Voorbereiding van grafeen vloeistof cellen voor de waarneming van Lithium-ion batterij materiaal
Summary
Hier presenteren we een protocol voor de fabricage en de voorbereiding van een vloeibare cel van grafeen voor in situ Transmissie Electronenmicroscopie waarnemingen, samen met een synthese van de elektrode-materialen en de elektrochemische batterij cel proeven.
Abstract
In dit werk introduceren we de voorbereiding van grafeen vloeibare cellen (GLCs), inkapselen van zowel de elektrode-materialen en de biologische vloeibare elektrolyten tussen twee grafeen bladen, en de facile synthese van eendimensionale nanostructuren met behulp van electrospinning. De GLC ingeschakeld in situ Transmissie Electronenmicroscopie (TEM) voor de dynamiek van de lithiëring van de elektrode-materialen. De in situ GLC-TEM met behulp van een elektronenbundel voor zowel de beeldvorming en de lithiëring kan gebruik maken van niet alleen realistisch batterij elektrolyten, maar ook de high-resolution beeldvorming van verschillende morfologische, fase en interfacial overgangen.
Introduction
Het verbruik van energie is onlangs, voortdurend toegenomen, evenals het belang van hoogwaardige energie opslag in entrepot zinspreuk. Om te voldoen aan dergelijke eis, de ontwikkeling van lithium-ion-batterijen hebben een hoge dichtheid van de energie, is duurzaamheid en veiligheid nodig1,2. Met het oog op batterijen met superieure eigenschappen, is een fundamenteel begrip van energie opslagmechanismen tijdens de werking van de batterij essentieel3,4,5.
In situ Transmissie Electronenmicroscopie (TEM) biedt rijke inzichten zoals zowel structurele en chemische informatie tijdens het gebruik van batterijen3kan tonen. Onder vele in situ TEM technieken, zijn GLCs gebruikt voor de observatie van de dynamiek van de lithiëring van nanomaterialen6,7,8,9,10,11 ,12. GLCs bestaan uit een vloeibare zak die door twee grafeen membranen, waarmee de interface van een werkelijke elektrode/elektrolyt doordat de verdamping van de vloeistof binnen het hoog vacuüm in een TEM kolom6,7zijn verzegeld. De voordelen van GLCs zijn dat zij een superieure ruimtelijke resolutie en hoog contrast van afbeeldingen toestaan omdat zij tewerkstellen elektron transparant éénatomige-dikke grafeen als vloeistof afdichten membraan13,14,15 ,16. Ook kan conventionele TEM gelden voor het observeren van de reacties van de batterij, zonder gebruik te maken van dure in situ TEM houders.
In deze tekst introduceren we hoe de reactie van de lithiëring kan worden waargenomen met GLCs. specifiek, electron beam bestraling produceert solvated elektronen in de vloeibare elektrolyt en ze starten lithiëring door het scheiden van Li-Ionen van oplosmiddelen moleculen.
GLCs ook dienen als de meest optimale platform mogelijk te maken van de directe observatie van nanomaterialen met verschillende morphologies, met inbegrip van nanodeeltjes6,9, nanotubes7,10,11, en zelfs multidimensionale materialen12. Samen met de ex situ TEM analyse van elektrode materialen na het testen van de werkelijke elektrochemische cel is het mogelijk dat het systeem van de GLC hier gepresenteerd kan worden gebruikt om te onderzoeken het fundamentele reactiemechanisme.
Met dergelijke voordelen van GLCs en ex-situ experimenten introduceren wij hier gedetailleerde experiment methoden voor onderzoekers die bereid zijn om soortgelijke GLC experimenten uitvoeren. De protocollen 1) de synthese van tin (IV) oxide (SnO2) nanotubes dekking als de typische eendimensionale elektrode nanostructuurmaterialen, 2) de test elektrochemische batterij cel, 3) de voorbereiding van de GLC en 4) de prestaties van een real-time TEM observatie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Er zijn kritische stappen binnen het protocol. Ten eerste, de overdracht van de grafeen op het TEM-raster moet de aandacht van de onderzoekers. Het is belangrijk om te behandelen de rasters met een pincet en niet beschadigen een van rasters, bijvoorbeeld door het vernietigen van het membraan amorf koolstof of buigen van het frame. Dit soort schade zal resulteren in een slechte dekking van de grafeen en invloed op het aantal vloeibare zakken. Bovendien is het essentieel het bovenste rooster op de juiste positie te plaatse…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation van Korea (NRF), no. 2014R1A4A1003712 verlenen (BRL Program), de Korea CCS R & D Center (KCRC) verlenen, gefinancierd door de regering van Korea (Ministerie van wetenschap, ICT & toekomst Planning) (nr. NRF-2014M1A8A1049303), een End-Run subsidie van KAIST gefinancierd door de regering van Korea in 2016 (Ministerie van wetenschap, ICT & toekomst Planning) (N11160058), de Wearable Platform materialen Technology Center (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), een nationaal onderzoek Stichting van Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (NRF-2017H1A2A1042006-Global Ph.D. Fellowship Program), een subsidie van de National Research Foundation van Korea (NRF) gefinancierd door de regering van Korea (MSIP; Ministerie van wetenschap, ICT & toekomstige Planning) (NRF-2018R1C1B6002624), de Nano· Materiële Technology Development Program via de nationale onderzoek Stichting van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap, en een ICT en toekomst Planning (2009-0082580) en de NRF subsidie gefinancierd door de regering van Korea (MSIP; Ministerie van wetenschap, ICT & toekomstige Planning) (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).
