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Engenharia

Protocollo di elettrochimica di test e caratterizzazione di aprotico Li-O<sub> 2</sub> Batteria

Published: July 12, 2016
doi:
10.3791/53740
, , ,
1Chemistry Sciences and Engineering Division,Argonne National Laboratory, 2X-ray Science Division, Advanced Photon Sources,Argonne National Laboratory

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

Nel 1996, Abraham e Jiang 1 riferito alla prima batteria reversibile non acquoso Li-O 2 costituito da un catodo poroso di carbonio, un elettrolita organico, e un anodo Li-metallo. Da allora, a causa della sua altissima densità di energia teorica superiore a quella di altri sistemi di accumulo di energia esistenti, la batteria Li-O 2, che induce un flusso di corrente per ossidazione del litio all'anodo e la riduzione dell'ossigeno al catodo ( Li reazione generale + + O 2 + e – ↔ Li 2 O 2), ha ricevuto notevole interesse recente 1-8.

Un materiale catodico con i seguenti requisiti sarebbe in grado di soddisfare le esigenze di elevate prestazioni di Li-O 2 batterie: (1) l'ossigeno veloce diffusione; (2) buona conducibilità elettrica e ionica; (3) ad alta superficie specifica; e (4) la stabilità. Sia l'area superficiale e porosità del catodo sono critici per la. prestazioni elettrochimiche di Li-O 2 batterie 9-12 La struttura porosa consente la deposizione di prodotti solidi scarico generati dalla reazione di cationi Li con O 2; e superfici più grandi offrono più siti attivi per accogliere le particelle elettrocatalitiche che accelerano le reazioni elettrochimiche. Tali elettrocatalizzatori sono aggiunte al materiale catodico da certi metodi di deposizione, che forniscono una forte adesione al substrato ed un buon controllo delle particelle di catalizzatore, con conservazione della struttura originaria superficie porosa del substrato. 13-17 I materiali preparati sono testati nelle cellule Swagelok-tipo come il catodo della batteria aprotico Li-O 2. Tuttavia, le prestazioni della cella dipende non solo dalla natura dei materiali catodici, ma anche dal tipo di elettrolita aprotico 18-22 ed anodo Li-metallo. 23-26 Altre influenze includono la quantità e la concentrazione dei materiali e la pROCEDURA utilizzato nei test di carica / scarica. condizioni e protocolli corretta sarebbero ottimizzare e migliorare le prestazioni complessive di materiali batteria.

In aggiunta ai risultati del test elettrochimico, le prestazioni della batteria può essere valutato anche caratterizzando i materiali incontaminate e prodotti di reazione. 27-33 microscopio elettronico a scansione (SEM) è utilizzato per studiare la microstruttura della superficie del materiale del catodo e la morfologia evoluzione dei prodotti di scarico. la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), l'assorbimento di raggi X in prossimità struttura di bordo (XANES), e X-ray spettroscopia fotoelettronica (XPS) possono essere utilizzati per determinare la ultrastruttura, stato chimico, e il componente di elementi, in particolare per quella di nanoparticelle di catalizzatore. Ad alta energia diffrazione di raggi X (XRD) è utilizzato per identificare direttamente i prodotti di scarico cristallina. Possibile decomposizione elettrolita può essere determinata attenuato Fourier riflessione totale trasformareinfrarossi (ATR-FTIR) e spettri Raman.

Questo articolo è un protocollo che dimostra una disposizione sistematica ed efficiente dei test di routine della aprotico batteria agli ioni di O 2, compresa la preparazione di materiali batteria e gli accessori, il test delle prestazioni elettrochimiche, e caratterizzazione di materiali incontaminate e prodotti di reazione. Il protocollo video dettagliato ha lo scopo di aiutare i nuovi professionisti nel settore evitano molti errori più comuni associati al test delle prestazioni e la caratterizzazione di Li-O 2 batterie.

Protocol

Si prega di consultare tutte le pertinenti schede di sicurezza materiale (MSDS) prima dell'uso. Molti dei prodotti chimici utilizzati in queste sintesi sono altamente tossici e cancerogeni. I nanomateriali possono avere rischi aggiuntivi rispetto alla loro controparte di massa. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate durante l'esecuzione di una reazione nanocristallo compreso l'uso di controlli tecnici (cappa aspirante, cassetto portaoggetti) e dispositivi di protezione individuale …

Representative Results

Figura 1a mostra la configurazione della cella Swagelok-tipo di test della batteria Li-O 2. Un pezzo di pellicola di litio è posto su un'asta di acciaio inox alla fine dell'anodo. Il catodo poroso è aperto a puro O 2 attraverso un tubo di alluminio. fibra di vetro è utilizzato come un separatore e un assorbitore di elettrolita aprotico; e Al-maglia è usato come una corrente di collettore. La cellula intera Swagelok tipo è sigillato in u…

Discussion

Considerando la sensibilità di Li-O 2 sistema di batteria all'aria, in particolare CO 2 e l'umidità, molti passi nel protocollo sono necessarie per ridurre gli interferenti ed evitare reazioni secondarie. Ad esempio, la cella Swagelok tipo è montato in un vano portaoggetti riempito di Ar con O 2 <0.5 ppm e H 2 O <0,5 ppm; e tutti i materiali catodici, elettroliti solvente e sale, fibra di vetro, parti Swagelok, e le camere di vetro vengono essiccati prima dell…

Declarações

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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Referências

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Luo, X., Wu, T., Lu, J., Amine, K. Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery. J. Vis. Exp. (113), e53740, doi:10.3791/53740 (2016).
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