Préparation des cellules de graphène liquide pour l’Observation du matériel de batterie au Lithium-ion
Summary
Nous présentons ici un protocole pour la fabrication et la préparation d’une cellule de liquide de graphène pour in situ l’observation microscopie électronique à transmission, ainsi qu’une synthèse de matériaux d’électrodes et essais de cellules de batterie électrochimique.
Abstract
Dans ce travail, nous présentons la préparation des cellules liquide de graphène (semi-publiques), encapsulant les matériaux d’électrodes et des électrolytes liquides organiques entre deux feuilles de graphène et la synthèse facile des nanostructures unidimensionnel à l’aide d’électrofilage. Le GLC active in situ microscopie électronique à transmission (TEM) pour la dynamique de la lithiation de matériaux d’électrodes. in situ GLC-TEM utilisant un faisceau d’électrons pour l’imagerie et le lithiation peut utiliser non seulement des électrolytes de piles réaliste, mais aussi l’imagerie haute résolution de divers morphologiques, phase, et les transitions d’interfaciale.
Introduction
Récemment, la consommation d’énergie a augmenté constamment, ainsi que l’importance des dispositifs de stockage de haute performance énergétique. Pour répondre à une telle demande, le développement des batteries lithium-ion ayant une densité énergétique élevée, de durabilité et de sécurité est nécessaire1,2. Afin de développer des batteries avec des propriétés supérieures, une connaissance fondamentale des mécanismes de stockage de l’énergie pendant le fonctionnement de la batterie est essentiel3,4,5.
In situ microscopie électronique à transmission (TEM) donne un aperçu riche comme il peut montrer des informations structurales et chimiques au cours de l’opération de batteries3. Parmi les nombreux in situ des techniques TEM, semi-publiques ont été utilisés pour l’observation de la dynamique de la lithiation de nanomatériaux6,7,8,9,10,11 ,,12. Semi-publiques sont constitués d’une poche de liquide scellée par deux membranes de graphène, qui fournissent une interface électrode/électrolyte réelles en empêchant l’évaporation du liquide à l’intérieur de l’aspirateur haute TEM colonne6,7. Les avantages de semi-publiques sont qu’elles permettent une résolution spatiale supérieure et un contraste élevé d’imagerie parce qu’ils emploient électron transparent d’épaisseur monoatomique graphène comme liquide d’étanchéité membrane13,14,15 ,,16. En outre, TEM conventionnel peut être il y a lieu d’observer les réactions de la batterie, sans utiliser de cher in situ les détenteurs de la TEM.
Dans ce texte, comment la lithiation de réaction peut être observée avec semi-publiques. plus précisément, nous introduisons, irradiation par faisceau d’électrons produit des électrons solvatés dans l’électrolyte liquide et ils ont l’initiative lithiation en séparant les ions Li des molécules de solvant.
Semi-publiques servent également de la plate-forme optimale pour permettre l’observation directe des nanomatériaux avec des morphologies différentes, comprenant des nanoparticules6,9, nanotubes7,10,11et même 12de matériaux multidimensionnelle. Ainsi que l’analyse de la TEM ex-situ des matériaux d’électrodes après le test de cellule électrochimique réelle, il est possible que le système GLC présenté ici peut être utilisé pour étudier le mécanisme de réaction fondamentale.
Avec ces avantages de semi-publiques et ex-situ des expériences, nous introduisons ici les méthodes détaillées d’expérience pour les chercheurs qui sont prêts à effectuer des expériences semblables de GLC. Les protocoles couvrent 1) la synthèse de nanotubes de l’oxyde (SnO2) étain (IV) que les matériaux d’électrodes nanostructurés unidimensionnel typique, 2) le test de cellule électrochimique de pile, 3) la préparation du GLC et 4) l’exécution d’un TEM en temps réel observation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il y a des étapes cruciales dans le protocole. Tout d’abord, le transfert du graphène sur la grille TEM a besoin d’une attention minutieuse des chercheurs. Il est important de gérer les grilles avec des pincettes et ne pas endommager une des grilles, par exemple en détruisant la membrane carbone amorphe ou de plier le châssis. Ces types de dommages-intérêts entraînera une mauvaise couverture du graphène et affecte le nombre de poches de liquides. En outre, placer la grille supérieure à la position correcte…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF), subvention No 2014R1A4A1003712 (programme de BRL), la Corée CCS R & D Center (KCRC) subvention financés par le gouvernement de la Corée (ministère de la Science, TIC et planification Future) (No. NRF-2014M1A8A1049303), une subvention de titif du KAIST financé par le gouvernement de la Corée en 2016 (ministère de la Science, TIC et planification Future) (N11160058), le portable plate-forme matériaux Technology Center (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), une recherche nationale Fondation de la Corée (NRF) subvention financée par le gouvernement coréen (fro-2017H1A2A1042006-Global programme de bourses de doctorat), une subvention de la fondation de recherche National de Corée (NRF) financée par le gouvernement de la Corée (MSIP ; Ministère de la Science, TIC & planification Future) (fro-2018R1C1B6002624), le Nano· Programme de développement de technologie matérielle grâce à la fondation de la recherche nationale de Corée (NRF) financé par le ministère de la Science et un TIC et Future planification (2009-0082580) et grant NRF, financé par le gouvernement de la Corée (MSIP ; Ministère de la Science, TIC & planification Future) (fro-2018R1C1B6002624).
Materials
| Tin chloride dihyrate | Sigma Aldrich | CAS 10025-69-1 | In a glass bottle |
| Ethanol | Merck | CAS 64-17-5 | In a glass bottle |
| Dimethylformamide | Sigma Aldrich | CAS 68-12-2 | In a glass bottle |
| Polyvinylpyrrolidone | Sigma Aldrich | CAS 9003-39-8 | In a plastic bottle |
| Cell tester | KOREA THERMO-TECH | Maccor Series 4000 | |
| Cell tester 2 | WonaTech | WBCS4000 | |
| Sodium perchlorate | Sigma Aldrich | CAS 7601-89-0 | In a glass bottle |
| 25 gauge needle | Hwa-In Science Ltd. | ||
| 1.3 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF6) dissolved in EC/DEC with 10 wt% of FEC | PANAX ETEC | In a stainless steel bottle | |
| Propylene carbonate | Sigma Aldrich | CAS 108-32-7 | In a glass bottle |
| Super P Carbon Black | Alfa-Aesar | CAS 1333-86-4 | In a glass bottle |
| Cell components (bottom cell, top cell, separator, gasket, spring, spacer) | Wellcos Corporation | ||
| Cell punch | Wellcos Corporation | ||
| Glove Box | Moisture Oxygen Technology (MOTEK) | ||
| Box Furnace | Naytech | Vulcan 3-550 | |
| Electrospinning device | NanoNC | ||
| Hydrofluoric acid | Junsei | 84045-0350 | 85% |
| Cu foil | Alfaaesar | 38381 | Copper Thinfoil, 0.0125mm thick, 99.9% |
| Holy carbon Au grid | SPI | Quantifoil R2/2 Micromachined Holey Carbon Grids, 300 Mesh Gold | Quantifoil R2/2 Micromachined Holey Carbon Grids, 300 Mesh Gold |
| Isoprophyl alchol | Sigmaaldrich | W292907 | 99.70% |
| Ammonium persulfate | Sigmaaldrich | 248614 | 98% |
| Transmission electron microscope (TEM) | JEOL | JEOL JEM 3010 | 300 kV |
| Chemical vapor depistion (CVD) | Scientech | ||
| Charge coupled device (CCD) | Gatan | Orius SC200 | |
| Plasma Cleaner | Femtoscience | VITA | |
| Electrospinning program | NanoNC | NanoNC eS- robot |
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