Beredning av grafen flytande celler för observationen av litium-jon batterimaterial
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för tillverkning och beredning av en grafen flytande cell för i situ överföring elektronmikroskopi observation, tillsammans med en syntes av elektrodmaterial och elektrokemisk cell batteritester.
Abstract
I detta arbete införa vi beredning av grafen flytande celler (GLCs), kapsla in både elektrodmaterial och organiska flytande elektrolyter mellan två grafen ark och lättköpt syntesen av endimensionella nanostrukturer med electrospinning. GLC gör i situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) för lithiation dynamiken i elektrodmaterial. Den i situ GLC-TEM använder en elektronstråle för både imaging och lithiation kan utnyttja inte bara realistisk batteri elektrolyter, men också av högupplösta imaging av olika morfologiska, fas, och ozonmätare övergångar.
Introduction
Nyligen, förbrukning av energi har ständigt ökat, liksom vikten av högpresterande energibehållarna. För att möta sådan efterfrågan, utvecklingen av litium-jon-batterier som har en hög energitäthet, är hållbarhet och säkerhet nödvändiga1,2. För att utveckla batterier med överlägsna egenskaper, är en grundläggande förståelse av mekanismer för lagring av energi under batteridrift essential3,4,5.
In situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) ger rika insikter som kan visa både strukturella och kemisk information under driften av batterier3. Bland många i situ TEM tekniker, har GLCs använts för observationen av lithiation dynamiken av nanomaterial6,7,8,9,10,11 ,12. GLCs består av en flytande ficka förseglad med två grafen membran, som ger ett faktiska elektrod/elektrolyt-gränssnitt genom att hindra avdunstning av vätskan inuti hög vakuum i en TEM kolumn6,7. Fördelarna med GLCs är att de tillåter en överlägsen rumslig upplösning och hög imaging kontrast eftersom de anställer elektron transparent monatomiskt tjock grafen som flytande tätning membran13,14,15 ,16. Konventionella TEM kan också gällande att observera batteriet reaktioner, utan att använda dyra i situ TEM innehavare.
I denna text, introducerar vi hur lithiation reaktionen kan observeras med GLCs. specifikt, electron beam bestrålning producerar solvatiserade elektroner släpper den flytande elektrolyten och de inleda lithiation genom att separera Li joner från lösningsmedel molekyler.
GLCs fungerar också som den mest optimala plattformen att tillåta direkt observation av nanomaterial med olika morfologier, inklusive nanopartiklar6,9, nanorör7,10,11, och även flerdimensionella material12. Tillsammans med ex situ- TEM analys av elektrodmaterial efter faktiska elektrokemisk cell testning är det möjligt att GLC systemet presenteras här kan användas för att undersöka de grundläggande Reaktionsmekanism.
Med sådana fördelar GLCs och ex situ- experiment införa vi här detaljerade experiment metoder för forskare som är villiga att genomföra liknande GLC experiment. Protokollen täcka 1) syntes av tenn (IV) oxid (SnO2) nanorör som de typiska endimensionell nanostrukturerade elektrodmaterial, 2) den elektrokemiska cellen batteritest, 3) utarbetandet av GLC och 4) prestanda hos en realtid TEM observation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det finns kritiska steg i protokollet. Först behöver överföring av grafen på TEM rutnätet forskarnas noggrann uppmärksamhet. Det är viktigt att hantera rutnäten med pincett och inte skadar någon av elnät, exempelvis genom att förstöra amorft kol membranet eller böja ramen. Dessa typer av skador kommer att resultera i en dålig täckning av grafen och påverka antalet flytande fickor. Att placera det övre rutnätet till höger är dessutom kritiska. Som beskrivs i protokollet, måste det övre rutnätet pla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete fick stöd av den nationella Research Foundation i Korea (NRF), bevilja nr 2014R1A4A1003712 (BRL Program), Korea CCS R & D Center (KCRC) bevilja finansieras av Korea regeringen (ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering) (nr. NRF-2014M1A8A1049303), ett End-Run stipendium från KAIST finansieras av Korea regeringen under 2016 (ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering) (N11160058), Wearable plattform material Technology Center (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), en nationell forskning Grundandet av Sydkorea (NRF) bidraget finansieras av den koreanska regeringen (NRF-2017H1A2A1042006-Global Ph.D. Fellowship Program), National Research Foundation i Korea (NRF) bidrag finansieras av Korea regeringen (MSIP; Ministeriet för vetenskap, ICT & framtida planering) (NRF-2018R1C1B6002624), Nano· Material Technology Development Program genom den nationella Research Foundation i Korea (NRF) finansieras av ministeriet för vetenskap, och en IKT och framtida planering (2009-0082580) och NRF bidraget finansieras av Korea regeringen (MSIP; Ministeriet för vetenskap, ICT & framtida planering) (NRF-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 |
References
- Sun, Y. -. K., et al. Nanostructured high-energy cathode materials for advanced lithium batteries. Nature Materials. 11 (11), 942-947 (2012).
- Manthiram, A., Fu, Y., Chung, S. -. H., Zu, C., Su, Y. -. S. Rechargeable Lithium-Sulfur Batteries. Chemical Reviews. 114 (23), 11751-11787 (2014).
- Liu, X. H., Huang, J. Y. In situ TEM electrochemistry of anode materials in lithium ion batteries. Energy Environmental Science. 4 (10), 3844-3860 (2011).
- Xie, Z. -. H., Jiang, Z., Zhang, X. Review-Promises and Challenges of In Situ Transmission Electron Microscopy Electrochemical Techniques in the Studies of Lithium Ion Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 164 (9), 2100-2123 (2017).
- Tripathi, A. M., Su, W. -. N., Hwang, B. J. In situ analytical techniques for battery interface analysis. Chemical Society Reviews. 47 (3), 736-851 (2018).
- Yuk, J. M., Seo, H. K., Choi, J. W., Lee, J. Y. Anisotropic lithiation onset in silicon nanoparticle anode revealed by in situ graphene liquid cell electron microscopy. ACS Nano. 8 (7), 7478-7485 (2014).
- Cheong, J. Y., et al. Growth dynamics of solid electrolyte interphase layer on SnO2 nanotubes realized by graphene liquid cell electron microscopy. Nano Energy. 25, 154-160 (2016).
- Lee, K., Shin, S., Degen, T., Lee, W., Yoon, Y. S. In situ analysis of SnO2/Fe2O3/RGO to unravel the structural collapse mechanism and enhanced electrical conductivity for lithium-ion batteries. Nano Energy. 32, 397-407 (2017).
- Chang, J. H., et al. Direct realization of complete conversion and agglomeration dynamics of SnO2nanoparticles in liquid electrolyte. ACS Omega. 2 (10), 6329-6336 (2017).
- Cheong, J. Y., et al. In Situ High-Resolution Transmission Electron Microscopy (TEM) Observation of SnNanoparticles on SnO2 Nanotubes Under Lithiation. Microscopy Microanalysis. 23 (6), 1107-1115 (2017).
- Cheong, J. Y., et al. Revisiting on the effect and role of TiO2 layer thickness on SnO2 for enhanced electrochemical performance for lithium-ion batteries. Electrochimica Acta. 258, 1140-1148 (2017).
- Hwa, Y., Seo, H. K., Yuk, J. M., Cairns, E. J. Freeze-Dried Sulfur-Graphene Oxide-Carbon Nanotube Nanocomposite for High Sulfur-Loading Lithium/Sulfur Cells. Nano Letters. 17 (11), 7086-7094 (2017).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336 (6084), 61-64 (2012).
- Jeong, M., Yuk, J. M., Lee, J. Y. Observation of Surface Atoms during Platinum Nanocrystal Growth by Monomer Attachment. Chemistry of Materials. 27 (9), 3200-3202 (2015).
- Yuk, J. M., et al. Real-Time Observation of Water-Soluble Mineral Precipitation in Aqueous Solution by In situ High-Resolution Electron Microscopy. ACS Nano. 10 (1), 88-92 (2015).
- Wang, C., Qiao, Q., Shokuhfar, T., Klie, R. F. High-Resolution Electron Microscopy and Spectroscopy of Ferritin in Biocompatible Graphene Liquid Cells and Graphene Sandwiches. Advanced Materials. 26 (21), 3410-3414 (2014).
- Cheong, J. Y., Kim, C., Jang, J. S., Kim, I. -. D. Rational design of Sn-based multicomponent anodes for high performance lithium-ion batteries: SnO2@TiO2@reduced graphene oxide nanotubes. RSC Advances. 6 (4), 2920-2925 (2016).
- Mel, A. -. A., Nakamura, R., Bittencout, C. The Kirkendall effect and nanoscience: hollow nanospheres and nanotubes. Beilstein Journal of Nanotechnology. 6, 1348-1361 (2015).
- Cheong, J. Y., Kim, C., Jung, J. -. W., Yoon, K. R., Kim, I. -. D. Porous SnO2-CuO nanotubes for highly reversible lithium storage. Journal of Power Sources. 373, 11-19 (2018).
- Ao, X., et al. Porous Honeycomb-inspired design of ultrafine SnO2@C nanospheres embedded in carbon film as anode materials for high performance lithium- and sodium-ion battery. Journal of Power Sources. 359, 340-348 (2017).
- Abellan, P., et al. Probing the Degradation Mechanisms in Electrolyte Solutions for Li-Ion Batteries by in Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 14, 1293-1299 (2014).
