Preparação de células de líquido de grafeno para a observação do Material da bateria de lítio-íon
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para a fabricação e a preparação de uma célula de líquido de grafeno em situ observação microscopia eletrônica transmissão, juntamente com uma síntese dos materiais de eletrodo e testes de célula de bateria eletroquímica.
Abstract
Neste trabalho, apresentamos a preparação de células de líquido de grafeno (GLCs), ambos os materiais de eletrodo e eletrólitos líquidos orgânicos entre duas folhas de grafeno e a síntese facile de nanoestruturas unidimensionais usando eletrofiação de encapsulamento. O GLC permite em situ microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para a dinâmica de lithiation de materiais de eletrodo. O em situ GLC-TEM usando um feixe de elétrons para geração de imagens e lithiation pode utilizar não só eletrólitos bateria realistas, mas também a imagem de alta resolução de vários morfológica, fase e transições de interfaces.
Introduction
Recentemente, o consumo de energia constantemente tem aumentado, bem como a importância dos dispositivos de armazenamento de energia de alto desempenho. Para atender uma demanda, o desenvolvimento de baterias de iões de lítio que tem uma alta densidade de energia, durabilidade e segurança é necessário1,2. A fim de desenvolver baterias com propriedades superiores, um entendimento fundamental dos mecanismos de armazenamento de energia durante o funcionamento da bateria é essencial3,4,5.
Em situ microscopia eletrônica de transmissão (TEM) fornece insights ricos como pode mostrar informações estruturais e químicas durante a operação de pilhas3. Entre muitos em situ TEM técnicas, GLCs têm sido utilizados para a observação da dinâmica de nanomateriais6,7,8,9,10,11 lithiation ,12. GLCs consistem em um bolso líquido selado por duas membranas de grafeno, que fornecem uma interface eletrodo/eletrólito real, impedindo a evaporação do líquido no interior do alto vácuo em uma coluna TEM6,7. As vantagens de GLCs são que permitem uma resolução espacial superior e alto contraste de imagem porque eles empregam elétron transparente espessura monoatômicos grafeno como líquido de selagem da membrana13,14,15 ,16. Também, TEM convencional pode ser aplicável para observar as reações da bateria, sem usar caro em situ TEM suportes.
Neste texto, apresentamos como pode ser observada a reação de lithiation com GLCs. especificamente, irradiação de feixe de elétrons produz solvated elétrons dentro o electrólito líquido e iniciam lithiation separando-se íons de Li de moléculas de solventes.
GLCs também servir como a plataforma mais ideal para permitir a observação direta de nanomateriais com morfologias diversas, incluindo as nanopartículas6,9, nanotubos7,10,11e até mesmo materiais multidimensional12. Juntamente com a ex situ TEM análise dos materiais de eletrodo após o teste real da célula eletroquímica, é possível que o sistema GLC apresentado aqui pode ser usado para investigar o mecanismo de reação fundamental.
Com tais vantagens de GLCs e ex situ experimentos, apresentamos aqui métodos experiência detalhada para os investigadores que estão dispostos a realizar experimentos semelhantes GLC. Os protocolos cobrem 1) síntese de nanotubos de óxido (SnO2) estanho (IV) como os típico unidimensional eletrodo de materiais nanoestruturados, 2) o teste de célula de bateria eletroquímica, 3) preparação do GLC e 4) o desempenho de um TEM em tempo real observação.
Protocol
Representative Results
Discussion
Existem etapas críticas dentro do protocolo. Primeiro, a transferência do grafeno para o grid TEM precisa de muita atenção dos pesquisadores. É importante lidar com as grades com uma pinça e não danificar qualquer uma das grades, por exemplo por destruir a membrana de carbono amorfo ou dobrando-se o quadro. Esses tipos de danos resultará em uma cobertura deficiente do grafeno e afetar o número de bolsas de líquido. Além disso, colocando a grelha superior na posição certa é fundamental. Conforme descrito no …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado pela nacional pesquisa Fundação da Coreia (NRF), concessão n. º 2014R1A4A1003712 (programa de BRL), a Coreia CCS R & D Center (KCRC) concedem financiado pelo governo da Coreia (Ministério da ciência, TIC e planejamento do futuro) (não. NRF-2014M1A8A1049303), uma concessão de End-Run de KAIST financiado pelo governo da Coreia em 2016 (Ministério da ciência, TIC e planejamento do futuro) (N11160058), o Wearable plataforma materiais Technology Center (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), uma pesquisa nacional Fundação da Coreia (NRF) subvenção financiada pelo governo coreano (NRF-2017H1A2A1042006-Global pH.d. Fellowship Program), uma concessão de pesquisa nacional Fundação da Coreia (NRF), financiada pelo governo da Coreia (MSIP; Ministério da ciência, TIC & planeamento futuro) (NRF-2018R1C1B6002624), a Nano· Programa de desenvolvimento de tecnologia de material através da nacional Research Foundation de Coreia (NRF) financiado pelo Ministério da ciência e um TIC e o futuro planejamento (2009-0082580) e a NRF grant financiada pelo governo da Coreia (MSIP; Ministério da ciência, TIC & planeamento futuro) (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 |
Riferimenti
- 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).
