Протокол испытаний Электрохимический и характеристика апротонных Li-O<sub> 2</sub> Аккумулятор
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
В 1996 году Авраам и Цзян 1 сообщил первый обратимый аккумулятор неводной Li-O 2 , состоящий из пористого углеродного катода, органического электролита, а также литий-металлического анода. С тех пор, из – за его чрезвычайно высокой теоретической плотности энергии , превышающей любых других существующих систем хранения энергии, батарея Li-O 2, которое индуцирует электрический ток за счет окисления лития на аноде и восстановления кислорода на катоде ( общая реакция Li + + O 2 + е – ↔ Li 2 O 2), получил значительный интерес в последнее время 1-8.
Катод материал со следующими требованиями были бы в состоянии удовлетворить потребности высокой производительности Li-O 2 батареи: (1) диффузия кислорода быстро; (2) хороший электрический и ионной проводимости; (3) высокая удельная площадь поверхности; и (4) стабильность. Оба площадь поверхности и пористость катода имеют решающее значение для. электрохимические характеристики литий-O 2 батарей 9-12 Пористая структура позволяет осаждение твердых выбросов продуктов , образующихся в результате реакции катионов Li с O 2; и большие площади поверхности обеспечивают более активные участки для размещения электрокаталитические частиц, которые ускоряют электрохимические реакции. Такие электрокатализаторами добавляют в катодный материал определенными способами осаждения, которые обеспечивают сильную адгезию к подложке и хорошим контролем частиц катализатора, с сохранением исходной пористой структуры поверхности подложки. 13-17 форме, как они были подготовлены материалы тестируются в клетках БРС типа в качестве катода апротонного батареи Li-O 2. Тем не менее, производительность клетки зависит не только от природы катодных материалов, но и от типа апротонного электролита и 18-22 литий-металлического анода. 23-26 больше влияния включают количество и концентрацию материалов , так и пrocedure используется в тестах заряда / разряда. Надлежащие условия и протоколы позволит оптимизировать и улучшить общую производительность батареи материалов.
В дополнение к результатам электрохимического теста, емкость аккумулятора может быть также оценена путем характеризации нетронутые материалов и продуктов реакции. 27-33 с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) , используется для исследования микроструктуры поверхности катодного материала и морфологии эволюция разрядных продуктов. Методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рентгеновского поглощения вблизи края структуры (XANES) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) могут быть использованы для определения ультраструктурному химическое состояние и компонент элементов, особенно для этого наночастиц катализатора. С высокой энергией рентгеновской дифракции (XRD) используется для идентификации непосредственно Кристаллический продукты разряда. Возможное разложение электролита может быть определена путем нарушенного полного внутреннего отражения преобразования ФурьеИнфракрасный (ИК-Фурье-ATR) и спектры комбинационного рассеяния света.
Эта статья представляет собой протокол , который демонстрирует систематическое и эффективное расположение контрольных испытаний апротонном батареей Li-O 2, включая подготовку аккумуляторных материалов и комплектующих, испытания электрохимических характеристик и характеристик нетронутых материалов и продуктов реакции. Детальный протокол видео призвано помочь новым практиков в области избежать многих распространенных ошибок , связанных с тестированием производительности и характеристик 2 -х батарей Li-O.
Protocol
Representative Results
Discussion
Учитывая чувствительность Li-O 2 батареи системы для воздуха, особенно СО 2 и влаги, много шагов в протоколе необходимы для того , чтобы уменьшить и мешающих избежать побочных реакций. Например, БРС-типа клетки собирают в перчаточной камере , заполненной аргоном с O 2 <0,5 ч…
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).
