt %) i en smeltedigel. Legge til tre til seks dråper deionisert (DI) i smeltedigel å tillate en homogen blanding.
- Legge til 0,16 g SnO2 nanorør i smeltedigel. Deretter legge til tre til åtte dråper DI i smeltedigel å tillate en homogen blanding.
- Bakken alle ingrediensene i smeltedigel i 30 min å sikre at slurry er tilstrekkelig tyktflytende å bli kastet på Cu folien.
- Når elektrode slurry er godt forberedt, bruker gjødsel på oversiden av Cu folie på glass underlaget og kastet den jevnt en avstøpning Berg.
Merk: Vanligvis tykkelsen på gjødsel er 60 µm men kan være mer eller mindre. - Air-Dry slurry-cast Cu aluminiumsfolie ved 60 ° C i 10 min og forsegle den i plastposen før batteriet celle forsamlingen.
Merk: Slurry-cast Cu folien ses i figur 1c.
- Montere battericellene.
- Varme konveksjon ovn til 150 ° C. Deretter sted slurry-cast Cu folie i ovnen.
- Fyll konveksjon ovn med vakuum av roterende pumper tørke det gjenværende løsemiddelet i gjødsel og unngå oksidasjon av Cu folien.
- Etter oppvarming slurry-cast Cu folie på 150 ° C 2 h, fylle konveksjon ovn med luft ved å lukke vakuum linjen og åpne ventilen linjen i roterende pumpen åpne kammeret.
- Ta slurry-cast Cu folie ut av kammeret og slå den med et sirkel puncher (punch diameter: 14 mm). Veie stemplet slurry-cast Cu folien og legg den i bunnen battericelle.
- Bruk en halvcelle for montering av battericellene. Etter å ha slurry-cast Cu folie i bunnen av battericelle, overføre prøvene til antichamber i hanskerommet.
- Vakuum antichamber i 30 min, og deretter overføre prøvene i innsiden hanskerommet.
- Montere battericellene i følgende rekkefølge: nederste akkumulator cellen, slurry-cast Cu folie, skilletegn, pakning, våren, avstand og topp akkumulator cellen. Slipp elektrolytt etter skilletegnet inn battericelle.
- Komprimere battericelle til en fullstendig akkumulator cellen ved en komprimator. Deretter flytter battericellene for elektrokjemiske tester inn antichamber i boksen hansken og ta battericellene av i hanskerommet.
- Måle åpen krets spenningen (OCV) et digitalt multimeter og alder battericelle på RT for 1-2-d.
- Teste elektrokjemiske battericelle.
- Beregne vekten av aktiv ved å trekke vekten av Cu aluminiumsfolie enn slurry-cast Cu folien og dele det med delen av aktive materialet.
- Beregne gjeldende som battericelle må kjøres ved å multiplisere den nåværende tettheten (mA·g-1) med vekten av aktive materialet.
- Sett de elektrokjemiske battericellene i batteriet celle tester. Bruk gjeldende (tilsvarende 0,05 A·g-1 for dannelse syklusen og ulike gjeldende tettheter i området 0,1 A·g-1 til 10,0 A·g-1 for syklusen tester og rate evner) for hver battericelle bruker batteriet celle tester programmet.
- Brukes ulike strømningene for hver battericelle hvis det er testet på ulike gjeldende tettheter.
3. forberedelse til Graphene væske cellen
- Syntetisere Grafén av kjemiske damp avsetning (CVD).
- Kutte Cu folie (renhet: 99,9%, tykkelse: 0.0125 mm) med saks i biter med en dimensjon 10 x 3 cm.
- Skyll Cu folie fra trinn 3.1.1 med isopropylalkohol (IPA) for å fjerne støv eller forurensninger og behandle den med 100 mL 20 wt % fosforsyre (H3PO4) for 20 min fjerne innfødt oksid på overflaten av Cu folien i et glass Petriskål. Deretter sted Cu folie i DI vann i en annen 10 min å rense gjenværende H3PO4fullt.
- Flytt Cu folie til kvarts røret (ytre diameter: 40 mm, indre diameter: 36 mm) av CVD utstyret.
- Kjøre roterende pumpen og vent til vakuum er under 2 x 10-3 Torr. Deretter heve temperaturen til 150 ° C helt fjerne oksygen og fuktighet inne kvarts tube av CVD.
- Heve temperaturen fra RT til 1000 ° C i 40 minutter med 10 sccm av H2 gasstrømmen. Opprettholde temperaturen i kammeret for en annen 40 min å anneal Cu folien.
- Slå på 60 sccm CH4 gass for 25 min. kjølig ned CVD kammeret til RT. Turn CH4 og H2 gasser av på 300 grader C.
- Ta Cu folien (figur 2en) fra CVD kammeret og holde den i en desiccator.
- Overføre til Grafén.
- Hvis du vil fjerne Grafén på baksiden av Cu folien, gjennomføre plasma etsing ved hjelp av en plasma renere med følgende innstillinger: en strøm av Ar (av 100 sccm), tid (60 s), strøm (av 30 W), og en base (av 5.0 x 10-2 Torr).
- Kutt Cu folie med Grafén som ble syntetisert i trinn 3.1 til 3 x 3 mm med saks. Plass Cu folie brikker mellom to lysbildet briller og trykk for å gjøre dem flate.
Merk: Fire Cu folien plasseres brikkene sammen mellom to skyve glass. - Plass holey karbon Au rutenett (300 mesh, R2/2) på hvert stykke Cu folie (figur 2b). Slippe 20 µL av IPA på Au rutenett/Cu folie.
- Sugekraft IPA med brønnene tips som er koblet til en roterende pumpe. Etter utsuging, tørr Au rutenett/Cu folien ved 50 ° C i 5 min.
- Atferd etsning av Cu folie i 10 mL 0.1 M ammonium persulfate 6 h i en 6 cm glass Petriskål (figur 2c).
Merk: Glass Petri retter må rengjøres med IPA og DI vann før bruk for å unngå forurensning av Si partikler. - Scoop Au rutenett med Pt loop og flytte den til et glass Petriskål fylt med Ionisert vann ved 50 ° C, for å fullstendig fjerne eventuelle gjenværende forurensninger fra etsematerialer16.
- Scoop Au rutenettene fra DI vann og tørk dem 6 h på RT og lufttrykk.
- Dikte GLCs.
- Forberede elektrolytt og nanotube blandingen. Spre 0,06 g nanotube pulver i 10 mL av elektrolytt, som består av 1,3 litium hexafluorophosphate (LiPF6) i etylen karbonat (EC) og diethylene karbonat (DEC) (3:7 volumkontrollen) med 10 wt % av fluoroethylene karbonat (FEC).
Merk: Sammensetningen av elektrolytt er den samme som den som brukes i elektrokjemiske batteriet celle testen. Ulike elektrolytter kan brukes i GLCs, som 1 M LiPF6 oppløst i Egenkapitalbevis, desember, og dimethyl carbonates (DMC) i volumetriske forholdet 1:1:1, 1 M av natrium hexafluorophosphate (NaPF6) oppløst i Egenkapitalbevis, 1 M av natrium-perklorat (NaClO 4) oppløst i polyetylen karbonat (PC) med 5 wt % av FEC, 0.1 M av magnesium bis(trifluoromethanesulfonimide) (MgTFSI) i diglyme, og 1 M NaClO4 på PC. - Flytte Grafén-overført Au rutenett og elektrolytt blanding i en hanskerommet som er fylt med Ar.
- Plass en Grafén-overført Au rutenett på bunnen. Slipp 20 µL av elektrolytt blanding på bunnen rutenettet.
- Hold en annen Grafén-overført rutenettet en TWEEZER og plassere den på bunnen rutenettet.
Merk: Denne prosedyren må gjøres raskt før elektrolytt har tørket (figur 2d). - Tørr prøven inne i hanskerommet i 30 min, der væsken er spontant innkapslet mellom to Grafén ark som det tørker.
Merk: Hvor mye fanget væske avhenger av hvor godt av Grafén har blitt overført og hvor godt det øvre rutenettet er plassert.
- Forberede elektrolytt og nanotube blandingen. Spre 0,06 g nanotube pulver i 10 mL av elektrolytt, som består av 1,3 litium hexafluorophosphate (LiPF6) i etylen karbonat (EC) og diethylene karbonat (DEC) (3:7 volumkontrollen) med 10 wt % av fluoroethylene karbonat (FEC).
4. utføre sanntid TEM
- Laste inn GLCs på en konvensjonell-vipper enkelt TEM.
- Plass GLC prøven (to tilknyttede Grafén-overført Au rutenett)-vipper enkelt TEM holderen for.
- Hvis to rutenettene ikke er stablet opp perfekt, vil GLC prøven ikke passe i TEM holderen. I så fall kuttet kanten av Au-rutenett med et barberblad.
- Etter GLC prøven er montert på TEM innehaveren, sette TEM holderen inne i TEM og nøye kontrollere vakuum nivået.
- Registrere sanntid TEM video.
- Finne regionen der SnO2 nanotube er innkapslet med flytende elektrolytt.
Merk: For å finne ut om væske finnes rundt SnO2 nanotube, irradiate elektronstråler i noen sekunder. Hvis noen bevegelse av flytende eller nedbryting av elektrolytt er observert, er det svært sannsynlig at området er innkapslet med væske. - Gjør justering for TEM og angi elektron strålen dosering å starte reaksjonen ved å justere lysstyrke knotten.
Merk: Egnet justeringen for TEM inkluderer bruker justering, som Z-høyde justering, pistol tilt/shift, strålen tilt/shift, blenderåpning justering og stigmation justering. Disse prosedyrene gjøres bedre i et annet område (ved regionen i trinn 4.2.1) for ikke å gi noen skader SnO2 nanotube og flytende elektrolytt. Elektron er strålen dose for å starte lithiation vanligvis ~ 103e-/Å2· s, men det kan variere med hver TEM instrument. - Kjøre mikroskopi programmet og kostnad - sammen enhet (CCD) kameraet i henhold til produsentens instruksjoner.
- Trykk på opptaksknappen i vinduet høy definisjon (HD) video og registrere reaksjonen forekommende i GLC utvalget.
- Finne regionen der SnO2 nanotube er innkapslet med flytende elektrolytt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
SnO2 nanorør ble laget av electrospinning og påfølgende calcination, som nanotubular og porøs strukturer kan sees tydelig, ifølge SEM bildet (Figur 3et). Slik nanotubular struktur kommer fra nedbryting av PVP, mens Sn forløperen i kjernen flyttes utover grunn Kirkendall effekt17,18. I tillegg oppstår Ostwald modning i tillegg til Kirkendall effekt, som resulterer i vekst av SnO2 nanogains19. TEM bildet (Figur 3b) viser at slike porøse nettsteder er mer visuelt klare, angitt av en rekke hvite flekker i SnO2 nanorør. Crystal strukturer av SnO2 er polycrystalline cassiterite strukturer (Figur 3c), i henhold til tidligere publisert litteratur17.
Når det gjelder elektrokjemiske kjennetegner SnO2 nanorør, ble ulike aspekter av SnO2 nanorør undersøkt i detalj. Til å begynne med, vises lade- og utladingssykluser profilen til SnO2 nanorør i formasjon syklus (Figur 4en), som viser stabil spenning profiler med en innledende coulombic virkningsgrad på 67.8%. Spenning platået, som finnes på 0,9 V, kan tilskrives tofaset reaksjonen (konvertering reaksjonen SnO2 til Sn), like til beskrivelser i tidligere works9,20. Uhelbredelig dannelsen av Li2O under konvertering reaksjon SnO2, sammen med ustabil dannelsen av fast elektrolytt interphase (SEI) laget, resulterte i en dårlig reversibel reaksjon med Li i formasjon syklus. SnO2 nanorør utstilling stabil sykling 500 mA g-1, med coulombic effektivitet over 98% (Figur 4b). Rate egenskapene til SnO2 nanorør (Figur 4c) også presenteres, der SnO2 nanorør beholde betydelig kapasitet (> 700 mAh g-1) på en høy nåværende tetthet av 1000 mA g-1 . Likevel må første irreversibel kapasitet tap undersøkes mer i detalj ved hjelp av i situ TEM metoder.
Generelle er characterizations av Grafén vist i figur 5. Figur 5 en viser Raman spekteret av Grafén syntetisert på Cu folie. Forholdet mellom jegg og jeg2D var 2,81, hvilke kamper godt med forholdet mellom monolayer Grafén på polycrystalline Cu substrat, som angir at monolayer Grafén ble syntetisert. SEM bildet av overførte Grafén en Au TEM rutenettet er vist i figur 5bdemonstrere at dekningen av Grafén var bra etter overtatt Au TEM rutenettet. TEM bildet og tilsvarende merkede området elektron Diffraksjon (SAED) mønsteret av den overførte Grafén er vist i figur 5c, d. Sekskantet Diffraksjon flekker tyder monolayer Grafén godt.
Tidsserier TEM bilder av GLCs er vist i figur 6, som er tatt fra Filmen S1. Når GLCs er fabrikkert Vel, har de flere flytende lommer som størrelser varierer fra nanometer titalls til hundrevis av nanometer, avhengig av løsning og nanopartikler7,14. I dette eksperimentet, EC/DEC/FEC løsning og SnO2 nanorør, var størrelsen på flytende lommen 300-400 nm. Akselererende spenningen var 300 kV og elektron strålen dosering 743.9 e-/Å2· s, som er nok for-litiasjon fortsette men ikke for alvorlig strålen skade. Gjennom konstant electron beam irradiation utløse oppløst elektroner og radikale en sekundær reaksjon med salt og løsemidler. Her, nedbryting av elektrolytt og dannelsen av en SEI lag ble observert i den innledende fasen, enige med noen av de tidligere rapporterte reuslts6,7,8,9 ,21.
Figur 1 : Digital camera bilder av electrospinning oppsett og forberedt SnO2 nanorør og elektroden. (en) Electrospinning, (b) SnO2 nanorør, og (c) slurry-cast elektroden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 : Digital camera bilder viser Grafén-overført rutenettet og fabrikasjon av Grafén flytende celler. (en) syntetisk monolayer Grafén på Cu folie, (b) en Au TEM rutenett på Cu folie, (c) etsing prosessen med Cu folier i 0.1 M ammonium persulfate, og (d) stablet Au rutenett i en hanskerommet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Karakterisering av SnO2 nanorør før innkapsling inne det Grafén arket. Disse skjermbildene viser (en) en SEM bilde, (b) en TEM bilde og (c) SAED mønster av SnO2 nanorør. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 : Elektrokjemiske batteriet celle testing av SnO2 nanorør. Disse skjermbildene viser (en) kostnader og utslipp profilen, (b) syklus oppbevaring egenskaper og (c) frekvensen egenskapene til SnO2 nanorør. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5 : Karakterisering av syntetisk Grafén. Disse skjermbildene viser (en) Raman spektrum, (b) SEM bildet, (c) TEM bildet, og (d) SAED mønster av monolayer Grafén. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6 : Real-time TEM bilder av lithiation GLCs. Oppdelte elektrolytt og dannelsen av en SEI lag på overflaten av en SnO2 nanotube observeres for 0 - 45 s. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Film S1. Lithiation av GLCs. Overflaten av en SnO2 nanotube er visualisert inne flytende elektrolytt. Vennligst klikk her å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det er viktige skritt i protokollen. Først må overføre Grafén til TEM rutenettet forskernes nøye. Det er viktig å håndtere rutenettet med pinsett og ikke skade noen av rutenett, for eksempel ved å ødelegge amorfe karbon membranen eller bøye rammen. Slike skader vil føre en dårlig dekning av Grafén og påvirker en rekke flytende lommer. I tillegg er det viktig å plassere øvre rutenett i riktig posisjon. Som beskrevet i protokollen, må topp rutenettet plasseres raskt før væsken har tørket. Under denne prosessen kan forskere skade øvre rutenett eller plassere den i feil posisjon (dvs.ikke i midten av bunnen rutenettet). I likhet med eventuelle skader under overføringsprosessen, dette vil redusere avkastningen av flytende celler. Dermed er mye praksis håndtere TEM rutenettene behøvde å gjentatte ganger dikte GLCs.
Det er viktig å sørge for at slurry-cast Cu folien har helt tørket før cellen forsamlingen. Dette er viktig fordi tilstedeværelsen av vann kan redusere ytelsen i cellen. I tillegg bør til slurry settes på Cu folie jevnt, slik at lasting mengden aktive ligner. Videre er det viktig å finne retten plassen for TEM observasjon, der væsken er helt forseglet Grafén ark og nok væske eksisterer, slik at lithiation kan fortsatt skje. Selv om forskere fulgt fremgangsmåten som de er vist i protokollen, vil de ofte se ufullstendig reaksjoner og uttømming av flytende elektrolytt rundt aktive materialer. For å finne det rette stedet for TEM observasjon, bør forskerne belyse elektronstråle i noen sekunder og observere om nok væske finnes for ytterligere reaksjon oppstår.
Begrensning av GLC teknikken med observere lithiation er at dynamikken er mulig bare ved lithiation, ikke delithiation. Fordi lithiation i GLCs er initiert av en elektronstråle og reduksjon av omkringliggende elektrolytt, kan motsatt oksiderende miljøet realiseres. Dette er en begrensning i forhold til andre i situ TEM teknikker som kan bruke bias på systemet, for eksempel skanning tunnelering mikroskop (STM)-TEM holderen eller elektrokjemi holdere. Også to Grid er knyttet og øvre rutenett er ikke fjernet i dette eksperimentet, vandig løsemidler har mindre mulighet til å holde to rutenett sammen og organisk elektrolytt er derfor foretrukket.
GLCs gir store fremskritt på tre forskjellige måter. 1) de gir høy oppløsning imaging i en flytende elektrolytt som er knapt oppnåelig i andre i situ TEM plattformer. 2) de krever ikke Kjøp ekstra i situ TEM innehaveren. 3) også kan ulike typer nanomaterialer (som nanosheet, hydrogenion og nanofiber) visualiseres inne flytende elektrolytt.
GLCs kan brukes videre å observere ikke bare dynamikken i elektrode materialer på-litiasjon men også sodiation (Na-ion batterier), magnesiation (Mg-ion batterier), potassiation (K-ion batterier), og sink innsetting (Zn-ion batterier). Videre utover nedbryting av ulike typer elektrolytter, kan morfologiske endringer av elektroden materialer visualiseres i GLC9,10. Vi forventer at slik informasjon vil gi verdifull innsikt for ingeniører som jobber med å utforme avanserte sekundære ionbatterier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Research Foundation av Korea (NRF), gi nr. 2014R1A4A1003712 (BRL Program), Korea CCS R & D Center (KCRC) gi finansiert av Korea regjeringen (departementet for vitenskap, IKT og fremtid planlegger) (nr. NRF-2014M1A8A1049303), en End-Run tilskudd fra arbeider nå som forsker finansiert av Korea regjeringen i 2016 (departementet for vitenskap, IKT og fremtid planlegger) (N11160058), den bærbar plattform materialer teknologi senter (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), en nasjonal forskning Grunnlaget for Korea (NRF) Grant finansiert av koreanske regjeringen (NRF-2017H1A2A1042006-Global doktorgrad Fellowship Program), National Research Foundation av Korea (NRF) stipend finansiert av Korea regjeringen (MSIP; Departementet for vitenskap, IKT og fremtidig planlegging) (NRF-2018R1C1B6002624), Nano· Materielle Technology Development Program gjennom National Research Foundation av Korea (NRF) finansiert av departementet for vitenskap, og en IKT og fremtiden planlegging (2009-0082580) og NRF grant finansiert av Korea regjeringen (MSIP; Departementet for vitenskap, IKT og fremtidig planlegging) (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).
