JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Protonsuz Li-O Elektrokimyasal Testi Protokol ve Karakterizasyonu<sub> 2</sub> Pil

Published: July 12, 2016
doi:
10.3791/53740
, , ,
1Chemistry Sciences and Engineering Division,Argonne National Laboratory, 2X-ray Science Division, Advanced Photon Sources,Argonne National Laboratory

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 yılında, Abraham ve Jiang 1 gözenekli karbon katot, bir organik elektrolit ve Li metali bir anod ihtiva eden, ilk döner susuz lityum O 2 pil bildirilmiştir. O zamandan bu yana, bağlı başka mevcut enerji depolama sistemleri aşan son derece yüksek teorik enerji yoğunluğu, anotta lityum oksidasyonu ile bir akım akışı ve katot oksijen azalma (indükler Li-O 2 pil, genel reaksiyon Li + O 2 + e – ↔ Li 2 O 2), son zamanlarda büyük ilgi aldı 1-8.

Aşağıdaki şartları bir katot malzemesi Li-O yüksek performans ihtiyaçlarını karşılamak mümkün olacaktır 2 pil: (1) hızlı oksijen difüzyon; (2) iyi elektrik ve iyonik iletkenlik; (3) yüksek özgül yüzey alanı; ve (4) stabilite. Hem katodun yüzey alanı ve gözenek kritik. Li-O 2 pillerin elektrokimyasal performans 9-12 gözenekli yapısı O 2 Li katyonlarının reaksiyonundan elde edilen katı deşarj ürünlerinin birikmesini sağlar; ve daha büyük yüzey alanları elektrokimyasal reaksiyonların hızlandırılması elektro katalitik parçacıklar karşılamak için daha fazla aktif bölgeyi sağlar. Bu elektrokatalizörler 13-17. Alt-tabaka orjinal gözenekli yüzey yapısı korunarak, alt-tabaka ve katalizör parçacıklarının iyi kontrol güçlü yapışma temin belirli bir yerleştirme yöntemleri ile katot malzemesinin ilave olarak hazırlanmış maddeler test edilmiştir aprotik Li-O 2 pilin katot olarak Swagelok tipi hücrelerde. Ancak, hücre performansı sadece katot malzeme tipine bağlıdır, fakat aynı zamanda aprotik elektrolit 18-22 ve Li metali anot türüne. 23-26 fazlası etkiler miktarı ve malzeme konsantrasyonu ve bunlar arasında pşarj / deşarj testlerinde kullanılan rocedure. Uygun koşullar ve protokoller optimize etmek ve pil malzemelerinin genel performansını artıracak.

Elektrokimyasal testi sonuçlarına ek olarak, pil performansı da bozulmamış malzemeleri ve reaksiyon ürünlerinin karakterize değerlendirilebilir. 27-33 Taramalı elektron mikroskobu (SEM) katot malzeme ve morfoloji yüzey mikroyapı araştırmak için kullanılır deşarj ürünlerinin evrimi. Transmisyon elektron mikroskobu (TEM), kenar yapısı (XANES) yakın X-ışını soğurma, ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), özellikle katalizör nanopartiküller Bunun için, elemanların ince yapı, kimyasal durum ve bileşeni tespit etmek için kullanılabilir. Yüksek enerjili X-ışını kırınımı (XRD) doğrudan kristal tahliye ürünleri tanımlamak için kullanılır. Olası bir elektrolit bozunma zayıflatılmış toplam yansıma Fourier belirlenebilir dönüşümüKızılötesi (ATR-FTIR) ve Raman spektrumları.

Bu makale bozulmamış malzeme ve reaksiyon ürünlerinin pil malzeme ve aksesuarları hazırlama, elektrokimyasal performans testi ve karakterizasyon da dahil olmak üzere aprotik Li-O 2 pil rutin testler, sistematik ve verimli bir düzenleme gösteren bir protokoldür. Ayrıntılı video protokolü alanında yeni uygulayıcıları Li-O 2 pillerin performansı test ve karakterizasyonu ile ilgili birçok ortak tuzaklardan kaçınmak yardımcı olmak için tasarlanmıştır.

Protocol

Kullanmadan önce tüm ilgili Malzeme Güvenlik Bilgi Formları (MSDS) danışın. ve bu sentezlerde kullanılan kimyasalların çeşitli akut olarak toksik ve kanserojen. Nanomalzemeler kendi toplu meslektaşı ile karşılaştırıldığında ek tehlikeler olabilir. mühendislik kontrolleri (davlumbaz, torpido gözü) ve kişisel koruyucu ekipman kullanımı da dahil olmak üzere bir nano-kristal reaksiyonu yaparken tüm uygun güvenlik uygulamalarını kullanın (koruyucu gözlük, eldiven, laboratuvar önlüğü, ta…

Representative Results

Şekil 1a Li-O 2 pil testi Swagelok-tipi hücre kurulumunu göstermektedir. Lityum film parçası anot ucunda bir çelik çubuk yerleştirilir. Gözenekli katot, bir alüminyum tüp aracılığıyla saf O 2 açıktır. Cam elyaf ayırıcı ve aprotik bir elektrolit bir emici madde olarak kullanılır; Al-gözenekli bir akım toplayıcı olarak kullanılır. Bütün Swagelok tipi, hücre çok yüksek saflıkta oksijen ile doldurulmuş bir camlı odad…

Discussion

Havaya Li-O 2 batarya sisteminin duyarlılığı, özellikle CO2 ve nem dikkate alınarak, protokolde adımlar çok interferents azaltmak ve yan tepkimeleri önlemek için gereklidir. Örneğin, Swagelok-tipte bir hücre O 2 <0,5 ppm H2O <0.5 ppm ile Ar ile dolu Bir eldiven kutusu içinde bir araya getirilir; ve tüm katot malzemeleri, elektrolit çözücü ve tuz, cam elyaf, Swagelok parçalar ve cam bölmeleri nem kirlenmesini azaltmak için montajdan önce kurutulur. …

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Abraham, K. M., Jiang, Z. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery. J. Electrochem. Soc. 143, 1-5 (1996).
  2. 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).
  3. Lu, J., et al. Aprotic and Aqueous Li-O2 Batteries. Chem. Rev. 114, 5611-5640 (2014).
  4. Black, R., Adams, B., Nazar, L. F. Non-Aqueous and Hybrid Li-O2 Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 801-815 (2012).
  5. Bruce, P. G., Hardwick, L. J., Abraham, K. M. Lithium-air and lithium-sulfur batteries. MRS Bull. 36, 506-512 (2011).
  6. Christensen, J., et al. A Critical Review of Li/Air Batteries. J. Electrochem. Soc. 159, 1-30 (2012).
  7. 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).
  8. Lu, J., Amine, K. Recent Research Progress on Non-aqueous Lithium-Air Batteries from Argonne National Laboratory. Energies. 6, 6016-6044 (2013).
  9. Ding, N., et al. Influence of carbon pore size on the discharge capacity of Li-O2 batteries. J. Mater. Chem. A. 2, 12433 (2014).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Lu, J., et al. Effect of the size-selective silver clusters on lithium peroxide morphology in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 5, 4895 (2014).
  15. Lu, J., et al. A nanostructured cathode architecture for low charge overpotential in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2383 (2013).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Freunberger, S. A., et al. The Lithium-Oxygen Battery with Ether-Based Electrolytes. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 8609-8613 (2011).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Aleshin, G. Y., et al. Protected anodes for lithium-air batteries. Solid State Ion. 184, 62-64 (2011).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Dey, A. N. Lithium Anode Film And Organic And Inorganic Electrolyte Batteries. Thin Solid Films. 43, 131-171 (1977).
  27. 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).
  28. Lau, K. C., et al. Theoretical Exploration of Various Lithium Peroxide Crystal Structures in a Li-Air Battery. Energies. 8, 529-548 (2015).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Lu, J., et al. Magnetism in Lithium-Oxygen Discharge Product. ChemSusChem. 6, 1196-1202 (2013).
  32. 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).
  33. Zhong, L., et al. In Situ Transmission Electron Microscopy Observations of Electrochemical Oxidation of Li2O2. Nano Lett. 13, 2209-2214 (2013).
  34. . . Hitachi S-4700 SEM Training & Reference Guide. , (2015).
  35. . . SEM Hitachi S4700 User Manual. , (2015).
  36. Goldstein, J., et al. . Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. , (2003).
  37. . X-Ray Photoelectron Spectrometer Operation Procedure Available from: https://nanofabrication.4dlabs.ca (2015)
  38. Haasch, R. T., Sardela, M. . Practical Materials Characterization. , 93-132 (2014).
  39. . . JEM-2100F Field Emission Transmission Electron Microscope. , (2015).
  40. Wen, J. -. G., Sardela, M. . Practical Materials Characterization. , 189-229 (2014).
  41. Williams, D. B., Carter, C. B. . Transmission Electron Microscopy. , (2009).
  42. . . Beamline 11-ID-C: High-energy Diffraction Beamline. , (2015).
  43. . . Beamline 11-ID-D: Sector 11 – Time Resolved X-ray Spectroscopy and Scattering. , (2015).
  44. Sardela, M. R., Sardela, M. . Practical Materials Characterization. , 1-41 (2014).
  45. . . Beamline 9-BM-B,C: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , (2015).
  46. . . Beamline 20-BM-B: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. , (2015).
  47. Bunker, G. . Introduction to XAFS: A Practical Guide to X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy. , (2010).
  48. . . Nicolet FT-IR User’s Guide. , (2015).
  49. . . Nicolet iS5 User Guide. , (2015).
  50. . . Renishaw inVia Raman Microscope Training Notebook. , (2015).
  51. . . Renishaw InVia Quick Operation Summary. , (2015).
  52. 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).

Tags

Li-O2 BatteryAprotic ElectrolyteCathode MaterialAnodeSwagelok CellOxygenElectrochemical CharacterizationProtocolLithium TriflateTetraethylene Glycol Dimethyl EtherPVDFCarbon Paper

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Luo, X., Wu, T., Lu, J., Amine, K. Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery. J. Vis. Exp. (113), e53740, doi:10.3791/53740 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image