비 양성 자성 리튬 O의 전기 시험 프로토콜 및 특성<sub> 2</sub> 배터리
Summary
A protocol for the electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery with the preparation of electrodes and electrolytes and an introduction of the frequently used methods of characterization is presented here.
Abstract
We demonstrate a method for electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery. An aprotic Li-O2 battery is made of a Li-metal anode, an aprotic electrolyte, and an O2-breathing cathode. The aprotic electrolyte is a solution of lithium salt with aprotic solvent; and porous carbon is commonly used as the cathode substrate. To improve the performance, an electrocatalyst is deposited onto the porous carbon substrate by certain deposition methods, such as atomic layer deposition (ALD) and wet-chemistry reaction. The as-prepared cathode materials are characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray absorption near edge structure (XANES). A Swagelok-type cell, sealed in a glass chamber filled with pure O2, is used for the electrochemical test on a battery test system. The cells are tested under either capacity-controlled mode or voltage controlled mode. The reaction products are investigated by electron microscopy, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, and Raman spectroscopy to study the possible pathway of oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). This protocol demonstrates a systematic and efficient arrangement of routine tests of the aprotic Li-O2 battery, including the electrochemical test and characterization of battery materials.
Introduction
1996 년 아브라함 지앙 1은 다공질 탄소 양극, 유기 전해질과 리튬 금속 음극으로 이루어진 제 가역 비 수계 리튬 전지 O 2를보고 하였다. 그 이후로 인해 다른 기존의 에너지 저장 시스템의 초과의 매우 높은 이론 에너지 밀도로, 양극에서 리튬의 산화에 의해 전류의 흐름과 캐소드에서 산소의 환원 (유도 리튬 O 2 배터리 전체 반응 리튬 + + O 2 + 전자 – ↔ 리튬 2 O 2), 최근에 상당한 관심을 받고있다 1-8.
다음과 같은 요구 사항이있는 음극 재료는 리튬 O의 고성능의 요구에 대한 수용 할 수있을 것 2 배터리 (1) 빠른 산소 확산; (2) 우수한 전기 전도도를; (3) 높은 비 표면적 (4) 안정성. 두 양극의 표면적 및 다공도가 중요하다. 리튬 O 2 배터리 전기 성능 9-12 다공성 구조는 O 2 리튬 양이온의 반응으로부터 생성 된 고체 방전 생성물의 증착을 허용; 큰 표면적은 전기 화학 반응을 촉진 전기 촉매 입자를 수용하기 위해 더 많은 활성 부위를 제공한다. 이러한 전극 촉매는 13-17. 기판의 원래 다공성 표면 구조의 보존과, 기판과 촉매 입자를 잘 제어 강한 접착을 제공하는 소정의 증착 방법에 의해 양극 재료에 첨가하는 것과 같이 제조 된 물질은 시험 프로톤 리튬 O이 전지의 음극으로는 Swagelok 형 셀이다. 그러나, 전지의 성능뿐만 아니라 캐소드 물질의 성질에 의존하지만, 또한, 비 양성 자성 전해질 18-22 및 리튬 금속 애노드의 유형. 23-26 더 영향 양과 물질의 농도 및 포함 피충전 / 방전 시험에 사용 rocedure. 적절한 조건으로 프로토콜 최적화 전지 재료의 전체적인 성능을 향상시킬 것이다.
전기 화학적 시험 결과뿐만 아니라, 전지 성능은 깨끗한 물질 및 반응 생성물의 특성을 평가할 수있다. 27-33 주사 전자 현미경 (SEM)을 양극 재료 및 형태의 표면 미세 구조를 조사하기 위해 사용 방전 제품의 진화. 투과 전자 현미경 (TEM) 에지 구조 (XANES) 근처의 X 선 흡수, 및 X 선 광전자 분광법 (XPS)은 특히 나노 촉매 입자의 위해 요소의 미세 구조, 화학적 상태 및 구성을 결정하는데 사용될 수있다. 고 에너지의 X 선 회절 (XRD)을 직접 토출 성 제품을 식별하기 위해 사용된다. 가능한 전해질 분해 감쇄 전반사 푸리에 변환에 의해 결정될 수 변환적외선 (ATR-FTIR) 라만 스펙트럼.
이 문서에서는 자연 그대로의 재료와 반응 생성물의 전지 재료 및 부속품의 제조, 전기 화학적 성능 테스트 및 특성화를 포함한 비 양성 자성 리튬 O 2 배터리의 일상적인 시험의 체계적이고 효율적인 배치를 보여주는 프로토콜입니다. 자세한 비디오 프로토콜 분야의 새로운 실무자 리튬 O 2 배터리의 성능 테스트 및 특성화와 관련된 많은 일반적인 함정을 방지하기위한 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
공기 리튬 O 2 전지 시스템의 감도, 특히 이산화탄소 및 수분을 고려하여, 프로토콜의 단계는 많은 간섭 물질을 감소시키고 부반응을 방지하기 위해 필요하다. 예를 들어,은 Swagelok 형 셀이 O <0.5 ppm을 H 2 O <0.5 ppm으로 Ar에로 채워진 글로브 박스에 조립되고 모든 양극 활물질, 전해액 용매 및 염, 유리 섬유는 Swagelok 부 및 유리 챔버는 수분 오염을 감소시키기 위?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Research at Argonne National Laboratory was funded by U.S. Department of Energy, FreedomCAR and Vehicle Technologies Office. Use of the Advanced Photon Source and research carried out in the Electron Microscopy Center at Argonne National Laboratory was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. DE-AC02-06CH11357.
Materials
| 1-Methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 99.5% | Sigma-Aldrich | 328634 | |
| Battery test system | MACCOR | Series 4000 Automated Test System | |
| Dimethyl carbonate (DMC), ≥99% | Sigma-Aldrich | 517127 | |
| Ethyl alcohol, ≥99.5% | Sigma-Aldrich | 459844 | |
| Formaldehyde solution, 37 wt. % in H2O | Sigma-Aldrich | 252549 | |
| Graphitized Carbon black, >99.95% | Sigma-Aldrich | 699632 | |
| Iron(III) chloride (FeCl3), 97% | Sigma-Aldrich | 157740 | |
| Kapton polyimide tubing | Cole-Parmer | EW-95820-09 | |
| Kapton polymide tape | Cole-Parmer | EW-08277-80 | |
| Kapton window film | SPEX Sample Prep | 3511 | |
| Lithium Chip (99.9% Lithium) | MTI Corporation | EQ-Lib-LiC25 | |
| Lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF3SO3) | Sigma-Aldrich | 481548 | |
| Palladium hexafluoroacetylacetonate (Pd(hfac)2), 99.9% | Aldrich | 401471 | |
| Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) | Aldrich | 182702 | |
| Potassium permanganate (KMnO4), ≥99.0% | Sigma-Aldrich | 223468 | |
| Sodium hydroxide (NaOH), ≥97.0% | Sigma-Aldrich | 221465 | |
| Tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), ≥99% | Aldrich | 172405 | |
| Toray 030 carbon paper | ElectroChem Inc. | 590637 | |
Riferimenti
- Abraham, K. M., Jiang, Z. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery. J. Electrochem. Soc. 143, 1-5 (1996).
- Bruce, P. G., Freunberger, S. A., Hardwick, L. J., Tarascon, J. -. M. Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage. Nat. Mater. 11, 19-29 (2012).
- Lu, J., et al. Aprotic and Aqueous Li-O2 Batteries. Chem. Rev. 114, 5611-5640 (2014).
- Black, R., Adams, B., Nazar, L. F. Non-Aqueous and Hybrid Li-O2 Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 801-815 (2012).
- Bruce, P. G., Hardwick, L. J., Abraham, K. M. Lithium-air and lithium-sulfur batteries. MRS Bull. 36, 506-512 (2011).
- Christensen, J., et al. A Critical Review of Li/Air Batteries. J. Electrochem. Soc. 159, 1-30 (2012).
- Girishkumar, G., McCloskey, B., Luntz, A. C., Swanson, S., Wilcke, W. Lithium-Air Battery: Promise and Challenges. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2193-2203 (2010).
- Lu, J., Amine, K. Recent Research Progress on Non-aqueous Lithium-Air Batteries from Argonne National Laboratory. Energies. 6, 6016-6044 (2013).
- Ding, N., et al. Influence of carbon pore size on the discharge capacity of Li-O2 batteries. J. Mater. Chem. A. 2, 12433 (2014).
- Nimon, V. Y., Visco, S. J., De Jonghe, L. C., Volfkovich, Y. M., Bograchev, D. A. Modeling and Experimental Study of Porous Carbon Cathodes in Li-O2 Cells with Non-Aqueous Electrolyte. ECS Electrochem. Lett. 2, 33-35 (2013).
- Ottakam Thotiyl, M. M., Freunberger, S. A., Peng, Z., Bruce, P. G. The Carbon Electrode in Nonaqueous Li-O2 Cells. J. Am. Chem. Soc. 135, 494-500 (2012).
- Park, J. -. B., Lee, J., Yoon, C. S., Sun, Y. -. K. Ordered Mesoporous Carbon Electrodes for Li-O2 Batteries. Acs Appl. Mater. Interfaces. 5, 13426-13431 (2013).
- Lei, Y., et al. Synthesis of porous carbon supported palladium nanoparticle catalysts by atomic layer deposition: application for rechargeable lithium-O2 battery. Nano Lett. 13, 4182-4189 (2013).
- Lu, J., et al. Effect of the size-selective silver clusters on lithium peroxide morphology in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 5, 4895 (2014).
- Lu, J., et al. A nanostructured cathode architecture for low charge overpotential in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2383 (2013).
- Lu, J., et al. Synthesis and characterization of uniformly dispersed Fe3O4/Fe nanocomposite on porous carbon: application for rechargeable Li-O2 batteries. RSC Adv. 3, 8276-8285 (2013).
- Luo, X., et al. Pd nanoparticles on ZnO-passivated porous carbon by atomic layer deposition: an effective electrochemical catalyst for Li-O2 battery. Nanotechnology. 26, 164003 (2015).
- Freunberger, S. A., et al. The Lithium-Oxygen Battery with Ether-Based Electrolytes. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 8609-8613 (2011).
- Laoire, C. O., Mukerjee, S., Abraham, K. M., Plichta, E. J., Hendrickson, M. A. Influence of Nonaqueous Solvents on the Electrochemistry of Oxygen in the Rechargeable Lithium-Air Battery. J. Phys. Chem. C. 114, 9178-9186 (2010).
- McCloskey, B. D., Bethune, D. S., Shelby, R. M., Girishkumar, G., Luntz, A. C. Solvents’ Critical Rope in Nonaqueous Lithium-Oxygen Battery Electrochemistry. J. Phys. Chem. Lett. 2, 1161-1166 (2011).
- Assary, R. S., et al. Molecular-Level Insights into the Reactivity of Siloxane-Based Electrolytes at a Lithium-Metal Anode. ChemPhysChem. 15, 2077-2083 (2014).
- Du, P., et al. Compatibility of lithium salts with solvent of the non-aqueous electrolyte in Li-O2 batteries. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 5572-5581 (2013).
- Aleshin, G. Y., et al. Protected anodes for lithium-air batteries. Solid State Ion. 184, 62-64 (2011).
- Assary, R. S., et al. The Effect of Oxygen Crossover on the Anode of a Li-O2 Battery using an Ether-Based Solvent: Insights from Experimental and Computational Studies. ChemSusChem. 6, 51-55 (2013).
- Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., Teller, H. A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions. Solid State Ion. 148, 405-416 (2002).
- Dey, A. N. Lithium Anode Film And Organic And Inorganic Electrolyte Batteries. Thin Solid Films. 43, 131-171 (1977).
- Lau, K. C., Lu, J., Luo, X., Curtiss, L. A., Amine, K. Implications of the Unpaired Spins in Li-O2 Battery Chemistry and Electrochemistry: A Minireview. ChemPlusChem. 80, 336-343 (2015).
- Lau, K. C., et al. Theoretical Exploration of Various Lithium Peroxide Crystal Structures in a Li-Air Battery. Energies. 8, 529-548 (2015).
- Black, R., et al. Screening for Superoxide Reactivity in Li-O2 Batteries: Effect on Li2O2/LiOH Crystallization. J. Am. Chem. Soc. 134, 2902-2905 (2012).
- Gallant, B. M., et al. Influence of Li2O2 morphology on oxygen reduction and evolution kinetics in Li-O2 batteries. Energy Environ. Sci. 6, 2518-2528 (2013).
- Lu, J., et al. Magnetism in Lithium-Oxygen Discharge Product. ChemSusChem. 6, 1196-1202 (2013).
- Xu, J. -. J., Wang, Z. -. L., Xu, D., Zhang, L. -. L., Zhang, X. -. B. Tailoring deposition and morphology of discharge products towards high-rate and long-life lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2438 (2013).
- Zhong, L., et al. In Situ Transmission Electron Microscopy Observations of Electrochemical Oxidation of Li2O2. Nano Lett. 13, 2209-2214 (2013).
- . . Hitachi S-4700 SEM Training & Reference Guide. , (2015).
- . . SEM Hitachi S4700 User Manual. , (2015).
- Goldstein, J., et al. . Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. , (2003).
- . X-Ray Photoelectron Spectrometer Operation Procedure Available from: https://nanofabrication.4dlabs.ca (2015)
- Haasch, R. T., Sardela, M. . Practical Materials Characterization. , 93-132 (2014).
- . . JEM-2100F Field Emission Transmission Electron Microscope. , (2015).
- Wen, J. -. G., Sardela, M. . Practical Materials Characterization. , 189-229 (2014).
- Williams, D. B., Carter, C. B. . Transmission Electron Microscopy. , (2009).
- . . Beamline 11-ID-C: High-energy Diffraction Beamline. , (2015).
- . . Beamline 11-ID-D: Sector 11 – Time Resolved X-ray Spectroscopy and Scattering. , (2015).
- Sardela, M. R., Sardela, M. . Practical Materials Characterization. , 1-41 (2014).
- . . Beamline 9-BM-B,C: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , (2015).
- . . Beamline 20-BM-B: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , (2015).
- Bunker, G. . Introduction to XAFS: A Practical Guide to X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy. , (2010).
- . . Nicolet FT-IR User’s Guide. , (2015).
- . . Nicolet iS5 User Guide. , (2015).
- . . Renishaw inVia Raman Microscope Training Notebook. , (2015).
- . . Renishaw InVia Quick Operation Summary. , (2015).
- Mitchell, R. R., Gallant, B. M., Thompson, C. V., Shao-Horn, Y. All-carbon-nanofiber electrodes for high-energy rechargeable Li-O2 batteries. Energy Environ. Sci. 4, 2952-2958 (2011).
