Protocolo de prueba electroquímica y caracterización de aprótico Li-O<sub> 2</sub> batería
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
En 1996, Abraham y Jiang 1 informaron de la primera reversible no acuoso Li-O 2 de la batería que consta de un cátodo poroso de carbono, un electrolito orgánico, y un ánodo de Li-metal. Desde entonces, debido a su extremadamente alta densidad de energía teórica superior a la de cualquier otro sistema de almacenamiento de energía existentes, la batería Li-O 2, que induce un flujo de corriente por la oxidación de litio en el ánodo y la reducción del oxígeno en el cátodo ( Li reacción global + + O2 + e – ↔ Li 2 O 2), ha recibido recientemente un interés significativo 1-8.
Un material de cátodo con los siguientes requisitos sería capaz de atender a las necesidades de alto rendimiento de Li-O 2 de la batería: (1) la difusión de oxígeno rápido; (2) una buena conductividad eléctrica e iónica; (3) alta superficie específica; y (4) la estabilidad. Tanto el área superficial y porosidad del cátodo son críticos para la. el rendimiento electroquímico de Li-O 2 pilas 9-12 La estructura porosa permite la deposición de productos de descarga de sólidos generados a partir de la reacción de los cationes Li con O 2; y áreas superficiales más grandes proporcionan sitios más activos para dar cabida a las partículas electrocatalıticas que aceleran las reacciones electroquímicas. Tales electrocatalizadores se añaden al material de cátodo por ciertos métodos de deposición, que proporcionan una fuerte adherencia al sustrato y un buen control de las partículas de catalizador, con la preservación de la estructura de superficie porosa original del sustrato. 13-17 Los materiales preparados como se prueban en las células de tipo Swagelok como el cátodo de aprótico Li-O 2 de la batería. Sin embargo, el rendimiento de la celda no sólo depende de la naturaleza de los materiales de cátodo, sino también en el tipo de electrolito aprótico 18-22 y el ánodo Li-metal. 23-26 Más influencias incluyen la cantidad y la concentración de los materiales y la pagPROCEDIMIENTO utilizado en los ensayos de carga / descarga. condiciones y protocolos adecuados podrían optimizar y mejorar el rendimiento global de materiales de la batería.
Además de los resultados de la prueba electroquímico, el rendimiento de la batería se puede también evaluó mediante la caracterización de los materiales vírgenes y los productos de reacción. Microscopía electrónica de 27 a 33 de barrido (SEM) se utiliza para investigar la microestructura de la superficie del material de cátodo y la morfología evolución de los productos de descarga. Microscopía electrónica de transmisión (TEM), la absorción de rayos X cerca de estructura de borde (XANES), y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) se pueden utilizar para determinar la ultraestructura, estado químico, y el componente de elementos, especialmente para que las nanopartículas de catalizador. difracción de rayos X de alta energía (XRD) se utiliza para identificar directamente los productos de descarga cristalino. La posible descomposición del electrolito puede ser determinada por atenuada Fourier de reflexión total transformarinfrarrojos (ATR-FTIR) y los espectros de Raman.
Este artículo es un protocolo que demuestra una disposición sistemática y eficiente de los exámenes de rutina de la aprótico Li-O 2 de la batería, incluyendo la preparación de materiales para baterías y accesorios, la prueba de rendimiento electroquímico, y caracterización de materiales vírgenes y productos de reacción. El protocolo de vídeo detallada está destinada a ayudar a los nuevos profesionales en el campo evitan muchos problemas más comunes asociados con las pruebas de rendimiento y caracterización de Li-O 2 pilas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Teniendo en cuenta la sensibilidad del sistema de batería de Li-O 2 al aire, especialmente CO 2 y la humedad, un montón de pasos en el protocolo son necesarias con el fin de reducir los interferentes y para evitar reacciones secundarias. Por ejemplo, la célula de tipo Swagelok se monta en una caja de guantes llena de Ar con O 2 <0,5 ppm y H 2 O <0,5 ppm; y todos los materiales de cátodo, disolvente de electrolito y de la sal, de fibra de vidrio, piezas de Swagelok, y…
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 | |
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