Protocol van Elektrochemische Test en karakterisering van Aprotische Li-O<sub> 2</sub> Batterij
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
In 1996, Abraham en Jiang 1 meldde de eerste omkeerbare niet-waterige Li-O 2 batterij bestaande uit een poreuze koolstof kathode, een organische elektrolyt en een Li-metaal anode. Sindsdien, vanwege de extreem hoge theoretische energiedichtheid groter dan die van elke andere bestaande systemen voor energieopslag, de Li-O 2 batterij, die een stroom door de oxidatie van lithium op de anode en de reductie van zuurstof aan de kathode (induceert totale reactie Li + + O 2 + e – ↔ Li 2 O 2), heeft aanzienlijke belangstelling onlangs 1-8.
Een kathode materiaal met de volgende eisen in staat zijn om tegemoet te komen aan de behoeften van de hoge prestaties van Li-O zou zijn 2 batterij: (1) fast zuurstof diffusie; (2) een goede elektrische en ionische geleidbaarheid; (3) hoog specifiek oppervlak; en (4) stabiliteit. Zowel de oppervlakte en porositeit van de kathode cruciaal zijn voor de. elektrochemische prestaties van Li-O 2 batterijen 9-12 De poreuze structuur kan de afzetting van vaste producten ontlading gegenereerd uit de reactie van Li kationen met O 2; en grotere oppervlakken zorgen voor meer actieve sites om elektrokatalytische deeltjes die de elektrochemische reacties versnellen tegemoet te komen. Dergelijke elektrokatalysatoren worden toegevoegd aan het kathodemateriaal bepaalde depositiemethoden, die een sterke hechting aan het substraat en goede beheersing van de katalysatordeeltjes te produceren, met behoud van de oorspronkelijke poreuze oppervlaktestructuur van het substraat. 13-17 De zo bereide materialen worden getest in Swagelok-type cellen als de kathode van aprotische Li-O 2 batterij. De prestatie van de cel niet alleen afhankelijk van de aard van kathodematerialen, maar ook van het type aprotische elektrolyt 18-22 en Li-metaal anode. 23-26 Meer invloeden omvatten de hoeveelheid en concentratie van de materialen en de pROCEDURE gebruikt in de laad / ontlaad-tests. De juiste omstandigheden en protocollen zou het optimaliseren en verbeteren van de algehele prestaties van de batterij materialen.
Naast de resultaten van de elektrochemische test kan de batterijprestaties worden geëvalueerd door het karakteriseren van de oorspronkelijke materialen en de reactieproducten. 27-33 Scanning elektronenmicroscopie (SEM) wordt gebruikt om het oppervlak microstructuur van het kathodemateriaal en de morfologie te onderzoeken evolutie van de lozing producten. Transmissie elektronen microscopie (TEM), X-straal absorptie dichtbij randstructuur (XANES) en X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS) kan worden gebruikt om de ultrastructuur, chemische toestand en component elementen bepalen, vooral voor die katalysator nanodeeltjes. High-energy X-ray diffractie (XRD) wordt gebruikt voor het direct identificeren van de kristallijne producten ontlading. Eventuele elektrolyt ontleding kan worden bepaald door verzwakte totale reflectie Fourier transformatieinfrarood (ATR-FTIR) en Raman spectra.
Dit artikel is een protocol dat geeft blijk van een systematische en efficiënte inrichting van routinetests van de aprotische Li-O 2 accu, met inbegrip van de voorbereiding van de batterij materialen en accessoires, de elektrochemische performance test, en karakterisering van de oorspronkelijke materialen en reactieproducten. De gedetailleerde video protocol is bedoeld om te helpen nieuwe beoefenaars in het gebied voorkomen dat veel voorkomende valkuilen in verband met de uitvoering van de testen en karakteriseren van Li-O 2 batterijen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gezien de gevoeligheid van Li-O 2 batterijsysteem lucht, vooral CO 2 en vocht, veel trappen in het protocol zijn noodzakelijk om de interfererende verminderen en nevenreacties te vermijden. Zo is het Swagelok-celtype gemonteerd in een glovebox gevuld met Ar met O 2 <0,5 ppm en H 2 O <0,5 ppm; en al de kathodematerialen, elektrolyt oplosmiddel en zout, glasvezel, Swagelok onderdelen, en het glas kamers worden gedroogd vóór de montage om het vocht verontreiniging te verm…
Disclosures
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 | |
References
- 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).
