Summary

Beredning av grafen flytande celler för observationen av litium-jon batterimaterial

Published: February 05, 2019
doi:

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för tillverkning och beredning av en grafen flytande cell för i situ överföring elektronmikroskopi observation, tillsammans med en syntes av elektrodmaterial och elektrokemisk cell batteritester.

Abstract

I detta arbete införa vi beredning av grafen flytande celler (GLCs), kapsla in både elektrodmaterial och organiska flytande elektrolyter mellan två grafen ark och lättköpt syntesen av endimensionella nanostrukturer med electrospinning. GLC gör i situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) för lithiation dynamiken i elektrodmaterial. Den i situ GLC-TEM använder en elektronstråle för både imaging och lithiation kan utnyttja inte bara realistisk batteri elektrolyter, men också av högupplösta imaging av olika morfologiska, fas, och ozonmätare övergångar.

Introduction

Nyligen, förbrukning av energi har ständigt ökat, liksom vikten av högpresterande energibehållarna. För att möta sådan efterfrågan, utvecklingen av litium-jon-batterier som har en hög energitäthet, är hållbarhet och säkerhet nödvändiga1,2. För att utveckla batterier med överlägsna egenskaper, är en grundläggande förståelse av mekanismer för lagring av energi under batteridrift essential3,4,5.

In situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) ger rika insikter som kan visa både strukturella och kemisk information under driften av batterier3. Bland många i situ TEM tekniker, har GLCs använts för observationen av lithiation dynamiken av nanomaterial6,7,8,9,10,11 ,12. GLCs består av en flytande ficka förseglad med två grafen membran, som ger ett faktiska elektrod/elektrolyt-gränssnitt genom att hindra avdunstning av vätskan inuti hög vakuum i en TEM kolumn6,7. Fördelarna med GLCs är att de tillåter en överlägsen rumslig upplösning och hög imaging kontrast eftersom de anställer elektron transparent monatomiskt tjock grafen som flytande tätning membran13,14,15 ,16. Konventionella TEM kan också gällande att observera batteriet reaktioner, utan att använda dyra i situ TEM innehavare.

I denna text, introducerar vi hur lithiation reaktionen kan observeras med GLCs. specifikt, electron beam bestrålning producerar solvatiserade elektroner släpper den flytande elektrolyten och de inleda lithiation genom att separera Li joner från lösningsmedel molekyler.

GLCs fungerar också som den mest optimala plattformen att tillåta direkt observation av nanomaterial med olika morfologier, inklusive nanopartiklar6,9, nanorör7,10,11, och även flerdimensionella material12. Tillsammans med ex situ- TEM analys av elektrodmaterial efter faktiska elektrokemisk cell testning är det möjligt att GLC systemet presenteras här kan användas för att undersöka de grundläggande Reaktionsmekanism.

Med sådana fördelar GLCs och ex situ- experiment införa vi här detaljerade experiment metoder för forskare som är villiga att genomföra liknande GLC experiment. Protokollen täcka 1) syntes av tenn (IV) oxid (SnO2) nanorör som de typiska endimensionell nanostrukturerade elektrodmaterial, 2) den elektrokemiska cellen batteritest, 3) utarbetandet av GLC och 4) prestanda hos en realtid TEM observation.

Protocol

1. Sammanfattning av SnO2 nanorör genom Electrospinning och efterföljande värmebehandling17 Förbereda en electrospinning lösning. Lös 0,25 g tin klorid dihydrat i ett lösningsmedel blandning av 1,25 g etanol och 1,25 g dimetylformamid (DMF) vid rumstemperatur (RT, 25 ° C). Efter omrörning för 2 h, tillsätt 0,35 g polyvinylpyrrolidon (PVP) till den electrospinning lösningen och rör blandningen för en annan 6 h. Utföra en …

Representative Results

SnO2 nanorör var fabricerade genom electrospinning och efterföljande kalcinering, under vilken de nanotubular och porösa strukturer kan ses tydligt, enligt den SEM-bilden (figur 3en). Sådan nanotubular struktur kommer från nedbrytning av PVP, medan Sn föregångaren i kärnan flyttas utåt på grund av den Kirkendall effekt17,18. Dessutom uppstår Ostwald mognadsproces…

Discussion

Det finns kritiska steg i protokollet. Först behöver överföring av grafen på TEM rutnätet forskarnas noggrann uppmärksamhet. Det är viktigt att hantera rutnäten med pincett och inte skadar någon av elnät, exempelvis genom att förstöra amorft kol membranet eller böja ramen. Dessa typer av skador kommer att resultera i en dålig täckning av grafen och påverka antalet flytande fickor. Att placera det övre rutnätet till höger är dessutom kritiska. Som beskrivs i protokollet, måste det övre rutnätet pla…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete fick stöd av den nationella Research Foundation i Korea (NRF), bevilja nr 2014R1A4A1003712 (BRL Program), Korea CCS R & D Center (KCRC) bevilja finansieras av Korea regeringen (ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering) (nr. NRF-2014M1A8A1049303), ett End-Run stipendium från KAIST finansieras av Korea regeringen under 2016 (ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering) (N11160058), Wearable plattform material Technology Center (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), en nationell forskning Grundandet av Sydkorea (NRF) bidraget finansieras av den koreanska regeringen (NRF-2017H1A2A1042006-Global Ph.D. Fellowship Program), National Research Foundation i Korea (NRF) bidrag finansieras av Korea regeringen (MSIP; Ministeriet för vetenskap, ICT & framtida planering) (NRF-2018R1C1B6002624), Nano· Material Technology Development Program genom den nationella Research Foundation i Korea (NRF) finansieras av ministeriet för vetenskap, och en IKT och framtida planering (2009-0082580) och NRF bidraget finansieras av Korea regeringen (MSIP; Ministeriet för vetenskap, ICT & framtida planering) (NRF-2018R1C1B6002624).

Materials

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

  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).

Play Video

Cite This Article
Chang, J. H., Cheong, J. Y., Seo, H. K., Kim, I., 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).

View Video