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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 electrospinning av den Sn föregångare/PVP sammansatta nanofibrer.
- När den electrospinning lösningen är väl förberett, tvätta den rektangulära, flexibel rostfritt stål (30 x 20,5 cm) med avjoniserat vatten (DI) och etanol 2 x - 5 x och lufttorka det vid 60 ° C i 10 min.
- Överför electrospinning lösningen till en 10 mL spruta genom att blockera en sida av sprutan och låta den electrospinning lösningen flöde in i sprutan.
- Anslut en 25 G nål på sprutan.
Obs: Andra typer av nålar, såsom 23 G och 17 G nålar, kan också användas. I detta protokoll används 25 G nålen som standard nålen. - Fixa det torkade flexibel rostfritt stålet till trummis med tejp.
- Öppna programvaran electrospinning controller och ange electrospinning parametrar (flödeshastighet: 5-20 µL·min-1, totala mängden lösningen: 3-15 mL) för en väl fungerande electrospinning enheten.
Obs: Här optimala flödet klassar är 10 µL·min-1 och den totala mängden lösning är 5 mL. - Fixa sprutan med 25 G nålen i electrospinning enheten och sedan fixa det med tejp.
- Innan electrospinning, tryck på sprutan mot kollektorn tills den electrospinning lösningen rinner väl genom 25 G nålen. Anslut sedan spetsen av nålen till dubbeländad krokodil klippen, som förbinds också till insamlaren.
- Rulla rullen (100 rpm) och initiera att programmet programvara för electrospinning.
- Modulera spänningen med hjälp av en spänning bias (figur 1en) mellan 10-25 kV till tillåta electrojetting av Taylor kottarna att driva processen electrospinning.
Obs: Här optimala spänningen är 16 kV.
- Utföra på kalcinering av den Sn föregångare/PVP sammansatta nanofibrer.
- När electrospinning processen är klar, skrapa den som-spunnet nanofibrer på flexibel rostfritt stål med en rakhyvel och överföra dem till en aluminiumoxid box.
- In rutan aluminiumoxid i rutan ugnen och ange villkor efter värmebehandling för box ugnen: 600 ° C eller 700 ° C för 1 h, med en ramp på 10 ° C·min-1.
- Efter rostning, kyla ner ugnen till 50 ° C och sedan överföra de kalcinerad proverna (dvs, SnO2 nanorör) till injektionsflaska glaset (figur 1b).
2. elektrokemisk Cell batteriprov
- Förbereda elektroden.
Obs: Elektroden slammet består av 10 wt % bindemedel, 10 wt % kimrök och 80 wt % av aktiva material (i detta fall, SnO2 nanorör). Mängden flytgödsel och sammansättningen av varje ingrediens i slam kan justeras.- Skär den koppar (Cu) folien i 10 cm Bredd x 30 cm längd och använda etanol, fixa det på ett rektangulärt glassubstrat (25 x 15 x 0,5 cm).
- Blanda 0,02 g kimrök, 0.027 g av polyakryl syra (35 wt %) och 0.166 g natriumkarboximetylcellulosa cellulosa (6 wt %) i en degel. Tillsätt tre till sex droppar avjoniserat vatten (DI) vatten till deglen så att en homogen blandning.
- Tillsätt 0.16 g SnO2 nanorör till deglen. Lägg sedan till tre till åtta droppar DI vatten till deglen så att en homogen blandning.
- Marken alla ingredienser i degeln i 30 min så att suspensionen är tillräckligt trögflytande att kastas väl på Cu folien.
- När elektroden suspensionen bereds väl, använda slammet på ovansidan av Cu folie på glassubstrat och kasta det jämnt en gjutning rulle.
Obs: Vanligtvis är tjockleken på slammet 60 µm men kan vara mer eller mindre. - Lufttorka flytgödsel-cast Cu folie vid 60 ° C i 10 min och försegla det plastpåsen före cellen batterienheten.
Obs: Flytgödsel-cast Cu folien kan ses i figur 1c.
- Montera battericeller.
- Värme konvektion ugnen till 150 ° C. Då plats flytgödsel-cast Cu folie i ugnen.
- Fyll varmluftsugn med vakuum genom roterande pumpar torka den kvarstående vätskan i slammet samtidigt undvika oxidation av Cu folien.
- Efter uppvärmning flytgödsel-cast Cu folie vid 150 ° C i 2 h, refill varmluftsugn med luft genom att stänga dammsugaren och öppna till avluftningsröret i den roterande pumpen att öppna kammaren.
- Ta flytgödsel-cast Cu folie ur kammaren och slå det med en cirkel hålslag (punch diameter: 14 mm). Väger den stansade flytgödsel-cast Cu folien och placera den i botten battericell.
- Använd hälften en cell för montering av battericeller. Efter att placera flytgödsel-cast Cu folie i botten av cellen batteri, överföra proverna till antichamber av handskfacket.
- Vakuum i antichamber för 30 min, och sedan överföra proverna på insidan handskfacket.
- Montera batteriet cellerna i följande ordning: botten battericell, flytgödsel-cast Cu folie, separator, packning, våren, spacer och topp battericell. Släppa elektrolyten efter avgränsaren tas i cellen batteri.
- Komprimera cellen batteriet till en komplett battericell av en komprimator. Sedan flytta battericeller för elektrokemisk tester i antichamber i handskfacket och tar batteriet cellerna ur handskfacket.
- Mäta öppen kretsspänning (OCV) genom en digital multimeter och åldras batteriet cellen vid RT för 1-2 d.
- Testa den elektrokemiska battericell.
- Räkna ut vikten av aktiva material genom att subtrahera vikten av Cu folie från det av flytgödsel-cast Cu folien och dividera det med delen av det aktiva materialet.
- Beräkna strömmen där cellen batteriet behöver köras genom att multiplicera strömtäthet (mA·g-1) med vikt på det aktiva materialet.
- Infoga de elektrokemiska battericeller i en batteritestare för cellen. Tillämpa nuvarande (motsvarande 0,05 A·g-1 för cykelns bildandet och olika strömtätheter i intervallet 0,1 A·g-1 till 10,0 A·g-1 för cykel tester och hastighet kapacitet) för varje battericell med en batteritestare för cell programmet.
- Tillämpa olika strömmar för varje battericell om det är testat på olika strömtätheter.
3. beredning av grafen vätska cellen
- Syntetisera grafen av kemisk förångningsdeposition (CVD).
- Skär Cu folie (renhet: 99,9%, tjocklek: 0,0125 mm) med en sax i bitar med en dimension på 10 x 3 cm.
- Skölj Cu folie från steg 3.1.1 med isopropylalkohol (IPA) för att ta bort damm och föroreningar och behandla det med 100 mL 20 wt % phosphoric syra (H3PO4) för 20 min att ta bort infödda oxid på ytan av Cu folien i ett glas petriskål. Då plats Cu folie i DI vatten för en annan 10 min till fullt skölj återstående H3PO4.
- Flytta Cu folie till kvarts röret (yttre diameter: 40 mm, inre diameter: 36 mm) av CVD utrustningen.
- Kör den roterande pumpen och vänta tills vakuum är under 2 x 10-3 Torr. Höj sedan temperaturen till 150 ° C att helt ta bort den syre och fukt inuti kvarts röret av CVD.
- Höj temperaturen från RT till 1000 ° C i 40 min med 10 sccm av H2 gasflödet. Hålla temperaturen i kammaren för en annan 40 min att glödga Cu folien.
- Inaktivera på 60 sccm CH4 gas för 25 min. Cool ner CVD kammaren till RT. Vänd CH4 och H2 gaser vid 300 ° C.
- Ta Cu folien (figur 2en) från CVD kammaren och hålla den i en torkugn.
- Överföra grafen.
- Ta bort grafen på baksidan av Cu folien, genomföra plasma etsning med en plasma renare med följande inställningar: ett flöde på Ar (av 100 sccm), tid (60 s), makt (30 W), och bas trycket (5,0 x 10-2 Torr).
- Cut Cu folie med grafen som var syntetiseras i steg 3.1 till 3 x 3 mm med sax. Placera Cu foliebitar mellan två bild glasögon och tryck på för att göra dem platt.
Obs: Fyra Cu foliebitar placeras tillsammans mellan två bild glasögon. - Placera holey kol Au rutnät (300 mesh, R2/2) på varje bit Cu folie (figur 2b). Släpp 20 µL av IPA på Au rutnät/Cu folien.
- Sug IPA med en mikropipett spets som är ansluten till en roterande pump. Efter sugning, torka Au rutnät/Cu folien vid 50 ° C i 5 min.
- Beteende etsningen av Cu folie i 10 mL 0,1 M ammonium persulfatoxidation för 6 h i ett 6 cm glas petriskål (figur 2c).
Obs: Glas petriskålar måste rengöras med IPA och DI vatten före användning för att undvika kontaminering av Si partiklarna. - Scoop Au rutnäten med en Pt loop och flytta den till ett glas petriskål fylld med DI vatten vid 50 ° C, för att helt ta bort eventuella kvarvarande föroreningar från etsmedlet16.
- Scoop Au rutnäten från DI vattnet och torka dem i 6 h på RT och med lufttrycket.
- Tillverka GLCs.
- Förbereda elektrolyt och nanotube blandningen. Skingra 0,06 g nanotube pulver i 10 mL av elektrolyt, som består av 1,3 M litium hexafluorofosfat (LiPF6) i eten karbonat (EG) och dietylenglykol karbonat (DEC) (3:7 volym ratio) med 10 wt % av fluoroethylene karbonat (FEC).
Obs: Sammansättningen av elektrolyten är samma som den som används i den elektrokemiska cellen batteriprov. Olika elektrolyter kan användas i GLCs, som 1 M LiPF6 upplöst i EG, DEC, och dimetyl karbonater (DMC) i volymetriska förhållandet 1:1:1, 1 M av natrium hexafluorofosfat (NaPF6) upplöst i EG, 1 M av natrium perklorat (NaClO 4) upplöst i polyeten karbonat (PC) med 5 wt % av FEC, 0.1 M av magnesium bis(trifluoromethanesulfonimide) (MgTFSI) i diglyme, och 1 M NaClO4 i PC. - Flytta grafen-överförs Au rutnät och elektrolyt blandning i ett handskfacket som är fylld med Ar.
- Placera en grafen-överförs Au rutnät på botten. Släpp 20 µL av elektrolyt blandning på det nedre rutnätet.
- Håll en annan grafen-överförs rutnät med en pincett och placera den på toppen av det nedre rutnätet.
Obs: Denna procedur måste göras snabbt innan elektrolyten har torkat (figur 2d). - Torra provet innanför handskfacket för 30 min, under vilken vätskan kapslas spontant mellan två grafen täcker när det torkar.
Obs: Mängden anhållna vätska beror på hur väl grafen har överförts och hur väl det övre rutnätet är placerad.
- Förbereda elektrolyt och nanotube blandningen. Skingra 0,06 g nanotube pulver i 10 mL av elektrolyt, som består av 1,3 M litium hexafluorofosfat (LiPF6) i eten karbonat (EG) och dietylenglykol karbonat (DEC) (3:7 volym ratio) med 10 wt % av fluoroethylene karbonat (FEC).
4. utför realtid TEM
- Lägg GLCs på en konventionella single-tilt TEM hållare.
- Placera GLC provet (två bifogade grafen-överförs Au nät) på hållaren för singel-tilt-TEM.
- Om två rutnäten inte staplas upp perfekt, får GLC provet inte plats i hållaren TEM. I så fall skär kanten av Au näten med ett rakblad.
- Efter GLC provet är monterad på hållaren TEM, sätta TEM innehavaren inuti TEM och noggrant kontrollera vakuumnivån.
- Videoinspelning i realtid TEM.
- Hitta den region där de SnO2 nanotube är inkapslade med flytande elektrolyt.
Obs: För att ta reda på om vätska finns runt de SnO2 nanotube, bestråla en elektronstråle för några sekunder. Om vissa rörelse av vätskan eller nedbrytning av en elektrolyt observeras, är det mycket troligt att området är inkapslade med vätska. - Gör justering för TEM och ange electron beam doseringen att inleda reaktionen genom att justera reglaget ljusstyrka.
Obs: Lämplig justering av TEM omfattar användare anpassning, såsom Z-höjd justering, gun tilt/shift, beam tilt/shift, bländare justering och stigmation justering. Dessa förfaranden är bättre gjort i ett annat område (intill regionen steg 4.2.1) för att inte ge skador till SnO2 nanotube och flytande elektrolyt. Electron beam dosraten för att inleda lithiation är oftast ~ 103e–/Å2· s, men det kan variera med varje TEM instrument. - Kör mikroskopi program och kostnad – tillsammans enhet (CCD) kameran enligt tillverkarens anvisningar.
- Tryck på inspelningsknappen på fönstret hög definitionen (HD) video och spela in den reaktion som inträffar i GLC provet.
- Hitta den region där de SnO2 nanotube är inkapslade med flytande elektrolyt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 mognadsprocessen utöver den Kirkendall effekten, vilket leder till tillväxt av SnO2 nanogains19. TEM bilden (figur 3b) visar att sådana porösa webbplatser är mer visuellt tydliga, indikeras av ett antal vita fläckar inom SnO2 nanorör. De kristallen strukturerna av SnO2 är polykristallina kassiterit strukturer (figur 3c), i enlighet med tidigare publicerad litteratur17.
Avseende elektrokemiska egenskaper av SnO2 nanorör granskades olika aspekter av SnO2 nanorör i detalj. Till att börja med visas SnO2 nanorör i bildandet cykeln laddning och urladdning profil (figur 4en), som uppvisar stabil spänning profiler med en inledande coulombic effektivitet på 67,8%. Spänning platån, som finns på 0,9 V, kan hänföras till tvåfas reaktionen (konvertering reaktionen av SnO2 till Sn), liknande beskrivningar i tidigare verk9,20. Irreversibel bildandet av Li2O under konvertering reaktionen av SnO2, tillsammans med instabila bildandet av fasta elektrolyten interphase (SEI) lagrar, resulterade i en dåligt reversibel reaktion med Li i bildandet cykeln. SnO2 nanorör uppvisar stabil cykling på 500 mA g-1, med coulombic effektivitet över 98% (figur 4b). Rate funktionerna i SnO2 nanorör (figur 4c) presenteras också, där SnO2 nanorör behålla betydande kapacitet (> 700 mAh g-1) även vid en hög strömtäthet av 1000 mA g-1 . Dock behöver första oåterkalleliga kapacitetsförlust undersökas mer i detalj med i situ TEM metoder.
Sammanlagda visas karakteriseringar av grafen i figur 5. Figur 5 en visar Raman spectrumen av grafen syntetiseras på Cu folie. Förhållandet mellan jagg och I2D var 2,81, vilka matcher väl med förhållandet mellan enskiktslager grafen på polykristallin Cu substrat, vilket indikerar att enskiktslager grafen var syntetiseras. SEM-bild av överförda grafen på ett Au TEM rutnät visas i figur 5b, visar att täckningen av grafen var bra efter dess överföring till rutnätet Au TEM. TEM bilden och den motsvarande markerade området elektron (Isak) diffraktionsmönster av den överförda grafen visas i figur 5c, d. De sexkantiga diffraktion ställen visar grafen enskiktslager väl.
Tidsserier TEM bilder av GLCs visas i figur 6, som fångas från Filmen S1. När GLCs tillverkas väl, har de flera flytande fickor vars storlek sträcker sig från tiotals nanometer till hundratals nanometer, beroende på den lösning och nanopartiklar7,14. I detta experiment, med EG/DEC/FEC lösning och SnO2 nanorör, var storleken på flytande fickan 300-400 nm. Accelererande spänningen var 300 kV och elektronen strålar dosering 743.9 e–/Å2· s, vilket räcker för lithiation att gå vidare men inte för svår beam skador. Genom ständig electron beam bestrålning utlösa upplösta elektronerna och radikaler en sekundär reaktion med salt och vätska. Här, nedbrytning av elektrolyt och bildandet av ett SEI skikt observerades i det inledande skedet, överens med några av de tidigare rapporterade på reuslts6,7,8,9 ,21.
Figur 1 : Digital kamerabilder av electrospinning inställning och beredda SnO2 nanorör och elektrod. (en) Electrospinning, (b), SnO2 nanorör och (c), flytgödsel-cast elektroden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Digital kamerabilder visar grafen-överförs rutnät och tillverkning av grafen flytande celler. (en) syntetiseras enskiktslager grafen på Cu folie, (b) en Au TEM rutnät på Cu folie, (c) etsning processen av Cu folier i 0,1 M ammonium persulfatoxidation och (d) staplade Au rutnät inuti ett handskfacket. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Karakterisering av SnO2 nanorör innan deras inkapsling inuti bladet grafen. Dessa paneler visar (en) en SEM-bild, (b) en TEM bild och (c), Isak mönstret av SnO2 nanorör. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Elektrokemisk batteri cell testning av SnO2 nanorör. Dessa paneler visar (en) laddningen och urladdning profil, (b), cykel lagring egenskaper och funktioner för (c) graden av SnO2 nanorör. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 : Karakterisering av syntetiserade grafen. Dessa paneler visar (en) Raman spektrum, (b), SEM bilden, (c) TEM bild och (d), Isak mönstret av grafen enskiktslager. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 : Real-time TEM bilder av lithiation GLCs. Nedbrutet elektrolyt och bildandet av ett SEI skikt på ytan av en SnO2 nanotube observeras för 0 - 45 s. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Film S1. Lithiation av GLCs. Ytan av en SnO2 nanotube är visualiseras inuti flytande elektrolyt. Vänligen klicka här för att se denna video. (Högerklicka för att ladda ner.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 placeras snabbt innan vätskan har torkat. Under denna process, kan forskare skada det övre rutnätet eller placera den i fel position (dvsinte i mitten av botten rutnätet). Liknande skador som uppstår under överföringsprocessen, kommer detta lägre avkastningen av flytande celler. Mycket praktik med hantering TEM rutnäten behövs således, att vid upprepade tillfällen fabricera GLCs.
Det är viktigt att se till att flytgödsel-cast Cu folien helt har torkat innan cellen församlingen. Detta är viktigt eftersom förekomsten av vatten kan försämra prestandan cell. Dessutom bör slammet gjutas på Cu folien jämnt, så att lastning mängden aktiva material är liknande. Dessutom är det viktigt att hitta rätt plats för TEM observation, där vätskan är helt förseglad av grafen täcker och tillräckligt med vätska finns så att lithiation kan kontinuerligt ske. Även om forskare följt stegen som de demonstreras i protokollet, kommer de ofta Observera ofullständiga reaktioner och utarmning av flytande elektrolyt runt aktiva material. För att hitta rätt plats för TEM observation, bör forskarna belysa elektronstrålen i några sekunder och observera om det finns tillräckligt med vätska för ytterligare reaktion inträffa.
Begränsning av GLC tekniken med att observera lithiation är att dynamiken är möjlig endast på lithiation, inte delithiation. Eftersom lithiation inuti GLCs initieras av en elektronstråle och minskning av omgivande elektrolyt, kan inte motsatt oxiderande miljö realiseras. Detta är en begränsning jämfört med andra i situ TEM tekniker som kan gälla systemet, såsom en sveptunnelmikroskop (STM) bias-TEM innehavaren eller innehavarna av elektrokemi. Också, som två galler är kopplade och det övre rutnätet tas inte bort i detta experiment, aqueous lösningsmedel har mindre förmåga att hålla två nät ihop och organisk elektrolyt är därför att föredra.
GLCs ger stora framsteg på tre olika sätt. (1) de ger högupplösta imaging i en flytande elektrolyt som är knappast möjligt i andra i situ TEM plattformar. (2) de kräver inte inköp av en ytterligare i situ TEM innehavaren. (3) Dessutom kan olika typer av nanomaterial (t.ex. nanosheet, nanopartiklar och nanofiber) visualiseras inuti den flytande elektrolyten.
GLCs kan användas ytterligare uppmärksamma inte bara dynamiken i elektrodmaterial vid lithiation men, också sodiation (Na-jon-batterier), magnesiation (Mg-jon-batterier), potassiation (K-jon-batterier), och zink insättning (Zn-jon-batterier). Dessutom utöver nedbrytning av olika typer av elektrolyter, kan morfologiska förändringar av elektrodmaterial visualiseras släpper de GLC9,10. Vi förväntar oss att sådan information kommer att ge värdefulla insikter för ingenjörer som arbetar på att utforma avancerade sekundära ion batterier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
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
| 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).
