Summary
Burada, imalat ve in situ iletim elektron mikroskobu gözlem, bir sentez elektrot malzeme ve elektrokimyasal pil hücre testleri ile birlikte grafen sıvı hücre hazırlanması için bir iletişim kuralı mevcut.
Abstract
Bu çalışmada, biz elektrot malzeme ve iki grafen yaprak ve electrospinning kullanarak tek boyutlu nanoyapıların facile sentezi arasında organik sıvı elektrolit Kapsüllenen grafen sıvı hücreleri (GLCs), hazırlanması tanıtmak. GLC in situ iletim elektron mikroskobu (TEM) Elektrot malzemeleri lithiation dynamics için sağlar. Situ GLC-TEM görüntüleme ve lithiation için bir elektron ışını kullanarak sadece gerçekçi batarya elektrolitler, aynı zamanda çeşitli morfolojik yüksek çözünürlüklü görüntüleme kullanmak, faz ve interfacial geçişler.
Introduction
Son zamanlarda, enerji tüketimi sürekli, yanı sıra yüksek performanslı enerji depolama aygıtları önemi artmıştır. Böyle bir talep, yüksek enerji yoğunluğu var Lityum-iyon piller gelişimi karşılamak için dayanıklılık ve emanet olduğunu gerekli1,2. Pil ile üstün özellikleri geliştirmek için bir temel enerji depolama mekanizmaları akü işlemi sırasında temel3,4,5. anlaşılmasıdır
O piller3işlemi sırasında hem yapısal hem de kimyasal bilgi gösterebilir gibi in situ transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ilgili zengin bilgiler sağlar. Nanomalzemeler6,7,8,9,10,11 lithiation dinamikleri gözlem için birçok in situ TEM teknikleri arasında GLCs kullanılan ,12. GLCs TEM sütun6,7yüksek vakum içinde sıvı buharlaşma engelleyerek bir gerçek Elektrot/Elektrolit arabirim sağlayan iki grafen membranlar tarafından mühürlü bir sıvı cep oluşur. Onlar elektron şeffaf kalın Monatomik grafen membran13,14,15 mühürleme sıvı istihdam çünkü onlar bir üstün uzaysal çözünürlük ve Yüksek Karşıtlık görüntüleme izin GLCs avantajları ,16. Ayrıca, geleneksel TEM pahalı in situ TEM sahipleri kullanmadan pil reaksiyonlar gözlemlemek için geçerli olabilir.
Bu metin, biz nasıl lithiation reaksiyon GLCs. ile özel olarak gözlenen tanıtmak, elektron ışını ışınlama solvated elektron sıvı elektrolit içinde üretir ve Li iyonlarının çözücü molekülleri ayırarak lithiation başlatmak.
GLCs aynı zamanda Nanomalzemeler nano tanecikleri6,9, nanotüpler7,10,11, dahil olmak üzere çeşitli türleri morfoloji ile doğrudan gözlem izin ve hatta için en uygun platform olarak hizmet çok boyutlu malzemeleri12. Elektrokimyasal hücre test sonra elektrot malzemelerin ex situ TEM analizi ile birlikte, burada sunulan GLC sistemi temel tepki mekanizması araştırmak için kullanılabilir mümkündür.
GLCs ve ex situ deneyler gibi avantajları ile biz burada ayrıntılı deney yöntemleri benzer GLC deneyler yürütmek isteyen araştırmacılar için tanıtmak. İletişim kuralları 1) teneke (IV) oksit (SnO2) nanotüpler sentezi tipik tek boyutlu nanostructured Elektrot malzemeleri, 2 kapak) elektrokimyasal pil hücre testi, 3) GLC hazırlanması ve 4) gerçek zamanlı TEM performansını gözlem.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. SnO2 nanotüpler Electrospinning ve sonraki ısıl işlem17 tarafından sentezi
- Bir electrospinning çözüm hazırlamak.
- 1,25 g etanol ve dimethylformamide (DMF) Oda sıcaklığında (RT, 25 ° C) 1,25 g solvent karışımı teneke klorür dihydrate 0, 25 g geçiyoruz.
- Karıştırma için 2 h sonra polyvinylpyrrolidone (PVP) 0.35 g electrospinning ekleyin ve başka bir 6 h için karışımı ilave edin.
- Sn habercisi/PVP bileşik nanofibers bir electrospinning gerçekleştirin.
- Electrospinning çözüm hazır olduğunda, dikdörtgen yıkayın, esnek paslanmaz çelik (30 x 20,5 cm) ile (DI) su ve etanol 2 x - 5 x deiyonize ve 10 dk 60 ° C'de kuruması.
- Electrospinning çözüm şırınga bir tarafı engelleme ve electrospinning çözüm icar bir 10 mL şırınga aktarım akışı içine belgili tanımlık tenkıye.
- 25 G iğne şırınga için bağlayın.
Not: İğneler, 23 G ve 17 G iğneler gibi diğer türleri de kullanılabilir. Bu protokol için 25 G iğne çift iğne kullanılır. - Kurutulmuş esnek paslanmaz çelik bant ile davulcu düzeltmek.
- Electrospinning denetleyicisi yazılımını açın ve electrospinning parametreleri girin (akış hızı: 5-20 µL·min-1, çözüm toplam miktarı: 3-15 mL) electrospinning cihazın düzgün çalışması için.
Not: Burada, en iyi akış hızı 10 µL·min-1 ve 5 mL çözüm toplam tutardır. - Şırınga ile 25 G iğne electrospinning cihazın içine düzeltmek ve bant ile ardından, düzeltebilirim.
- Electrospinning çözüm de 25 G iğne ile akar kadar electrospinning önce şırınga toplayıcı doğru basın. İğne ucu da toplayıcıya bağlı çift uçlu timsah klipleri bağlanın.
- Silindir (100 rpm) rulo ve electrospinning bilgisayar programı bilgisayar yazılımı başlatmak.
- Uygulanan gerilim electrospinning işleminin çalışmasına Taylor koni electrojetting izin vermek için 10-25 kV arasında bir gerilim önyargı (Şekil 1bir) kullanarak modüle.
Not: En iyi uygulanan gerilim 16 burada kV.
- Sn habercisi/PVP bileşik nanofibers calcination gerçekleştirin.
- Electrospinning işlemi bittiğinde, olarak bükülmüş nanofibers esnek paslanmaz çelik jiletle kazıma ve bir aliminyum kutu aktarmak.
- Alümina kutusu kutusu fırın ekleme ve kutu fırın için ısıl işlem koşulları ayarlama: 600 ° C veya 700 ° C ile 10 ° C·min-1bayiliği oranında 1 h için.
- Calcination sonra fırını 50 ° c sakin ve ardından calcined örnekleri (yani, SnO2 nanotüpler) şişe cam (Şekil 1b) aktarın.
2. elektrokimyasal pil hücre testi
- Elektrot hazırlayın.
Not: Elektrot Bulamaç 10 wt % binder, 10 wt % karbon siyah ve 80 wt % (Bu durumda, SnO2 nanotüpler) etkin malzemelerin oluşur. Bulamaç ve bulamaç her madde bileşimi miktarı ayarlanabilir.- 10 cm genişliği x 30 cm uzunluk içine bakır (Cu) folyo kesim ve etanol kullanarak, bir dikdörtgen cam alt katman üzerinde (25 x 15 x 0.5 cm) tamir.
- Karbon siyah 0,02 g, polyacrylic asit (35 wt %) 0,027 g ve 0,166 g carboxymethyl selüloz (6 wt %) bir pota içinde karıştırın. Homojen bir karıştırma için sağlamak için pota içine üç ila altı damla deiyonize (DI) su ekleyin.
- SnO2 nanotüpler 0,16 g pota ekleyin. Daha sonra 3-8 DI su damlaları bir homojen karıştırma için sağlamak için pota içine ekleyin.
- Tüm malzemeyi pota Bulamaç de Cu folyoyu artığını yeterince yapışkan olduğundan emin olmak 30 dk için zemin.
- Elektrot Bulamaç iyi hazırlanmış, bulamaç Cu üst tarafındaki cam alt katman üzerinde folyo ve eşit olarak döküm yer bir döküm merdane kullanıyorsunuz.
Not: Genellikle, bulamaç kalınlığı 60 µm ancak daha fazla veya daha az olabilir. - Bulamaç enjeksiyon Cu kuruması için 10 dk 60 ° C'de folyo ve pil hücre derleme önce plastik torba mühür.
Not: Resim 1cBulamaç enjeksiyon Cu folyo görülebilir.
- Pil hücreleri bir araya getirin.
- Isı konveksiyon fırın 150 ° C. O zaman, bulamaç enjeksiyon Cu folyo fırın içine yer.
- Konveksiyon fırın tarafından Cu folyo oksidasyonunu kaçınırken Bulamaç kalan solvent kurumaya döner pompalar ile boşluğu doldurmak.
- 2 h için 150 ° C'de Bulamaç enjeksiyon Cu Isıtma sonra folyo, konveksiyon fırın hava ile vakum hattı kapatma ve havalandırma satır içinde döner pompa odası açmak için açma tarafından yeniden doldurmak.
- Bulamaç enjeksiyon Cu folyo odadan ve bir daire zımba ile yumruk atın (yumruk çapı: 14 mm). Delikli Bulamaç enjeksiyon Cu folyo tartmak ve alt batarya hücre yerleştirin.
- Yarım bir hücre pil hücreleri montaj için kullanın. Bulamaç enjeksiyon Cu koyduktan sonra batarya hücre alt folyo, örnekleri torpido antichamber için transfer.
- Antichamber 30 dk için vakum ve ardından örnekleri iç aktarın torpido.
- Pil hücreleri aşağıdaki sırada araya: alt batarya hücre, bulamaç enjeksiyon Cu folyo, ayırıcı, conta, bahar, rondela ve en iyi batarya hücre. Ayırıcı batarya hücre attı elektrolit bırak.
- Batarya hücre bir kompaktör tarafından tam batarya hücre sıkıştır. Sonra torpido gözünde antichamber elektrokimyasal testler için pil hücreleri taşıyın ve pil hücreleri torpido dışarı çekeceğiz.
- Açık devre gerilimi (OCV) tarafından bir dijital multimetre ölçmek ve 1-2 d pil hücre RT, Yaş.
- Elektrokimyasal pil hücre sınayın.
- Cu ağırlığını çıkararak etkin malzemeleri ağırlığını hesaplamak bu Bulamaç enjeksiyon Cu folyo folyo ve etkin malzeme bölümü tarafından bölme.
- Hangi batarya hücre akım yoğunluğu (mA·g-1) çarparak çalıştırılması etkin malzeme ağırlık ile gerekiyor geçerli hesaplamak.
- Elektrokimyasal pil hücre pil hücre tester eklemek. (Oluşumu döngüsü ve döngüsü testleri ve oranı yetenekleri için 10,0 A·g-1 0.1 A·g-1 aralığında çeşitli akım yoğunluğu için 0,05 A·g-1 için karşılık gelen) akım pil hücre Sınayıcısı'nı kullanma her pil hücre için geçerli program.
- Her pil hücre için farklı akımları çeşitli akım yoğunluğu test uygulanır.
3. Graphene sıvı hücre hazırlanması
- Grafin kimyasal buhar biriktirme (CVD) tarafından sentez.
- Cu folyo kesim (saflık: % 99.9, kalınlığı: 0.0125 mm) 10 x 3 cm bir boyut ile parçalara makasla.
- Cu bir cam Petri kabına adım 3.1.1 izopropil alkol (IPA) toz ve kirleri çıkarmak ve 20 wt % fosforik asit (H3PO4) Cu folyo yüzeyi yerli oksit kaldırmak 20 dk için 100 mL ile tedavi ile folyo durulama. O zaman, Cu folyo DI su tamamen durulama kalan H3PO4başka bir 10 dakika içinde bir yer.
- Kuvars tüp için hareket Cu folyo (dış çap: 40 mm, iç çapı: 36 mm) CVD ekipman.
- Döner pompa çalıştırmak ve vakum seviyesi altında 2 x 10-3 Torr tamamlanana kadar bekleyin. Sonra oksijen ve nem CVD kuvars tüp içinde tamamen kaldırmak için 150 ° c sıcaklık yükseltmek.
- Sıcaklık 1000 ° c H2 gaz akışı 40 min 10 sccm ile RT yükseltmek. Cu folyo tavlamak için başka bir 40 dakika için oda sıcaklığını korumak.
- 300 ° C'de 60 sccm CH4 gaz 25 dk. serin aşağı dik dönüş CH4 CVD odasına ve H2 gazlar üzerinde Kapat
- Cu folyo (Şekil 2bir) CVD odasından alıp bir desiccator devam.
- Grafin aktarın.
- Plazma gravür grafen Cu folyo ters olarak kaldırmak için bir plazma temizleyici ile aşağıdaki ayarları kullanarak gerçekleştir: Ar (Toplam 100 sccm), akışının bir saat (60 s), (Toplam 30 W), güç ve bir temel baskısı (5.0 x 10-2 Torr).
- Cu folyo ile adım 3.1-3 x 3 mm makasla sentezlenmiş grafen kes. Cu folyo alin arasında iki slayt gözlük ve onları düz yapmak için tuşuna basın.
Not: Dört Cu folyo adet birlikte iki slayt gözlük arasında yer alıyor. - Delikli karbon Au ızgaralar (300 mesh, R2/2) Cu folyo (Şekil 2b) her parçasının üzerine yerleştirin. IPA 20 µL Au kılavuz/Cu folyo üzerinde bırakın.
- Döner pompa için bağlı bir micropipette ucu ile emme IPA. Sonra emme, 5 min için 50 ° c Au kılavuz/Cu folyo kuru.
- Cu gravür folyo 10 ml 0.1 M amonyum Persülfat 6 h 6 cm cam Petri kabına (Şekil 2c) için kuralları.
Not: Cam Petri yemekler Si parçacıkların kirlenmesini önlemek amacıyla kullanmak için önceden IPA ve DI su ile temizlenmesi gerekir. - Au Izgaralar bir Pt ile döngü ve hareket ettirmek o bir cam Petri kabına kepçe tam etchant16' dan kalan herhangi bir kirletici kaldırmak için 50 ° C'de DI suyla dolu.
- Au ızgaralar DI sudan kepçe ve kuru onları 6 h RT ve atmosferik basınç için.
- GLCs imal.
- Elektrolit ve nanotüp karışımı hazırlayın. Etilen karbonat (EC) ve diethylene karbonat (DEC) (3:7 hacim oranı) ile fluoroethylene karbonat (FEC) 10 wt % 0,06 g nanotüp tozu elektrolit, 1.3 M Lityum hexafluorophosphate (LiPF6) oluşan 10 ml dağıtmak.
Not: Elektrolit bileşimi bir elektrokimyasal pil hücre testinde kullanılan aynıdır. Çeşitli elektrolit GLCs, 1 M LiPF6 EC, ara, çözünmüş ve dimetil karbonat (DMC) gibi bir hacimsel oranı 1 istihdam edilebilir: 1:1, 1 M sodyum hexafluorophosphate (NaPF6), çözünmüş EC, 1 M Sodyum perklorat (NaClO / 4) FEC, magnezyum bis(trifluoromethanesulfonimide) (MgTFSI) diglyme 0.1 M ve 1 M 5 wt % ile polietilen karbonat (PC) NaClO4 PC içinde çözünmüş. - Grafin transfer Au ızgaralar ve elektrolit karışımı Ar. ile dolu bir eldiven kutusuna taşımak
- Place bir grafen transfer Au kılavuz üstünde belgili tanımlık dip. Elektrolit karışımı 20 µL alt ızgara üzerinde bırakın.
- Bir cımbız grafen transfer başka bir kılavuzla tutun ve alt ızgara üstüne yerleştirin.
Not: Bu yordam elektrolit (Şekil 2d) kuruduktan önce hızlı bir şekilde yapılmalıdır. - Örnek torpido o kurur olarak sırasında sıvı kendiliğinden iki grafen çarşafların arasında kapsüllenir 30 dk içinde kuru.
Not: Ne kadar iyi grafen transfer edildi ve ne kadar iyi üst kılavuz yerleştirilir sıkışmışlık sıvı miktarı bağlıdır.
- Elektrolit ve nanotüp karışımı hazırlayın. Etilen karbonat (EC) ve diethylene karbonat (DEC) (3:7 hacim oranı) ile fluoroethylene karbonat (FEC) 10 wt % 0,06 g nanotüp tozu elektrolit, 1.3 M Lityum hexafluorophosphate (LiPF6) oluşan 10 ml dağıtmak.
4. performans gösteren gerçek zamanlı TEM
- Geleneksel bir tek-tilt TEM tutucu üzerinde yük GLCs.
- GLC örnek (iki ekli grafen transfer Au ızgaralar) yer tek-tilt TEM tutucu üzerinde.
- İki ızgaralar mükemmel dizilir değil, GLC örnek TEM tutucuya sığmayacak. Bu durumda, Au Izgaralar bir tıraş bıçağı ile kenarını kesmiş.
- GLC örnek üzerinde TEM sahibi monte sonra TEM içindeki TEM kutusunda koymak ve dikkatli bir şekilde vakum seviyesini kontrol edin.
- Gerçek zamanlı TEM videoları kaydetmek.
- Nerede SnO2 nanotüp sıvı elektrolit ile kapsüllenir bölgesini bulun.
Not: sıvı SnO2 nanotüp var olup bulmak için bir kaç saniye için bir elektron ışını ışınlatayım. Biraz hareket sıvı veya bir elektrolit ayrışma gözlem yapılırsa alan sıvı ile kapsüllenir görüneno ki. - Hizalama için TEM yapın ve elektron ışını doz parlaklık topuzu ayarlayarak reaksiyonu başlatmak için ayarlayın.
Not: TEM için uygun hizalamayı Z yüksekliğinde hizalama, silah tilt/shift, ışın tilt/shift, diyafram hizalama ve stigmation hizalama gibi Kullanıcı hizalama içerir. Bu işlemleri daha iyi (yanlarında bulunan 4.2.1. adımda bulunan değil) başka bir alanda yapılır sırada SnO2 nanotüp ve sıvı elektrolit herhangi bir zarar vermek değil. Lithiation başlatmak için elektron ışını dozu genellikle oranıdır ~ 103e-/Å2· s, ama her TEM aletle farklı olabilir. - Şarj kuplajlı cihaz (CCD) kamera üreticisinin yönergeleri doğrultusunda ve mikroskopi programı çalıştırın.
- Yüksek tanımlı (HD) video penceresinin üzerinde kayıt düğmesine basın ve GLC örneğinde meydana gelen tepki kaydedin.
- Nerede SnO2 nanotüp sıvı elektrolit ile kapsüllenir bölgesini bulun.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
SnO2 nanotüpler electrospinning ve sonraki calcination sırasında nanotubular ve gözenekli yapıları açıkça, SEM göre resmi (resim 3bir) görülebilir, fabrikasyon. Sn habercisi çekirdek dışa nedeniyle Kirkendall etkisi17,18taşındı iken böyle bir nanotubular yapı PVP, ayrışma gelir. Ayrıca, olgunlaşma Ostwald SnO2 nanogains19artış kaynaklanan Kirkendall etkisi ek olarak ortaya çıkar. TEM görüntü (resim 3b) gözenekli bu sitelerin görsel olarak açık, daha fazla SnO2 nanotüpler içinde beyaz lekelerin bir sayıyla gösterir. SnO2 kristal yapılarının polikristalin elbait (Şekil 3c), önceden yayınlanmış edebiyat17uyarınca yapılardır.
SnO2 nanotüpler elektrokimyasal özellikleri açısından SnO2 nanotüpler çeşitli yönleri ayrıntılı olarak incelenmiş. Başlangıç olarak, SnO2 nanotüpler oluşumu döngüsünde şarj ve deşarj profil (Şekil 4bir), hangi %67.8 bir ilk coulombic verimliliği ile istikrarlı gerilim profilleri sergileyen gösterilir. 0,9 V var, gerilim Yaylası iki aşamalı reaksiyon (SnO2 Sn için dönüşüm reaksiyonu), atfedilen önceki işleri9,20açıklamasında benzer. Li2O geri dönüşü olmayan oluşumu SnO2' nin katı elektrolit Interphase (SEI) katman kararsız oluşumu ile birlikte dönüşüm reaksiyonu sırasında kötü tersinir bir reaksiyon oluşumu döngüsünde Li ile sonuçlandı. SnO2 nanotüpler 500 mA g-1, % 98'i (Şekil 4b) yukarıda coulombic verimliliği ile istikrarlı Bisiklete binme sergi. SnO2 nanotüpler (Şekil 4c) oranı yeteneklerini de, nerede SnO2 nanotüpler önemli kapasitesi (> 700 mAh g-1) tutmak bile bir yüksek akım yoğunluğu 1000 mA g-1 sunulmaktadır . Yine de, ilk geri dönüşü olmayan kapasite kaybına daha in situ TEM yöntemleri kullanarak ayrıntılı olarak incelenmesi gereken.
Genel olarak grafen karakterizasyonu Şekil 5' te gösterilmektedir. Şekil 5 Cu folyoyu sentezlenmiş grafen Raman spektrumu gösterir. Ben arasındaki orang ve2D 2,81, polikristalin Cu substrat üzerinde monolayer grafen oranında iyi o monolayer grafen sentezlenmiş gösteren hangi maçlar oldu. Bir Au TEM ızgara üzerinde aktarılan grafen SEM görüntüsü Şekil 5bgrafen kapsama Au TEM kılavuza onun transferden sonra iyi olduğunu gösteren, gösterilir. TEM görüntü ve transfer edilen grafen karşılık gelen seçili alan elektron kırınım (SAED) desen Şekil 5c, diçinde gösterilir. Altıgen kırınım noktalar monolayer grafen de gösterir.
Zaman serileri TEM GLCs görüntülerini Şekil 6' da, Film S1esir gösterilir. GLCs de cihazlarında, onlar nanometre, çözüm ve nano tanecikleri7,14bağlı olarak yüzlerce nanometre onlarca arasında olan boyutları değişir birden fazla sıvı cepler vardır. EC/DEC/FEC çözüm ve SnO2 nanotüpler, kullanarak bu deneyde, 300-400 nm sıvı cep büyüklüğündeydi. Hızlanan gerilimi 300 olduğunu kV ve Elektron beam dozaj 743.9 e-/Å2· devam etmek lithiation için ancak şiddetli ışın zarar için yeterli s. Sürekli elektron ışını ışınlama ile çözünmüş elektron ve radikaller tuz ve solvent ile ikincil bir tepki tetikler. Burada, elektrolit ayrışma ve bir SEI katmanı oluşumu gözlendi ilk aşamada sözleşmesinde bazı daha önce raporlanmış ile reuslts6,7,8,9 ,21.
Resim 1 : Dijital kamera görüntülerini electrospinning kurulum ve hazırlanan SnO2 nanotüpler ve elektrot. (bir) Electrospinning, (b) SnO2 nanotüpler ve (c) Bulamaç enjeksiyon elektrot. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 : Dijital kamera görüntülerini grafen transfer kılavuz ve graphene imalatı sıvı hücreleri gösteren. (bir) Cu folyo, (b) bir Au TEM kılavuz Cu folyo, (c) Cu folyo gravür sürecinin 0.1 M amonyum üzerine üzerinde sentezlenmiş monolayer grafen Persülfat ve (d) Au Izgaralar bir torpido içinde yığılmış. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 : SnO2 nanotüpler grafen sayfası içinde onların kapsülleme önce karakterizasyonu. Bu paneller (bir) bir SEM görüntüsü, (b) bir TEM görüntü ve (c) SnO2 nanotüpler SAED desenini gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4 : Elektrokimyasal pil hücre SnO2 nanotüpler testi. Bu paneller (bir) şarj göstermek ve profil, (b) döngüsü tutma özellikleri ve SnO2 nanotüpler (c) oranı yetenekleri deşarj. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5 : Sentezlenmiş grafen karakterizasyonu. Bu paneller (bir) Raman spektrumu, (b) (c) SEM görüntü TEM görüntü ve (d) monolayer grafen SAED desenini gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6 : Gerçek zamanlı TEM görüntüleri GLCs lithiation sürecinin. Ayrıştırılmış elektrolit ve bir SEI katmanı bir SnO2 nanotüp yüzeyine oluşumu için 0 - gözlenen 45 s. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Film S1. GLCs Lithiation. SnO2 nanotüp yüzeyine sıvı elektrolit içinde görüntülenir. Bu videoyu izlemek için lütfen buraya tıklayın. (İndirmek için sağ tıklatın.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
İletişim kuralına kritik adımlar vardır. Öncelikle, TEM ızgara üzerine grafen transferini araştırmacıların dikkat gerekir. Izgaralar cımbızla başa ve herhangi bir kılavuz, örneğin çerçeve bükme veya şekilsiz karbon membran yok zarar vermemesi önemlidir. Bu tür zararların zavallı grafen kapsamýnda neden ve sıvı cepler sayısını etkiler. Ayrıca, üst kılavuzunda yer alan doğru konuma yerleştirerek önemlidir. Önce sıvı kurudu iletişim kuralında açıklandığı gibi üst kılavuz hızlı bir şekilde yerleştirilmelidir. Bu işlem sırasında araştırmacılar üst kılavuz zarar veya yanlış konumda (yani, alt kılavuz merkezinde değil) yerleştirin. Benzer şekilde aktarım işlemi sırasında oluşan herhangi bir zarardan, bu sıvı hücreleri verimini düşürür. Böylece, TEM ızgaralar işleme ile çok pratik art arda GLCs imal etmek gereklidir.
Bulamaç enjeksiyon Cu folyo hücre derleme önce tamamen kuruduktan emin olmak önemlidir. Bu önemli çünkü su varlığı genel hücre performansı düşürebilir. Etkin malzeme yükleme miktarı benzer olması ayrıca, bulamaç Cu folyoyu düzgün, döküm. Ayrıca, nerede sıvı grafen sayfaları tarafından tamamen mühürlü ve lithiation sürekli olarak yer alabilir böylece yeterli sıvı var TEM gözlem için doğru yeri bulmak önemlidir. İletişim kuralında gösterildiği araştırmacılar izlemek belgili tanımlık merdiven olsa bile, onlar genellikle eksik reaksiyonlar ve etkin malzemeleri çevresinde sıvı elektrolit tükenmesi uyacaktır. TEM gözlem için doğru yer bulmak için araştırmacılar elektron ışını bir kaç saniyeliğine aydınlatmak ve yeterince sıvı tepki ortaya daha da var olup olmadığını gözlemlemek gerekir.
GLC tekniği lithiation gözlemleyerek ile sınırlandırılması dinamikleri sadece lithiation, değil delithiation mümkün olmasıdır. GLCs içinde lithiation bir elektron ışını ve çevresindeki elektrolit azaltılması tarafından başlatıldığı için ters oksitleyici çevre fark edemez. Bu önyargı tarama tünel mikroskop (STM) gibi sistem uygulayabilirsiniz diğer in situ TEM teknikleri ile karşılaştırıldığında bir kısıtlamadır-TEM sahibi veya elektrokimya sahipleri. Ayrıca, iki ızgaralar eklenir ve üst kılavuz bu deneyde kaldırılmaz, iki ızgaralar birlikte hareket yeteneği daha az sulu çözücüler var ve organik elektrolit bu nedenle tercih edilir.
GLCs üç farklı yolla önemli gelişmeler sağlar. 1) onlar diğer in situ TEM platformlarda neredeyse ulaşılabilir bir sıvı elektrolit yüksek çözünürlüklü görüntüleme sağlar. 2) onlar bir ek in situ TEM sahibi satın gerekmez. 3) Ayrıca, çeşitli Nanomalzemeler (örneğin, nanosheet, nanopartikül ve nanofiber) sıvı elektrolit içinde görüntülenir.
GLCs daha fazla sadece dynamics lithiation aynı zamanda, sodiation (Na-iyon piller), üzerine elektrot malzemelerin gözlemlemek için kullanılan magnesiation (Mg-iyon piller), potassiation (K-iyon piller) ve çinko (Zn-iyon piller) ekleme. Ayrıca, çeşitli elektrolit ayrıştırma, elektrot malzemelerin morfolojik değişiklikler içinde GLC9,10görüntülenmeyecektir. Biz bu bilgileri gelişmiş ikincil iyon piller tasarlama üzerinde çalışan mühendisler için değerli bilgiler sağlayacaktır bekliyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu eser Ulusal Araştırma Vakfı, Kore (NMG tarafından) desteklenmiştir, No 2014R1A4A1003712 vermek (BRL programı), Kore CCS R & D Center (KCRC) vermek (No (Bilim Bakanlığı, ICT ve gelecek planlama) Kore hükümeti tarafından finanse NRF-2014M1A8A1049303), 2016 yılında (Bilim Bakanlığı, ICT ve gelecek planlama) Kore hükümeti tarafından finanse KAIST End-Run bir hibe (N11160058), giyilebilir Platform malzemeleri teknoloji Center (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), bir ulusal araştırma Kore (NMG) Grant (NMK-2017H1A2A1042006-Global doktora burs programı), Kore hükümeti tarafından finanse temeli (MSIP; Kore hükümeti tarafından finanse edilen bir Ulusal Araştırma Vakfı, Kore (NMG) hibe Bilim, ICT ve Gelecek Planlama Bakanlığı) (NMK-2018R1C1B6002624), Nano· Malzeme teknolojisi geliştirme programı aracılığıyla Ulusal Araştırma Vakfı, Kore (Bilim Bakanlığı ve bir ICT ve gelecek planlama (2009-0082580) ve (MSIP; Kore hükümeti tarafından finanse NMG grant tarafından finanse edilen NMG) Bilim, ICT ve Gelecek Planlama Bakanlığı) (NMK-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).
