Yöntem makalesi

Sinkrotron Radyasyon Teknikleri Kullanarak Lityum İyon ve Sodyum iyon piller için elektrot Malzemelerin Karakterizasyonu

DOI:

10.3791/50594

⸱

11 Kasım 2013

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Environmental Energy Technologies Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2Department of Chemistry, University of Illinois at Chicago, 3Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, 4Haldor Topsøe A/S, 5PolyPlus Battery Company

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biz Sinkrotron X-ışını soğurma spektroskopisi (XAS) ve X-ışını kırınımı Li-ion ve Na-ion piller için elektrot malzemeleri intercalation / deintercalation süreçlerin detaylarını prob (XRD) teknikleri kullanımını tanımlamak. In situ ve ex-situ deneyler cihazların çalışması için gerekli yapısal davranışını anlamak için kullanılır hem de

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gibi geçiş metali oksitleri ya da fosfatlar gibi intercalation bileşiklerinin Li-ve iyon Na iyon pil en yaygın olarak kullanılan elektrot malzemelerdir. Ekleme ya da alkali metali iyonlarının çıkarılması sırasında bileşiklerinde geçiş metallerinin redoks durumları değiştirebilir ve bu faz geçişleri ve / veya kafes parametre arttıkça veya azaldıkça yapısal dönüşümleri meydana gelir. Sırayla bu davranışlar gibi potansiyel profilleri, hızı yetenekleri ve çevrim yaşamları gibi pillerin önemli özelliklerini belirlemek. Sinkrotron ışınımı tarafından üretilen son derece parlak ve ayarlanabilir x-ışınları bu süreçler hakkında bilgi sağlayan yüksek çözünürlüklü verilerin hızlı bir şekilde alınmasını sağlayacak. X-ışınları soğurma spektroskopisi (XAS) yerel elektronik ve geometrik yapıları (redoks devletler örneğin değişiklikler ve bağ hakkında bilgi verir iken bu tür faz geçişleri gibi dökme malzemeler, dönüşümler, doğrudan, X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak görülebilir lBu malzemelerin, elektrokimyasal ve yapısal özellikleri arasında doğrudan bir ilişki sağlamak için uzunluklarının). yapan hücreleri üzerinde gerçekleştirilen in situ deneylerde yararlıdır. Bu deneyler, zaman alıcıdır ve sebebiyle yarı-hücre konfigürasyonları kullanılan alkali metal anodlarının reaktivite ve hava-duyarlılık tasarımı zor ve / veya diğer hücre bileşenleri ve donanım sinyal girişim olasılığı edilebilir. Bu nedenlerden ötürü, bazı durumlarda (örneğin, kısmen yüklü ya da döngüsü hücrelerinden hasat elektrodlardaki) ex-situ deneyleri yürütmek için uygundur. Burada, biz sinkrotron radyasyon içeren deneyler için hem de ex-situ ve in situ örneklerinde hazırlanması için ayrıntılı protokoller sunmak ve bu deneyler yapılır nasıl gösterilmektedir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tüketici elektroniği için lityum iyon piller şu anda dünya çapında 11 milyar dolarlık pazar komuta ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) ve bu plug-in hibrid elektrikli araçlar (PHEVs) ve elektrikli araçlar (AGH) gibi gelişmekte olan araç uygulamaları için ilk tercihtir. Yerine lityum dışında sodyum iyonlarını kullanarak bu cihazlara analogları daha önceki gelişim aşamalarında olduğu, ancak büyük ölçekli enerji depolama maliyet ve arz güvenliği argümanlar 1, 2 dayalı (yani ızgara uygulamaları) için çekici olarak kabul edilir. Alkali metal iyonları farklı potansiyelleri yerleştirme işlemlerine tabi konak yapılar gibi davranan iki elektrot arasında mekik; Hem ikili ardalanmasından sistemleri aynı ilke çalışır. Kendilerini rel edilir, elektrokimyasal hücrelerinrin basit, genellikle organik çözücülerin bir karışımı (Şekil 1) içinde çözülmüş bir tuzundan oluşan bir elektrolitik solüsyon ile doyurulmuş bir gözenekli zar ile ayrılmış akım kollektörü, kompozit pozitif ve negatif elektrot içeren. Grafit ve LiCoO 2 lityum iyon piller için, sırasıyla, en sık kullanılan pozitif ve negatif elektrotlar vardır. , Çeşitli alternatif elektrot malzemeleri de resmetmek 2 O 4 spinel, olivin yapı ile LiFePO 4 varyantları da dahil olmak üzere, özel uygulamalar için geliştirilmiştir ve NMCs pozitif ve sabit karbondan için (bu sırada Co Mn 1-2x O 2 bileşikleri, x x) Li 4 Ti 5 O 12 ve negatifler 3 için kalay ile lityum alaşımları. Lini 0,5 Mn 1,5 O 4 gibi yüksek gerilim malzemeleri gibi katmanlı katmanlı kompozitler (örn. XLI 2 MnO 0.5 sub> 3 · (1-x) Limn Ni 0.5 O 2), redoks eyalette birden değişikliklere uğrarlar ve Li-Si alaşım anotlar başarıyla konuşlandırılmış ise, gerektiği, şu anda yoğun bir araştırma konusudur edebilir ve geçiş metalleri ile bileşikler ayrıca lityum iyon hücre pratik enerji yoğunluğu yükseltmek. Geçiş metal oksitler, sülfürler, veya florürler, tersine çevrilebilir, metalik element ve bir lityum tuzu indirgenir hangi dönüşüm elektrot olarak bilinen malzemelerin diğer bir sınıfı, (temel anotları yedek olarak) pil elektrotları olarak kullanım için de değerlendirilmektedir 4. Sodyum üzerinde tabanlı cihazlar için, sabit karbon, alaşımlar, NASICON yapıları ve titanatların katot olarak anot ve çeşitli geçiş metal oksitler ve polianiyonik bileşikler olarak kullanılmak üzere araştırılmaktadır.

Lityum iyon ve sodyum iyon piller sabit kimyaları dayalı değildir, çünkü onların performans özellikleri oldukça t bağlı olarak değişiro istihdam olduğunu elektrotlar. Elektrotların redoks davranışını potansiyel profilleri, oran yetenekleri ve cihazların döngüsü hayatını belirler. Geleneksel toz X-ray difraksiyonu (XRD) teknikleri saf malzeme ve sağlanıncaya elektrodlardaki ex-situ ölçümün ilk yapısal karakterizasyon için de kullanılabilir, ancak bu tür düşük sinyal gücü ve verileri toplamak için gerekli olan nispeten uzun süreler gibi pratik hususlar bilgi miktarını sınırlamak Bu şarj ve deşarj işlemleri ile elde edilebilir. Buna karşılık, sinkrotron radyasyon yüksek parlaklık ve kısa dalga boyları yüksek kapasiteli görüntü dedektörleri, örneklerinde yüksek çözünürlüklü veri izni edinme kullanımı ile kombine (Stanford Sinkrotron Radyasyon LIGHTSOURCE en ışın hattı 11-3 örn. λ = 0.97 Å), kadar az sn 10 gibi. yerinde çalışmada ücret geçiren hücre bileşenleri iletim modunda gerçekleştirilen ve hermetik deşarjaveri elde etmek için çalışmayı durdurmak zorunda kalmadan X-ışınları şeffaf poşetler,. Bunun bir sonucu olarak, elektrot yapısal değişiklikler, hücre döngü olarak "zamanında anlık" olarak görülebilir, ve çok daha fazla bilgi, geleneksel tekniklerle göre elde edilebilir.

X-ışınları soğurma spektroskopisi (XAS), bazen X-ışını Soğurma İnce Yapı (XAFS) malzemelerin yerel elektronik ve geometrik yapısı hakkında bilgi verir olarak anılacaktır. XAS deneylerde, foton enerji araştırma altındaki belirli elemanlarının karakteristik absorpsiyon kenarlarına ayarlanmıştır. En sık pil malzemeler için, bu enerjilerin ilgi konusu geçiş metallerinin K-kenarları (1s orbitaller) tekabül etmektedir, ancak yumuşak XAS deneyler O ayarlı, F, C, B, N ve birinci satırın L 2,3 kenarları Geçiş metalleri bazen ex-situ numuneler 5 yürütülmektedir. XAS deney tarafından oluşturulan spektrumu çeşitli dist ayrılabilirfarklı bilgiler içeren hemen başlatmasından bölgeleri, (Newville, M., XAFS Temelleri, bakınız http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf ). Ana özelliği, emme kenarı oluşan ve yaklaşık 30-50 eV ötesine uzanan Kenar Yapısı civarında X-ışını Soğurma (XANES) bölge ve devletler Devamlılıkta iyonizasyon eşiğini gösterir. Bu durum, emme oksidasyon durumuna ve koordinasyon kimyası ile ilgili bilgileri içerir. Spektrumunun yüksek enerji kısmı Genişletilmiş X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) bölge olarak bilinen ve atılan fotoelektronun kapalı komşu atomlar saçılmasına karşılık gelir. Bu bölgenin Fourier analizi gibi bağ uzunlukları ve numaraları ve komşu iyonlarının türleri gibi kısa menzilli yapısal bilgi verir. Preedge characterist aşağıda özellikleriBazı bileşiklerin ic emme enerjileri bazen görünür. Bu sekizyüzlü geometriler için bağlı eyaletleri veya tetrahedral olanlar dipol izin yörünge melezleme etkileri boşaltmak için dipol yasak elektronik geçişler kaynaklanan ve genellikle emici iyonu (mesela tetrahedrally veya oktahedral olup) yerel simetri korelasyon edilebilir 6..

XAS ilk redoks durumları saptamak için bu tür NMCs gibi karışık metal sistemleri okuyan ve bu geçiş metali iyonları delithiation ve lityasyon işlemleri sırasında redoks geçmesi için özellikle yararlı bir tekniktir. Birkaç farklı metaller ile ilgili veriler tek bir deneyde hızlı bir şekilde elde edilebilir ve yorumlama oldukça basittir. Bunun aksine, Mössbauer Spektroskopisi pil malzemeler (temel olarak, Fe, Sn) kullanılan, sadece birkaç metaller ile sınırlıdır. Manyetik ölçümler ayrıca oksidasyon durumlarını belirlemek için kullanılabilir iken, manyetik bağlantı etkileri komplikasyonlar olabilirözellikle, NMCs gibi karmaşık oksitler te yorumlanması.

Iyi planlanmış ve idam situ ve ex-situ Sinkrotron XRD ve XAS deneyler tamamlayıcı bilgi vermek ve bir daha tam bir resim konvansiyonel teknikler ile elde edilebilir olandan akü normal çalışma sırasında elektrot malzemesi meydana yapısal değişikliklerin biçimlendirilmesine izin. Bu da, cihazların elektrokimyasal davranışı yöneten ne daha iyi anlaşılmasını sağlar.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1.. Deney planlaması

  1. Ilgi kiriş denemeler tanımlayın. Kılavuzları olarak kiriş hattı web sayfalarına bakın. SSRL XAS ve XRD, bunlar için are: http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-1/ and http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-3/ and http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl11-3/
    1. Kiriş hattı bilim adamı başvurun ve deney ayrıntılarını görüşmek.
  2. Ilgili web sitesine giderek tarihleri ​​ve teklif gereksinimlerini kontrol edin.
  3. Kiriş zaman teklifi yazmak ve göndermek.
  4. Öneri, program kiriş zaman attı sonra.
  5. Işın zaman hazırlanmak için tesis tarafından sağlanan yönergeleri izleyin. Deney, t ayrıntılarını düşününve ekipmanları, ve herhangi bir güvenlik kaygıları (özellikle alkali metaller içeren cihazlar) malzemelerin ransport. Güvenlik eğitimi genelde yeni kullanıcılar için gereklidir.

2. Malzeme, Elektrotlar ve hücrelerin hazırlanması

  1. Sentez veya ilgi duyulan aktif madde elde edin.
  2. Adımları kullanarak, geleneksel bir X-ışını toz difraksiyonu ile malzeme Karakterize 2.2.1-2.2.9.
    1. Düzgün parçacık boyutu dağılımını sağlamak için toz ve elek öğütün.
    2. Numune tutucu içine örnek yükleyin. Tutucudan aynalarla çıkarın ve bir bardak slayt karşı yerleştirin. Tozu ile boşluğu doldurmak, sonra aynalarla, kapak tutucu eklemek ve slaytı kaldırmak. Bu toz daha tutucunun yüzeyi ile ve yüzey düz olduğunu garanti eder.
    3. Difraktometrede için defterine giriş yapın.
    4. Difraktometreye içine numune tutucu yerleştirin ve hizalayın.
    5. Difraktometreye Kapat kapıları.
    6. Pan bağlı bilgisayarda Veri Toplayıcı programı kullanarakalytical Difraktometrenin, artış gerilim ve ölçümü için uygun değerlere geçerli. Deney için yarıklar ve kiriş maske seçin. Seçin veya tarama programı değiştirebilirsiniz.
    7. Program ve veri dosyası adı başlayın. Programı tarafından istendiğinde rozeti kaydırarak Difraktometrenin kapıları kilitleyin. Veri toplamak.
    8. Yüksek Puan programını kullanarak desen analiz edin. Özel olarak, yabancı madde (ilave yansımalar) mevcudiyetinde aramak ve model referans malzemeleri veya hesaplanan desen bu eşleşip eşleşmediğini.
    9. Difraktometreye gelen örnek çıkarın. Akım ve gerilim ve yakın kapıları kapatın. Herhangi bir olağandışı koşullar belirterek, çıkış yapın.
  3. Adımları 2.3.1-2.3.10 kullanarak parçacık morfolojileri değerlendirmek için taramalı elektron mikrografikleri edinin.
    1. Bir alüminyum saplama karbon bant bağlama, ve yapışkan yüzüne örnek tozu serperek örnek hazırlayın. Numune üzerinde bir mutfak mıknatıs tutarak manyetizma için test edin.
    2. Airlo ile SEM bölmesine örnek kaydedinck.
    3. Vakum kurulduktan sonra, üzerinde gerilim hızlanan açın.
    4. Düşük büyütme modunda, kontrast ve parlaklık ayarı. Bu, en uygun olarak ACB düğmesi kullanılarak yapılır.
    5. Elle x ve y yönünde tarayarak ilgi alanı bulabilirsiniz.
    6. Yüksek büyütme istenirse SEM veya yumuşak ışın modlara geçmek. İstediğiniz dedektörü seçin ve deney için uygun değerlere çalışma uzaklığını ayarlayın.
    7. ACB düğmesini kullanarak kontrast ve parlaklığını ayarlayın.
    8. Sahne z kontrolü ile görüntü odaklanın.
    9. Işınını doğru astigmatizma hizalayın ve x ve y düğmelerini kullanarak odaklanır.
    10. İstediğiniz gibi fotoğraf düğmesini kullanarak, fotoğraf çekmek ve bilgisayarda uygun bir klasöre kaydedin.
    11. Bittiğinde, gerilim hızlanan kapatın. Pozisyon değişimi ve hava kabinine aracılığıyla odasından çıkarmak için örnek taşıyın.
  4. Gerekirse ICP element analizi Davranış ve bu IR gibi diğer arzu edilen teknikler ile karakterize malzemeveya Raman spektroskopisi.
  5. Adımları kullanarak, elektrotlar imal 2.5.1-2.5.8.
    1. % 5-6 N-metilpirolidinone in (ağırlık) poliviniliden florit (PVDF) (NMP) ihtiva eden bir çözelti yapın.
    2. Mill birlikte aktif madde ve iletken katkı (vb asetilen siyahı, grafit,.).
    3. Adım 2.3.2 tozun kuru ve karıştırmak için aşama 2.3.1 den NMP çözeltisi ekleyin. Oranlar, aktif maddenin doğasına bağlı olarak değişiklik gösterir, ancak 80:10:10 (aktif madde: PVDF: iletken katkı maddesi) bir son kuru bileşim yaygındır.
    4. Bir Al veya Cu akım toplayıcı üzerine bir doktor bıçağı ve (isteğe bağlı olarak) bir vakum tablo, döküm elektrot bulamaç kullanma. Karbon kaplı Al folyo Li iyon batarya katot malzemeleri ve Na-iyon elektrodu malzemeler için de kullanılabilir, ve Cu folyo Li-ion anot malzemeleri için kullanılır.
    5. Kurumaya elektrotlar izin verin.
    6. Ayrıca bir IR lamba, sıcak plaka, ya da vakumlu fırın kullanılarak kuru elektrotlar.
    7. Kes ya da gerekli boyutuna elektrotlar yumruk. Elektr tartılırgazeller.
    8. Bir atıl atmosfer izolasyon kutusu için elektrotlar aktarın. Eldiven kutusu bağlanmış bir vakum ısıtılmış Antechamber kullanılarak ek bir kurutma adımı tüm kalan nemi çıkarmak için tavsiye edilir.
  6. Elektrokimyasal cihazlar (genellikle sikke hücreler, ancak diğer yapılandırmalar elektrokimyasal karakterizasyonu için kullanılabilir) ilk karakterizasyonu için, ex-situ örnekleri ve / veya kiriş hat deney, adımları kullanarak 2.6.1-2.6.7 birleştirin.
    1. Etkisiz atmosfer bölmesinde gerekli tüm bileşenleri toplamak.
    2. Istenen boyuta lityum ya da sodyum folyo kesilir.
    3. Istenen boyuta mikro-gözenekli ayırıcıyı kesin.
    4. Cihazın bu sırayla tabaka bileşenleri: elektrod, ayırıcı, elektrolitik çözelti, Na ve Li veya folyodur.
    5. Gerektiği gibi aralayıcıları ve dalga pullar ekleyin.
    6. Madeni para büyüklüğünde bir pres kullanılarak hücre Seal.
    7. In situ XRD deneylerde, sikke hücrenin iki tarafında sekmeler ekleyebilir ve polyester kese içinde cihaz mühür için.
  7. Adımları 2.7.1-2.7.6 kullanarak, ilk karakterizasyonu veya ex-situ iş için elektrokimyasal deney yapın.
    1. Cihaza potansiyostat / galvanostatla veya döngüleyici gelen kablolarını bağlayın ve açık devre potansiyeli ölçmek.
    2. İstenilen elektrokimyasal deney için program yazmak veya arşivlenmiş bir programı seçin.
    3. Denemeyi çalıştırmak ve veri toplamak.
    4. Ex-situ deneyler için, kısa devre buna özen, torpido gözü cihazı sökmeye. Para hücreler için, bir madeni para hücre disassembler aracını veya teflon bant ile sarılmış pense kullanabilirsiniz.
    5. Artık elektrolit tuzu uzaklaştırmak için dimetilkarbonat ile elektrotlar durulayın. Kurumaya bırakın.
    6. XRD deneyler ya da bantla XAS ve torpido gözündeki mağaza deney yürütülmektedir kadar için Kapton folyo ile ex-situ çalışma için kapak elektrotlar.
  8. XAS ile çalışmaya yönelik tozlar, parçacık boyutu homojen bir birleştirme sağlamak için elekten edilmelidirneity. Daha sonra bantla birkaç adet üzerine serpilir olabilir. Numunelerin bir dizi daha sonra birlikte toz halindeki bandın giderek daha çok sayıda parça istifleme ile hazırlanabilir. Kullanıcı uygun bir sinyal için gerekli olan toz miktarı hakkında kesin ise, bu özellikle yararlıdır.
    1. Kullanıcı uygun bir sinyal ile sonuçlanır hakkında emin olduğunu Alternatif olarak, XAS ölçümler için tozlar BN ile seyreltilebilir.

3. Sinkrotron Tesisinde Deney Performansı

  1. Deneme tesisi, malzeme ve ekipman planı taşıma başlayacak birkaç gün önce.
    1. Alkali metal anotlar içeren cihazlar için, nakliye, kişisel veya toplu araçlarda taşınması ile ilgili tehlikeleri önlemek için gereklidir.
    2. Gibi taşınabilir galvanostat / potentiostats ve dizüstü bilgisayarlar ve bu ex-situ çalışma için elektrotlar gibi zararsız örnekler gibi Ekipmanları broug olabiliruygun olan herhangi bir şekilde deneyler taşıyan kişi tarafından tesis ht.
  2. Check-in ve tesiste kayıt.
  3. In situ ve ex-situ XRD deneyler ikisi için, kalibrasyon amaçlı LaB6 bir referans model alır.
    1. Talimatlar için beamline bilim adamı ve personeli ile temas kurun.
    2. Doğru ışın koşulları bulmak için ışın kalibre.
    3. LaB6 referans modelini ölçün.
  4. In situ XRD deneylerde, cihazı kurmak ve deney aşağıdaki adımları 3.4.1-3.4.6 başlamak için.
    1. Al basınç plakalar halinde keseyi yerleştirin ve delikler düzgün bir X-ışını iletmek için izin hizada olduklarından emin olun.
    2. Optimum ışın pozisyonu ve pozlama süresini bulun. Uzun süreli maruz kalma doygunluk yol açabilir. Örnek sarsan veya sabit olacağına karar.
    3. Elektrokimya başlamadan önce ilk deseni almak.
    4. Galv yol takıncihaza anostat / potansiyostat.
    5. Elektrokimya Denemeyi başlatın.
    6. Veri elde. Deney sürüyor kez, veri toplama, otomatik ve kullanıcı planlandığı gibi deney gidiyor yapmak için denetlemek için sadece gerekmez.
  5. XAS deneyler kurmak.
    1. Check-in ve talimatlar için beamline bilim adamı ve personeline başvurun.
    2. Örnek ve (; Ni K kenar örn.Ni ölçülür ediliyor metale bağlı) folyo bir referans materyali yerleştirin.
    3. Örnek hizalayın.
    4. IFEFFIT en Hephaestus kullanarak belirli metal kenar enerjisini belirler. Dinle Monokromatör, yüksek mertebeden harmonikleri ortadan kaldırmak için yaklaşık% 30 oranında daha sonra de-melodi. Ben 1 ayarlamak kazançlar değiştirin ve ben 2 ölçü uzaklıklar.
    5. Ölçü almak. İki veya daha fazla tarama alınmış ve ilgi elemanı için birleştirilmiş olmalıdır.
    6. Gerektiği gibi tekrarlayın, ilave elemanlar için 3.5.5 için 3.5.3 adımları.

4. VeriAnaliz

  1. XRD çalışmaları için, LaB 6 görüntüyü kalibre.
    1. Google kod aracılığıyla kullanılabilir Alan Kırınım Makinesi, (indir http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/ ).
    2. LaB 6 kırınım görüntü açın ve dosya başlığından ilk kalibrasyon değerleri kullanın.
    3. Referans Q (= 2π / d) LaB6 değerleri açın.
    4. Q değerleri ve kalibrasyon değerlerinin başlangıç ​​tahmininden ile LaB 6 kırılım görüntüsünü kalibre.
    5. Görüntü montaj tarafından doğru kalibrasyon değerlerini elde.
    6. Kalibrasyon dosyasına kalibrasyon değerleri kaydedin.
  2. Deneyden gelen veriler görüntü kalibre edin.
    1. Deneyden gelen kırılma görüntüleri açın.
    2. (Adım 4.1.6 kaydedilir) LaB 6 referans kalibrasyon dosyasını açın.
    3. Açık incie referans Q (= 2π / d) Al veya Cu (elektrotlar için akım kolektörleri) değerleri ve iç referans olarak kullanabilirsiniz.
    4. Görüntü montaj tarafından desen görüntüleri kalibre.
    5. Yoğunluğu veri (satır tarama) vs Q görüntüyü entegre.
    6. İstenilen uydurma programı kullanarak Fit desenler (CelRef, Powdercell, RIQAS, GSAS, vb.).
  3. Herhangi uygun bir çizim programı (Excel, Origin, KaleidaGraph, Igor, vb.) Kullanılarak elektrokimyasal verileri işlemek.
  4. XAS veri, analiz için IFEFFIT yazılım paketinde ARTEMIS / Athena kullanın.
    1. Referans metallerin absorpsiyon spektrumlarının türevi ilk tepe kullanarak veri kalibre edin.
    2. Taramaları gibi Birleştirme.
    3. Arka plan çıkarma ve veri normalleştirmek.
    4. EXAFS verileri yalıtmak için AUTOBK işlevini kullanın.
    5. Fourier EXAFS verileri dönüştürmek.
    6. Structura ayıklamak için R veya k uzayda Fourier dönüştürülmüş spektrumları için uygun bir en az kareler kullanınl bilgiler.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Şekil 2, bir in situ deneyde kullanılan tipik bir dizisini göstermektedir. Sentezi ve aktif madde tozları tanımlanmasından sonra, bileşik ya da elektrot üzerine döküm aktif madde, örneğin poliviniliden florür (PVDF) ve karbon siyahı ya da N-metilpirolidinon (NMP) içinde süspansiyon haline getirilmiş grafit gibi iletken katkı maddeleri olarak bir bağlayıcı içeren çamurlar hazırlanır alüminyum veya bakır folyo akım kollektörleri. Alüminyum lityum iyon pil katot ve sodyum iyon pil elektrotları içi...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

XANES verilerin analizi Lini x yapılmış gibi-Co 1-2x Mn x O 2 (0.01 ≤ x ≤ 1) bileşikleri Ni 2 +, Co 3 + içerdiğini gösterir ve Mn 4 +. 10. Lini üzerine bir yerinde son XAS çalışma , 0.4 Co 0.15 Al 0.05 Mn 0,4 O 2 Ni 2 + sonuçta, Ni 4 + delithiation sırasında, Ni 3 + okside ve olduğunu gösterdi, ama Co 3 + içeren bu redoks süreçler hatta d...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma Enerji Verimliliği için Sekreter Yardımcısı ve Yenilenebilir Enerji, Sözleşme No DE-AC02-05CH11231 altında ABD Enerji Bakanlığı Araç Teknolojileri Dairesi tarafından desteklenmektedir. Bu araştırmanın bölümleri Stanford Sinkrotron Radyasyon LightSource, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı bir Müdürlüğü ve Stanford Üniversitesi tarafından Fen Enerji Dairesi US Department ameliyat Bilim Kullanım Kolaylığı bir Ofisi'nde gerçekleştirildi. SSRL Yapısal Moleküler Biyoloji Programı Biyolojik ve Çevresel Araştırma DOE Ofisi tarafından desteklenen ve Sağlık, Araştırma Kaynakları Ulusal Merkezi, Biyomedikal Teknolojisi Programı (P41RR001209) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Equipment
İnert atmosfer torpido gözüVakumlu AtmosferlerÖzel sipariş, satıcılarla iletişime geçinHücre montajı sırasında ve alkali metalleri ve neme duyarlı bileşenleri depolamak için kullanılır. (http://vac-atm.com)
İnert atmosfer torpido gözüMbraunÇeşitli boyutlar (tek, çift) mevcuttur, mini veya ısıtmalı antreler oksijen/su giderme sistemleri, raflar, elektrik geçişleri, etc. gibi birçok seçenek. (http://www.mbraunusa.com)
X-ışını toz difraktometresi (XRD)PanalyticalX'Pert PowderX'Pert modüler bir sistemdir. Özel deneyler için birçok aksesuar mevcuttur. (www.panalytical.com)
X-ışını toz difraktometresi (XRD)BrukerBruker D2 PhaserBruker D2 Phaser kompakttır ve rutin toz analizleri için iyidir. (www.bruker.com)
Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)JSM7500FÇok sayıda özelleştirilebilir seçeneğe sahip yüksek çözünürlüklü alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu. JEOL (http://www.jeolusa.com) Düşük maliyetli masa üstü versiyonları da mevcuttur. Seçenekler için satıcıyla iletişime geçin.
Torba KapatıcıVWR11214-107yerinde work için torbaları kapatmak için kullanılır. (https://us.vwr.com)
Manuel kıvırma aletiPred MalzemeleriHSHCC-2016, 2025, 2032, 2320Madeni para hücrelerini kapatmak için kullanılır. Boyutu düğme hücre donanımıyla eşleştirin. (www.predmaterials.com)
Düğme hücre sökme aletiPred MalzemeleriSatıcıyla iletişime geçinex situ çalışması için elektrotları kurtarmak üzere madeni para hücrelerini ayırmak için kullanılır. İğne burunlu pense de kullanılabilir. Hücrelerin kısa devre yapmasını önlemek için uçları Teflon bantla kapatın. (www.predmaterials.com)
Film döküm bıçaklarıBYK Gardner4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329Bulamaçlardan elektrot filmleri dökmek için kullanılır. Metrik veya İngilizce derecelendirmeleri ile farklı boyutlar mevcuttur. Çubuk film veya Baker tipi aplikatörler ve sıyırma bıçakları daha az çok yönlüdür ancak daha düşük maliyetli seçeneklerdir. Elle veya otomatik film aplikatörleri ile kullanılabilir. (https://www.byk.com)
Doktor bıçakları, Baker aplikatörleri,Pred MalzemeleriBaker tipi aplikatör ve doktor bıçağı. Film döküm bıçakları da mevcuttur.Bulamaçlardan elektrot filmleri dökmek için kullanılır. Metrik veya İngilizce derecelendirmeleri ile farklı boyutlar mevcuttur. Çubuk film veya Baker tipi aplikatörler ve sıyırma bıçakları daha az çok yönlüdür ancak daha düşük maliyetli seçeneklerdir. Elle veya otomatik film aplikatörleri ile kullanılabilir. (www.predmaterials.com)
Otomatik film aplikatörüBYK Gardner2101, 2105, 2121, 2122Opsiyonel. Otomatik elektrot film üretimi için çubuk aplikatörleri, sıyırma bıçakları veya film döküm bıçakları ile birlikte kullanılır. Filmler elle de yapılabilir ancak daha az homojendir. (https://www.byk.com)
Otomatik film aplikatörüPred MalzemeleriSatıcıyla iletişime geçinİsteğe bağlı. Otomatik elektrot film üretimi için çubuk aplikatörleri, sıyırma bıçakları veya film döküm bıçakları ile birlikte kullanılır. Filmler elle de yapılabilir ancak daha az homojendir. (www.predmaterials.com)
Potansiyostat / GalvanostatBiyo-Mantık Bilim AletleriVSPTaşınabilir 5 kanallı bilgisayar kontrollü potansiyostat / galvanostat in situ< / em> deneyler için hücreleri döndürmek için kullanılır. (http://www.bio-logic.info)
Potansiyostat/GalvanostatGamry InstrumentsReference 3000in situ deneyleri için hücreleri döndürmek için kullanılan taşınabilir tek kanallı bilgisayar kontrollü potansiyostat/galvanostat. (www.gamry.com)
Alan Kırınım MakinesiÜcretsiz indir2D kırınım verilerinin analizi için kullanılır. Mac ve Windows sürümleri mevcuttur. http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/
IFEFFITdahil olmak üzere XAS analizi için ücretsiz indirme etkileşimli programlar paketi. Mac, Windows ve UNIX için kullanılabilir. http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/
SIXPACKIFEFFIT üzerine kurulu ücretsiz indirilebilir XAS analiz programı. Windows ve Mac sürümleri. http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html
CelRefÜcretsiz indirGrafiksel birim hücre iyileştirme. Yalnızca Windows. http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm ve http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/
Reaktif/Malzeme
Elektrot aktif malzemelerçeşitliŞirket içinde sentezlenir veya çeşitli tedarikçilerden elde edilir.
Sentetik pul grafitTimcalSFG-6Elektrotlar için iletken katkı maddesi. (www.timcal.com)
Asetilensiyahı DenkaDenka BlackElektrotlar için iletken katkı maddesi. (http://www.denka.co.jp/eng/index.html)
1-metil-2-pirolidinon (NMP)Sigma-Aldrich328634Elektrot bulamaçları yapmak için kullanılır. (www.sigmaaldrich.com)
Al akım kollektörleriExopackz-flo 2650Karbon kaplı folyolar. Bir tarafı kaplanmış. (http://www.exopackadvancedcoatings.com)
Al akım kollektörleriAlfa-Aesar105580,025 mm (0,001 inç) kalınlık, 30 cm x 30 cm (12 inç x 12 inç), %99,45 (metal bazlı), kaplamasız (http://www.alfa.com)
Cu akım kollektörleriPred MalzemelerElektrodepozitli Cu folyoLi-ion piller için anot malzemeleriyle kullanım için. (www.predmaterials.com)
Lityum folyoRockwood Lityum YarımsatıcısıAnot. Farklı kalınlık ve genişliklerde mevcuttur. Reaktif ve havaya duyarlı. He veya Ar altındaki inert bir atmosfer torpido gözünde saklayın ve tutun (N2 ile reaksiyona girer). (www.rockwoodlithium.com)
lityum folyoSigma-Aldrich320080Anot. Farklı kalınlık ve genişliklerde mevcuttur. Reaktif ve havaya duyarlı. He veya Ar altındaki inert bir atmosfer torpido gözünde saklayın ve tutun (N2 ile reaksiyona girer). (www.sigmaaldrich.com)
Sodyum külçeSigma-Aldrich282065yarım hücreler için anotlar. Folyolara ekstrüde edilebilir. Reaktif ve havaya duyarlı. Sadece He'nin altındaki inert bir atmosferdeki torpido gözünde saklayın ve taşıyın. (www.sigmaaldrich.com)
Elektrolit çözeltileriBASFSelectilyte P-Serisi Satıcıyla iletişime geçinİstenen formülasyonlar için satıcıyla iletişime geçin. (http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes)
Dimetil karbonat (DMC)Sigma-Aldrich517127ex situ deneyleri için elektrotları yıkamak için kullanılır. (www.sigmaaldrich.com)
Mikro gözenekli separatörlerCelgard2400Polipropilen membranlar (http://www.celgard.com)
Düğme hücre donanımı (kasa, kapak, conta)Pred MalzemeleriCR2016, CR2025, CR2320, CR2032Boyutu mevcut kıvırma aletine uygun hale getirin, Al kaplı bileşenler de mevcuttur. (www.predmaterials.com)
Dalga yıkayıcılar,Pred MalzemeleriSUS316L(www.predmaterials.com)
Spacer'larPred MalzemeleriSUS316L(www.predmaterials.com)
Ni ve Al önceden kaydedilmiş sekmelerPred MalzemeleriSatıcıylailetişime geçinBoyutlar değişebilir. Özel siparişler hakkında bilgi alın. (www.predmaterials.com)
Polyester torbalarVWR11214-301in situ work için elektrokimyasal hücreleri kapatmak için kullanılır. Güçlü sinyal paraziti nedeniyle ağır hizmet tipi torbalardan kaçının. (https://us.vwr.com)
Kapton filmiMcMaster-Carr7648A735ex situ deneyleri için elektrotları kaplamak için kullanılır, 0,0025 inç kalınlığında (www.mcmaster.com)
Helyum, Argon ve helyum veya argonda %4-10 hidrojenAir Productsistenen bileşimler ve saflık seviyeleriiçin satıcıyla iletişime geçinHücre montajının yapıldığı ve alkali metalin depolandığı torpido gözünü doldurmak için kullanılan helyum veya argon. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx)
Lityum ile reaksiyona girdiği için nitrojen kullanmayın. Sodyum depolanıyorsa yalnızca helyum kullanın.
İhtiyaç duyulan saflık seviyesi, torpido gözünün bir su ve oksijen giderme sistemi ile donatılıp donatılmadığına bağlıdır. Varsa, su/oksijen giderme sistemini yeniden oluşturmak için gereken hidrojen karışımları  veya başka bir uygun gaz tedarikçisi
, Hephaestus, Athena ve Artemis hücreler için iletişim Yarım hücreler için

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kim, S. -W., Seo, D. -I., Ma, X., Ceder, G., Kang, K. Electrode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries: Potential Alternatives to Current Lithium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 710-721 (2012).
  2. Palomares, V., Serras, P., Villaluenga, I., Huesa, K. B., Cerretero-Gonzalez, J., Rojo, T. Na-ion Batteries, Recent Advances and Present Challenges to Become Low Cost Energy Storage Systems. Energy Environ. Sci. 5, 5884-5901 (2012).
  3. Kam, K. C., Doeff, M. M. Electrode Materials for Lithium Ion Batteries. Materials Matters. 7, 56-60 (2012).
  4. Cabana, J., Monconduit, L., Larcher, D., Palacin, M. R. Beyond Intercalation-Based Li-Ion Batteries: The State of the Art and Challenges of Electrode Materials Reacting Through Conversion Reactions. Adv. Energy Mater. 22, E170-E192 (2010).
  5. McBreen, J. The Application of Synchrotron Techniques to the Study of Lithium Ion Batteries. J. Solid State Electrochem. 13, 1051-1061 (2009).
  6. de Groot, F., Vankó, G., Glatzel, P. The 1s X-ray Absorption Pre-edge Structures in Transition Metal Oxides. J. Phys. Condens. Matter. 21, 104207(2009).
  7. Rumble, C., Conry, T. E., Doeff, M., Cairns, E. J., Penner-Hahn, J. E., Deb, A. Structural and Electrochemical Investigation of Li(Ni0.4Co0.15Al0.05Mn0.4)O2. J. Electrochem. Soc. 157, A1317-A1322 (2010).
  8. Cabana, J., Dupré, N., Gillot, F., Chadwick, A. V., Grey, C. P., Palacín, M. R. Synthesis, Short-Range Structure and Electrochemical Properties of New Phases in the Li-Mn-N-O System. Inorg. Chem. 48, 5141-5153 (2009).
  9. Ravel, B., Newville, M. A. T. H. E. N. A., ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT. Journal of Synchrotron Radiation. 12, 537-541 (2005).
  10. Zeng, D., Cabana, J. B. réger, Yoon, W. -S., Grey, C. P. Cation Ordering in Li[NixMnxCo(1–2x)]O2-Layered Cathode Materials: A Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Pair Distribution Function, X-ray Absorption Spectroscopy, and Electrochemical Study. Chem. Mater. 19, 6277-6289 (2007).
  11. Conry, T. E., Mehta, A., Cabana, J., Doeff, M. M. XAFS Investigation of LiNi0.45Mn0.45Co0.1-yAlyO2 Positive Electrode Materials. J. Electrochem. Soc. 159, A1562-A1571 Forthcoming.
  12. Conry, T. E., Mehta, A., Cabana, J., Doeff, M. M. Structural Underpinnings of the Enhanced Cycling Stability upon Al-substitution in LiNi0.45Mn0.45Co0.1-yAlyO2 Positive Electrode Materials for Li-ion Batteries. Chem. Mater. 24, 3307-3317 (2012).
  13. Reed, J., Ceder, G. Role of Electronic Structure in the Susceptibility of Metastable Transition-Metal Oxide Structures to Transformation. Chem. Rev. 104, 4513-4534 (2004).
  14. Cook, J. B., Kim, C., Xu, L., Cabana, J. The Effect of Al Substitution on the Chemical and Electrochemical Phase Stability of Orthorhombic LiMnO2. J. Electrochem. Soc. 160, A46-A52 (2013).
  15. Lee, E., Persson, K. Revealing the Coupled Cation Interactions Behind the Electrochemical Profile of LixNi0.5Mn1.5O4. Energy Environ. Sci. 5, 6047-6051 (2012).
  16. Hai, B., Shukla, A. K., Duncan, H., Chen, G. The Effect of Particle Surface Facets on the Kinetic Properties of LiMn1.5Ni0.5O4 Cathode Materials. J. Mater. Chem. A. 1, 759-769 (2013).
  17. Cabana, J., et al. Composition-Structure Relationships in the Li-Ion Battery Electrode Material LiNi0.5Mn1.5O4. Chem. Mater. 24, 2952-2964 (2012).
  18. Liu, J., Kunz, M., Chen, K., Tamura, N., Richardson, T. J. Visualization of Charge Distribution in a Lithium Battery Electrode. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2120-2123 (2010).
  19. Meirer, F., Cabana, J., Liu, Y., Mehta, A., Andrews, J. C., Pianetta, P. Three-dimensional Imaging of Chemical Phase Transformation at the Nanoscale with Full-Field Transmission X-ray Microscopy. J. Synchrotron Rad. 18, 773-781 (2011).
  20. Liu, X., et al. Phase Transformation and Lithiation Effect on Electronic Structure of LixFePO4: An In-Depth Study by Soft X-ray and Simulations. J. Am. Chem. Soc. 134, 13708-13715 (2012).
  21. Sokaras, D., et al. A High Resolution and Solid Angle X-ray Raman Spectroscopy End-Station at the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Rev. Sci. Instrum. 83, 043112(2012).
  22. Chan, M. K. Y., et al. Structure of Lithium Peroxide. J. Phys. Chem. Lett. 2, 2483-2486 (2011).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

X n K r n mX n Absorpsiyon SpektroskopisiIn Situ DeneylerEx Situ NumunelerElektrot Materyali KarakterizasyonuD me H cre MontajFaz Ge i AnaliziRedoks Durumu zlemeBatarya Performans Testi

İlgili makaleler