Name: 放射光技術を用いたリチウムイオンとナトリウムイオン電池用電極材料のキャラクタリゼーション (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-11T19:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 3 s
Description: 学ぶ リチウムイオン電池とナトリウムイオン電池の電極材料の構造変化を、放射光X線吸収分光法とX線回折法を用いてリアルタイムで解析する方法。充放電サイクル中の相転移と劣化メカニズムの理解に役立つ。

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この作品は、米国エネルギー省の自動車技術の事務所は、契約番号DE-AC02-05CH11231の下で、エネルギー効率と再生可能エネルギー次官補によってサポートされています。本研究の一部は、スタンフォード放射光光源、SLAC国立加速器研究所の理事およびスタンフォード大学で科学エネルギー局の米国防総省のために運営事務科学ユーザー施設で実施した。 SSRL構造分子生物学プログラムは、生物·環境研究のDOEのOfficeでサポートされている、と米国立衛生研究所、研究資源のための国民の中心、生物医学技術プログラム（P41RR001209）によるものである。

1。実験の計画<ol><li>興味のあるビームライン実験を識別します。ガイドとしてビームラインのWebページを参照してください。 SSRL XAS及びXRD、これらのためのare: <a href="http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-1/" target="_blank">http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-1/</a> and <a href="http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-3/" target="_blank">http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl4-3/</a> and <a href="http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl11-3/" target="_blank">http://www-ssrl.slac.stanford.edu/beamlines/bl11-3/</a> <ol><li>ビームラインの科学者に連絡して、実験の詳細を説明します。 </li></ol></li><li>関連のウェブサイトに行くことによって、期限や提案のための要求事項を確認してください。 </li><li>ビームタイムの提案を書いて提出してください。 </li><li>提案は、スケジュールのビームタイムを獲得された後。 </li><li>ビームタイムの準備のために、施設の指示に従ってください。実験の詳細を検討して、Tや機器、および安全上の問題（特にアルカリ金属を含有するデバイスの）材料のransport。安全教育は、一般的に、新しいユーザーに必要です。 </li></ol> 2。材料、電極、および細胞の調製<ol><li>興味のある活物質を合成したり取得。 </li><li>の手順を使用して、従来のX線粉末回折によって、材料を特徴づける2.2.1-2.2.9。 <ol><li>均一な粒度分布を確実にするために、粉末を粉砕し、篩。 </li><li>サンプルホルダーにサンプルをロードします。ホルダーからバックプレートを取り外し、ガラススライドに対してそれを配置します。バックプレート、フリップホルダーを取り付け、スライドを削除した後、粉末で空洞を満たす。これは、粉末であっても、ホルダの表面と表面が平坦であることであることを保証する。 </li><li>回折計のためのログブックにログインします。 </li><li>回折計に試料ホルダーを挿入し、位置を合わせます。 </li><li>回折計の近くのドア。 </li><li>パンに接続されたコンピュータ上のデータコレクタプログラムを使用してalytical回折計、測定に適した値に電圧と電流を増加させる。実験のためのスリットとビームマスクを選択します。スキャン用のプログラムを選択するか、変更します。 </li><li>プログラムと名前のデータファイルを起動します。プログラムによってプロンプトが表示されたら、バッジをスワイプして回折計のドアをロックします。データを収集します。 </li><li>ハイスコ​​アのプログラムを用いてパターンを分析します。具体的には、不純物（余分な反射）の存在を見て、パターンが参考資料または計算パターンのものと一致するかどうか。 </li><li>回折計からサンプルを取り出します。電流と電圧、およびクローズドアを下げます。異常な状況を指摘し、ログアウトします。 </li></ol></li><li>ステップ2.3.1-2.3.10を用いて、粒子形態を評価するために走査型電子顕微鏡写真を得た。 <ol><li>アルミスタブにカーボンテープを装着し、粘着面上に試料粉末を散布することによって、試料を準備します。サンプル上のキッチンマグネットを保持することによって、磁気のためのテスト。 </li><li> airloを経由して、SEMチャンバー内に試料を挿入CK。 </li><li>真空が確立されると、上の加速電圧をオン。 </li><li>低倍率モードでは、コントラスト及び明るさを調整する。これは、最も便利にACBボタンを使用して行われます。 </li><li>手動でx、y方向に走査することによって、関心領域を見つける。 </li><li>より高い倍率が所望される場合にSEMまたは穏やかなビームモードに切り替える。希望する検出器を選択し、実験のための適切な値に作動距離を設定します。 </li><li> ACBノブを使用してコントラストと輝度を調整します。 </li><li>ステージZ制御を備え​​た画像の焦点を合わせる。 </li><li>梁、正しい非点収差を合わせ、XとYのノブを使用して焦点を合わせる。 </li><li>必要に応じて写真のボタンを使用して、写真を撮って、コンピュータの適切なフォルダに保存します。 </li><li>終了したら、加速電圧オフにしてください。位置を交換し、エアロックを介してチャンバから削除するサンプルを移動します。 </li></ol></li><li>必要に応じてICPで元素分析を実施し、このような赤外線のような他の任意の所望の技術と材料を特徴づけるまたはラマン分光法。 </li><li>ステップを使用して、電極を作製2.5.1-2.5.8。 <ol><li> N-メチルピロリジノン（NMP）中で5〜6％の溶液（重量）ポリフッ化ビニリデン（PVDF）を作る。 </li><li>一緒にミル活物質と導電助剤（アセチレンブラック、グラファイト等 ）。 </li><li>ステップ2.3.2から、ステップ2.3.1からの乾燥粉末にNMP溶液を加えて混合する。割合は、活性物質の性質に応じて異なるが、80:10:10（活物質：PVDF：導電助剤）の最終乾燥組成物は、一般的である。 </li><li> AlやCu集電体上にドクターブレードおよび（オプションで）真空テーブル、キャスト電極スラリーの使用。炭素被覆されたAl箔は、Liイオン電池正極材料およびすべてのNaイオン電極材料に使用することができる、およびCu箔をリチウムイオンの負極材料に使用される。 </li><li>電極は、空気乾燥させます。 </li><li>さらに、IRランプ、ホットプレート、または真空オーブンを用いて乾燥した電極。 </li><li>カットまたは必要なサイズに電極をパンチ。あるelectrを量る常微分方程式。 </li><li>不活性雰囲気のグローブボックスに電極を転送します。グローブボックスに取り付けられた真空加熱前室を使用して、追加の乾燥工程は、全ての残留水分を除去することをお勧めします。 </li></ol></li><li>の手順を使用して、初期特性、 現場外試料 、および/ ​​またはビームライン実験のために、電気化学デバイス（通常、コイン型セルが、他の構成は、電気化学的特徴付けのために使用することができる）を組み立てる2.6.1-2.6.7。 <ol><li>不活性雰囲気のグローブボックス内のすべての必要なコンポーネントを集める。 </li><li>希望のサイズにリチウム又はナトリウム箔をカット。 </li><li>所望の大きさに微多孔区切りをカットします。 </li><li>デバイス内の順に層成分：電極、セパレータ、電解液、およびLi又はNa箔。 </li><li>スペーサーを追加し、必要に応じてワッシャーを振る。 </li><li>コイン電池プレスを用いてセルを封止する。 </li><li> インサイチュ XRD実験において 、コインセルのいずれかの側にタブを取り付け、ポリエステルパウチ内のデバイスを封止するため。</li></ol></li><li>手順2.7.1-2.7.6を使用して、初期特性や現場外の仕事のための電気化学的な実験を行う。 <ol><li>デバイスへのポテンショスタット/ガルバノまたはサイクラーからのリード線を接続し、開回路電位を測定。 </li><li>希望の電気化学実験のためのプログラムを書いたり、アーカイブされたプログラムを選択します。 </li><li>実験を実行し、データを収集します。 </li><li> 現場外実験のために、ショートさせないように注意しながら、グローブボックス内のデバイスを分解します。コイン型電池の場合は、コインセル分解ツールまたはテフロンテープで包んプライヤのいずれかを使用する。 </li><li>残留電解質塩を除去するために炭酸ジメチルと、電極を洗浄します。それらを乾燥させる。 </li><li> X線回折実験やスコッチテープXASおよびグローブボックスに保管して実験が行われるまでのためのカプトンホイルで域外研究のためのカバー電極。 </li></ol></li><li> XASによる研究のために意図された粉末は、粒子サイズの均質性を確保するために篩い分けする必要がありますneity。そして、彼らはスコッチテープのいくつかの部分に振りかけても良い。一連のサンプルは、その後徐々に一緒に粉末状のテープより多数枚積層して製造することができる。ユーザが最適な信号のために必要と粉末の量が不明である場合に特に有用である。 <ol><li>ユーザーは、最適な信号になりますかについて自信を持っている場合には代わりに、XAS測定用の粉末は、BNで希釈してもよい。 </li></ol></li></ol> 3。シンクロトロン施設での実験のパフォーマンス<ol><li>数日間実験前、始め施設に資機材の輸送を計画することです。 <ol><li>アルカリ金属アノードを含むデバイスの場合、送料は個人情報や公用車の交通に関連する危険を避けるために必要です。 </li><li>このような携帯ガルバノスタット/ポテンショスタットおよびラップトップコンピュータなどの機器や、 現場外の仕事のための電極としての危険性のないサンプルがbrougかもしれ任意の便利な方法で実験を行う個人による施設へのHT。 </li></ol></li><li>チェックインと施設で登録します。 </li><li> その場での及び域外 X線回折実験の両方のために、キャリブレーションの目的でのLaB 6の基準パターンを取る。 <ol><li>手順については、ビームラインの科学者や担当者に連絡してください。 </li><li>右ビーム条件を見つけるためにビームを校正します。 </li><li>演習6の参照パターンを測定します。 </li></ol></li><li> その場 X線回折実験では、デバイスを設定し、ステップ3.4.1-3.4.6以下の実験を開始します。 <ol><li>アル圧力プレートに袋を入れ、穴が適切にX線ビームを送信することができるように整列していることを確認してください。 </li><li>最適なビーム位置と露光時間を見つける。長期暴露は、過飽和につながることができます。サンプルが揺動又は固定されるかどうかを決定します。 </li><li>電気化学が開始される前の初期のパターンを取る。 </li><li> GALVからのリード線を接続しますデバイスへのanostat /ポテンショスタット。 </li><li>電気化学実験を開始します。 </li><li>データを取得する。実験が進行中であると、データ収集は自動で行われ、ユーザーは予定通りの実験を行っていることを確認するために監督するだけで済みます。 </li></ol></li><li> XAS実験をセットアップします。 <ol><li>チェックインおよび手順については、ビームラインの科学者や担当者にお問い合わせください。 </li><li> （測定されている金属に応じて、ニッケルのKエッジ例えば Ni）のサンプルとホイル参考資料を挿入します。 </li><li>サンプルの位置を合わせます。 </li><li> IFEFFITのヘパイストスを使用して、特定の金属エッジのエネルギーを決定する。楽曲モノクロメータ、より高次の高調波を除去するために約30％、次いで脱同調。 I 1とI 2小節のオフセットを調整するためのゲインを変更します。 </li><li>測定を行う。二つ以上のスキャンを取り、興味のある要素にマージする必要があります。 </li><li>必要に応じて繰り返して、付加的な要素のために3.5.5に3.5.3を繰り返します。 </li></ol></li></ol> 4。データ分析<ol><li> X線回折の仕事のため、演習6画像のキャリブレーションを行います。 <ol><li> Googleのコードから利用されている領域回折機、（ダウンロード<a href="http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/" target="_blank">http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/</a> ）。 </li><li>演習6回折画像を開き、ファイルヘッダから初期校正値を使用します。 </li><li>のLaB 6の基準Q（=2π/ D）の値を開きます。 </li><li> Q値と校正値の初期推定ラボ6回折像を校正します。 </li><li>画像フィッティングによって正しい校正値を取得します。 </li><li>キャリブレーション·ファイルにキャリブレーション値を保存します。 </li></ol></li><li>実験からのデータ画像のキャリブレーションを行います。 <ol><li>実験からの回折像を開きます。 </li><li> （ステップ4.1.6で保存された）のLaB 6の基準からキャリブレーションファイルを開きます。 </li><li>オープン番目E参照Q AlやCuの（=2π/ D）の値（電極用集電体）と内部標準としてそれらを使用しています。 </li><li>画像フィッティングによってパターン画像を校正します。 </li><li>強度データ（ラインスキャン）対Qに画像を統合します。 </li><li>希望フィッティングプログラムを用いてフィットパターン（CelRef、Powdercell、RIQAS、GSAS、等 。）。 </li></ol></li><li>任意の便利な作図プログラム（エクセル、起源、カレイダ、イゴール、等 。）を使用して電気化学的なデータを処理する。 </li><li> XASデータの場合、分析のためのIFEFFITソフトウェアパッケージ中ARTEMIS / ATHENAを使用しています。 <ol><li>基準金属の吸収スペクトルの導関数の最初のピークを用いてデータを較正する。 </li><li>スキャンのようにマージします。 </li><li>背景を減算し、データを正規化する。 </li><li> EXAFSデータを分離するためにAUTOBK関数を使用します。 </li><li>フーリエEXAFSデータを変換。 </li><li> structuraを抽出するために、RまたはK空間でフーリエ変換されたスペクトルとの最小二乗適合を使用L情報。 </li></ol></li></ol>

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著者らは、開示することは何もありません。

XANESデータの解析は、メイドのLiNiは、Co 1-2XマンガンX O 2（0.01≤X≤1）の化合物は、Ni 2 +、CO 3 +およびMn 4 +が含まれています。10最近のLiNi その場 XAS調査で Xことを示しています、0.4 Co 0.15 Alの0.05マンガン0.4 O 2を、Ni 2 +は 、最終的にはNi 4 +脱リチウム化の間にNi 3 +に酸化されたことを示したが、CO 3 +を含むその酸化還元プロセスは、低状態の充電でいくらかの容量を寄付低コバルト組成物を含む7。別の研究では、以前の仮定のLiNi 0.45 Coの0.1-γのAl <s...

民生用電子機器用リチウムイオン電池は現在、全世界で110億ドル市場に命じる( <a href="http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/" target="_blank">http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/</a> )そして、このようなプラグインハイブリッド電気自動車（PHEVsは）や電気自動車（EV）などの新しい車両用途のための最高の選択肢です。むしろ、リチウム以外のナトリウムイオンを利用してこれらのデバイスへのアナログは、開発の初期段階にあるが、大規模エネルギー貯蔵コストと供給セキュリティ引数1、2に基づく（ すなわち、グリッドアプリケーション）にとって魅力的と考えられている。アルカリ金属イオンは、異なる電位に挿入プロセスを受けるホスト構造として作用する二つの電極間で往復する。両方の二重インターカレーションシステムは、同じ原理で動作する。自身がrelはアール電気化学セル通常、有機溶媒（ 図1）の混合物に溶解塩からなる電解液を飽和多孔質膜によって分離され、集電体上に複合正極および負極からなる、atively単純。グラファイトおよびLiCoO 2がリチウムイオン電池のために、それぞれ、最も一般的に用いられる負および正の電極である。いくつかの代替の電極材料はまた、ポジティブ、及び硬質炭素ためのLiMn 2 O 4スピネル、オリビン構造を有するLiFePO 4を 、およびのNMC（のLiNiは、Mnは、Co 1-2×O 2の化合物をX X）の変異体を含む、特定の用途のために開発されている李4チタン5 O 12、およびネガ3スズとリチウムとの合金。のLiNi 0.5 Mnが1.5 O 4、このような階層化層の複合材料（ 例えば XLI 2 MnOを&lt;などの新しい高容量の材料のような高電圧材料サブ&gt; 3·（1-x）が0.5のNi 0.5 O 2のLiMn）、複数の酸化還元状態の変化、およびLi-Si合金アノードを受けることができる遷移金属との化合物が正常に展開されている場合、現在、熱心な研究の対象であり、そして、必要がありますさらに、リチウムイオン電池の実用エネルギー密度を上昇させる。遷移金属酸化物、硫化物、またはフッ化物を可逆的に金属元素とリチウム塩に還元された変換電極として知られている材料の別のクラスは、（主に陽極の代替として）、電池用電極として使用するために検討中でもある4。ナトリウムに基づくデバイス、ハードディスク炭素、合金、NASICON構造、およびチタネートが陰極として陽極と種々の遷移金属酸化物およびポリアニオン化合物として使用するために研究されている。 リチウムイオンおよびナトリウムイオン電池は、固定の化学的性質に基づいていないため、それらの性能特性は、かなりのtに依存して変動彼が使用されること電極。電極の酸化還元挙動は、潜在的なプロファイル、レート能力、およびデバイスのサイクル寿命を決定します。従来の粉末X線回折（XRD）技術は、自然のままの材料および循環電極上域外測定の初期の構造的特徴付けのために使用することができるが、このような低い信号強度などの実用性を考慮してデータを収集するために必要な比較的長い時間は情報の量を制限するすなわち、充放電過程で得ることができる。対照的に、高輝度放射光の短波長（ 例えば、λ=スタンフォードシンクロトロン光源のビームライン11-3少なくとも0.97オングストローム）ハイスループット、画像検出器の使用と組み合わせて、内のサンプル上の高解像度データの許可の取得10秒ほど少しその場の仕事には、チャージを受けて細胞成分で透過モードで実行され、密閉されたが、放電されているデータを取得する動作を停止することなく、X線に対して透明なパウチ。その結果、電極構造変化は、細胞周期として「時間におけるスナップショット」として観察することができ、多くの情報は、従来の技術よりも得ることができる。 X線吸収分光法（XAS）は、時にはX線吸収微細構造（XAFS）は、材料の局所的な電子及び幾何学的構造についての情報を与えると称する。 XAS実験において、光子エネルギーは、調査中の特定の元素の特徴的な吸収端に調整される。最も一般的に電池材料のために、これらのエネルギーは、目的の遷移金属のK-エッジ（の1s軌道）が、O、F、C、B、N、および最初の行のL 2,3エッジに同調ソフトXAS実験に対応遷移金属はまた、時々 域外試料 5に対して行う。 XAS実験によって生成されたスペクトルは、いくつかのdistに分けることができる異なる情報を含むINCTの領域は、（Newville、M.、XAFSの基礎、参照<a href="http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&amp;do=get&amp;target=Newville_xas_fundamentals.pdf" target="_blank">http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&amp;do=get&amp;target=Newville_xas_fundamentals.pdfを</a> ）。主な特徴は、吸収端からなり、約30〜50のEVを越えて延びるエッジ構造近X線吸収（XANES）領域であり、状態を連続体イオン化閾値を示している。これは吸収体の酸化状態や配位化学に関する情報が含まれています。スペクトルのより高いエネルギ部分は、拡張X線吸収微細構造（EXAFS）領域として知られており、隣接する原子オフ吐出される光電子の散乱に対応する。この領域のフーリエ解析は、このような結合の長さおよび隣接するイオンの数及びタイプなどの短距離構造情報を与える。 Preedgeはcharacteristを下回っていますいくつかの化合物のIC吸収エネルギーはまた時々表示されます。これらは、八面体の幾何学的形状のための束縛状態、または四面体のもの双極子許容軌道の混成効果を空にするために、ダイポール、禁制電子遷移から生じ、多くの場合、吸収イオン（ 例えば 、それが四面体や八面体の協調であるかどうか）の局所的対称性と相関させることができる6。 XASは、最初の酸化還元状態を決定するためのNMCなどのような混合金属システムを研究している遷移金属イオンがリチウム化及び脱リチウム化プロセスの間に酸化還元を受けるために特に有用な技術である。いくつかの異なる金属上のデータは、単一の実験で迅速に得ることができ、合理的解釈は単純である。対照的に、メスバウアー分光法は電池材料（主に、FeおよびSn）の中で使用される少数の金属に限定される。磁気測定はまた、酸化状態を決定するために使用することができるが、磁気結合の効果は、合併症ができる特に、のNMCなどの複雑な酸化物のTE解釈。 十分に計画および実行さその場および域外のシンクロトロンX線回折および XAS実験は、相補的な情報を提供し、より完全な絵は、従来の技術を介して得ることができるものよりも、通常のバッテリ動作時に電極材料に生じる構造変化で形成することができます。これは、順番に、デバイスの電気化学的挙動を支配するものをより深く理解を提供します。

<table><tbody><tr><td colspan="4">Equipment</td></tr><tr><td>不活性雰囲気グローブボックス</td><td>真空雰囲気</td><td>カスタムオーダー、ベンダーに連絡する</td><td>セルの組み立て中、およびアルカリ金属や湿気に敏感な部品を保管するために使用されます。(<a href="http://vac-atm.com" target="_blank">http://vac-atm.com</a>)</td></tr><tr><td>不活性雰囲気グローブボックス</td><td>Mbraun</td><td></td><td>様々なサイズ(シングル、ダブル)が利用可能で、ミニまたは加熱された控え室酸素/水除去システム、棚、電気フィードスルー、etcなどの多くのオプション。(<a href="http://www.mbraunusa.com" target="_blank">http://www.mbraunusa.com</a>)</td></tr><tr><td>粉末X線回折計(XRD)</td><td>Panalytical</td><td>X'Pert Powder</td><td>X'Pertはモジュール式システムです。専門的な実験のための多くのアクセサリーが利用可能です。(<a href="http://www.mbraunusa.com" target="_blank">www.panalytical.com</a>)</td></tr><tr><td>粉末X線回折装置(XRD)</td><td>Bruker</td><td>Bruker D2 Phaser</td><td>Bruker D2 Phaserはコンパクトで、日常的な粉体分析に適しています。(<a href="www.bruker.com" target="_blank">www.bruker.com</a>)</td></tr><tr><td>走査型電子顕微鏡(SEM)</td><td></td><td>JSM7500F</td><td>多数のカスタマイズ可能なオプションを備えた高分解能電界放出型走査型電子顕微鏡。日本電子 (<a href="http://www.jeolusa.com" target="_blank">http://www.jeolusa.com</a>) 低コストの卓上版もご用意しています。オプションについてはベンダーにお問い合わせください。</td></tr><tr><td>ポーチシーラー</td><td>VWR</td><td>11214-107</td><td>in situ work用のポーチをシールするために使用されます。(<a href="https://us.vwr.com/" target="_blank">https://us.vwr.com</a>)</td></tr><tr><td>手動圧着工具</td><td>Pred Materials</td><td>HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320</td><td>コイン電池のシールに使用されます。コイン電池のハードウェアにサイズを合わせます。(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>コイン電池分解ツール</td><td>Pred Materials</td><td>Contact vendor</td><td>ex situ作業用の電極を回収するためにコイン電池を分解するために使用されます。ラジオペンチも使用できます。セルがショートしないように、端をテフロンテープで覆います。(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>フィルムキャスティングナイフ</td><td>BYKガードナー</td><td>4301、4302、4303、4304,4305,2325、2326、2327、2328、2329</td><td>スラリーから電極フィルムをキャストするために使用されます。メートル法または英語のグラデーションのいずれかで、さまざまなサイズが利用可能です。バーフィルムまたはベーカータイプのアプリケーターとドクターブレードは、用途が広くありませんが、低コストのオプションです。手で使用することも、自動フィルムアプリケーターと一緒に使用することもできます。(<a href="https://www.byk.com/" target="_blank">https://www.byk.com</a>)</td></tr><tr><td>ドクターブレード、ベイカーアプリケーター、</td><td>プレドマテリアル</td><td>ベイカータイプのアプリケーター、ドクターブレード。フィルムキャスティングナイフもご用意しています。</td><td>スラリーから電極膜を成膜するために使用されます。メートル法または英語のグラデーションのいずれかで、さまざまなサイズが利用可能です。バーフィルムまたはベーカータイプのアプリケーターとドクターブレードは、用途が広くありませんが、低コストのオプションです。手で使用することも、自動フィルムアプリケーターと一緒に使用することもできます。(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>自動フィルムアプリケー</td><td>ターBYKガード</td><td>ナー2101、2105、2121、2122</td><td>オプション。バーアプリケーター、ドクターブレード、またはフィルムキャスティングナイフと一緒に使用して、自動電極フィルム製造を行います。フィルムは手作業で作ることもできますが、均一性が低くなります。(<a href="https://www.byk.com/" target="_blank">https://www.byk.com</a>)</td></tr><tr><td>自動フィルムアプリケー</td><td>ターPred Materials</td><td>ベンダーへのお問い合わせ</td><td>オプション。バーアプリケーター、ドクターブレード、またはフィルムキャスティングナイフと一緒に使用して、自動電極フィルム製造を行います。フィルムは手作業で作ることもできますが、均一性が低くなります。(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>ポテンショスタット/ガルバノスタット</td><td>バイオロジック科学機器</td><td>VSP</td><td>ポータブル5チャンネルコンピュータ制御ポテンショスタット/ガルバノスタットは、in situ実験のための細胞を循環させるために使用されます。(<a href="http://www.bio-logic.info/" target="_blank">http://www.bio-logic.info</a>)</td></tr><tr><td>ポテンショスタット/ガルバノスタット</td><td>Gamry Instruments</td><td>Reference 3000</td><td>携帯型シングルチャンネルコンピュータ制御ポテンショスタット/ガルバノスタットは、in situ実験のための細胞のサイクルに使用されます。(<a href="www.gamry.com" target="_blank">www.gamry.com</a>)</td></tr><tr><td>エリア回折機</td><td></td><td>無料ダウンロード</td><td>2次元回折データの解析に使用します。Mac版とWindows版があります。<a href="http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/" target="_blank">http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/</a</td></tr><tr><td>>IFEFFIT</td><td></td><td>ヘ</td><td>ファイストス、アテナ、アルテミスなど、XAS分析用のインタラクティブプログラムのスイートを無料でダウンロードします。Mac、Windows、UNIX で使用できます。<a href="http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/" target="_blank">http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/</a</td></tr><tr><td>>SIXPACK</td><td></td><td></td><td>IFEFFITを基盤とするXAS解析プログラムを無料でダウンロード。Windows版とMac版。<a href="http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html" target="_blank">http://home.comcast.net/~sam_webb/sixpack.html</a</td></tr><tr><td>>CelRef</td><td></td><td>無料ダウンロード</td><td>グラフィカルな単位セルの絞り込み。Windows のみ。<a href="http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm" target="_blank">http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm および http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/</a です></td></tr><tr><td colspan="4">試薬/材料</td></tr><tr><td>電極活物質</td><td>さまざまな</td><td></td><td>社内で合成されているか、さまざまなサプライヤーから入手されています。</td></tr><tr><td>合成フレークグラファイト</td><td>Timcal</td><td>SFG-6</td><td>電極用導電性添加剤。(<a href="http://www.timcal.com" target="_blank">www.timcal.com</a>)</td></tr><tr><td>アセチレンブラック</td><td>デンカ</td><td>デンカブラック</td><td>電極用導電性添加剤。(<a href="http://www.denka.co.jp/eng/index.html" target="_blank">http://www.denka.co.jp/eng/index.html</a>)</td></tr><tr><td>1-メチル-2-ピロリジノン(NMP)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>328634</td><td>電極スラリーの製造に使用されます。(<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td></tr><tr><td>Al集電体</td><td>Exopack</td><td>z-flo 2650</td><td>カーボンコーティングされた箔。片面コーティング。(<a href="http://www.exopackadvancedcoatings.com" target="_blank">http://www.exopackadvancedcoatings.com</a>)</td></tr><tr><td>Al集電体</td><td>Alfa-Aesar</td><td>10558</td><td>0.025 mm (0.001 in) 厚さ、30 cm x 30 cm (12 in x 12 in)、99.45% (金属ベース)、コーティングなし (<a href="http://www.alfa.com" target="_blank">http://www.alfa.com</a>)</td></tr><tr><td>Cu 集電</td>体 <td>Pred 材料</td><td>電着 Cu 箔</td><td>リチウムイオン電池の負極材に使用します。(<a href="http://www.predmaterials.com" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>リチウム箔</td><td>ロックウッドリチウム</td><td>コンタクトベンダー</td><td>ハーフセル用アノード。さまざまな厚さと幅で利用できます。反応性があり、空気に敏感です。HeまたはArの下の不活性雰囲気グローブボックスに保管および取り扱います(N2と反応します)。(<a href="http://www.rockwoodlithium.com" target="_blank">www.rockwoodlithium.com</a>)</td></tr><tr>ハーフセル用の<td>リチウム箔</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320080</td><td>アノード。さまざまな厚さと幅で利用できます。反応性があり、空気に敏感です。HeまたはArの下の不活性雰囲気グローブボックスに保管および取り扱います(N2と反応します)。(<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td></tr><tr><td>ナトリウムインゴ</td><td>ットSigma-Aldrich</td><td>282065</td><td>ハーフセル用アノード。箔に押し出すことができます。反応性があり、空気に敏感です。Heのみの下の不活性雰囲気のグローブボックスに保管して取り扱います。(<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td></tr><tr><td>電解質ソリューション</td><td>BASF</td><td>Selectilyte P-Series コンタクトベンダー</td><td>ご希望の処方については、ベンダーにお問い合わせください。(<a href="http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes" target="_blank">http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes</a>)</td></tr><tr><td>ジメチルカーボネート(DMC)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>517127</td><td>ex situ実験用の電極の洗浄に使用されます。(<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td></tr><tr><td>微多孔質セパレーター</td><td>セルガード</td><td>2400</td><td>ポリプロピレン膜 (<a href="http://www.celgard.com/" target="_blank">http://www.celgard.com</a>)</td></tr><tr><td>コイン電池ハードウェア(ケース、キャップ、ガスケット)</td><td>Pred Materials</td><td>CR2016, CR2025, CR2320, CR2032</td><td>利用可能な圧着工具にサイズを合わせ、Al-cladコンポーネントもご用意しています。(<a href="http://www.predmaterials.com" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>ウェーブワッシャー</td><td>プレド材料</td><td>SUS316L</td><td>(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>スペーサー</td><td>プレド材料</td><td>SUS316L</td><td>(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>Ni and Al pretaped tabs</td><td>プレド材料</td><td>ベンダー</td><td>に連絡するサイズは変更される場合があります。カスタムオーダーについてはお問い合わせください。(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td></tr><tr><td>ポリエステルポーチVWR</td><td></td><td>11214-301</td><td>in situwork用の電気化学セルをシールするために使用されます。信号干渉が強いため、頑丈なポーチは避けてください。(<a href="https://us.vwr.com" target="_blank">https://us.vwr.com</a>)</td></tr><tr><td>カプトンフィルム</td><td>McMaster-Carr</td><td>7648A735</td><td>ex situ実験のための電極をカバーするために使用され、厚さ0.0025(<a href="http://www.mcmaster.com/" target="_blank">www.mcmaster.com</a>)</td></tr><tr><td>ヘリウム、アルゴン、およびヘリウムまたはアルゴンエア製品の4-10%水素</td><td></td>は<td>、所望の組成と純度レベル</td><td>のためのベンダーに連絡してくださいヘリウムまたはアルゴンは、セルアセンブリが行われ、アルカリ金属が保管されるグローブボックスを充填するために使用されます。(<a href="http://www.airproducts.com/products/gases.aspx" target="_blank">http://www.airproducts.com/products/gases.aspx</a>)</td></tr><tr><td colspan="4">窒素はリチウムと反応するため、使用しないでください。ナトリウムが保存されている場合はヘリウムのみを使用してください. 必要な純度レベルは、グローブボックスに水と酸素の除去システムが装備されているかどうかによって異なります。水/酸素除去システムを再生するために必要な水素混合物(存在する場合)&nbsp;またはその他の適切なガス供給業者</td></tr></tbody></table>

放射光技術を用いたリチウムイオンとナトリウムイオン電池用電極材料のキャラクタリゼーション

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

このような遷移金属酸化物またはリン酸塩などの層間化合物は、リチウムイオンおよびNaイオン電池の中で最も一般的に使用される電極材料である。挿入またはアルカリ金属イオンの除去中に、化合物中の遷移金属の酸化還元状態が変化すると、このような相転移および/または格子定数が増加または減少のような構造変化が生じる。順番にこれらの行動は、このような潜在的なプロファイル、レート能力、およびサイクル寿命などの電池の重要な特性を決定する。放射光により製造非常に明るいチューナブルX線は、これらのプロセスについての情報を提供する高解像度データの迅速な獲得を可能にする。 X線吸収分光法（XAS）はローカル電子および幾何構造（レドックス状態の、例えば変化および結合に関する情報を提供しながら、このような相転移などのバルク材料中の変換は、直接、X線回折（XRD）を用いて観察することができるL彼らは物質の電気化学的および構造的特性との間に直接的な相関関係を可能にするためengths）。動作するセル上で行わその場実験では特に有用である。これらの実験は、時間がかかり起因反応性および半電池構成で使用するアルカリ金属陽極の空気感受性、および/または他の細胞成分およびハードウェアからの信号干渉の可能性を設計するために挑戦することができる。これらの理由から、いくつかのケースでは（ 例えば、部分的に充電または循環細胞から採取電極上の） 現場外の実験を行うことが適当である。ここでは、シンクロトロン放射を伴う実験のために、両方の生息域外の製造のためのその場試料中の詳細なプロトコルを提示し、これらの実験が行われている方法を示します。

図2に、 その場での実験に使用される典型的なシーケンスを示している。合成および活物質粉末の特徴付け後、複合電極は、いずれかの上にキャスト活性物質、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）及びカーボンブラック又はN-メチルピロリジノン（NMP）中に懸濁グラファイトなどの導電性添加剤として結合剤を含有するスラリーから調製されるアルミニウムや銅箔集電体。アルミニウム、リチウムイオン電池の陰極およびすべてのナトリウムイオン電池の電極に使用され、銅は、リチウムイオン電池のアノードに用いられる。電極は、乾燥した切り取り、秤量した後、細胞を適切な電解質溶液及び負極はLi又はNa箔のいずれかからなる、微孔性セパレータを使用して、不活性雰囲気のグローブボックス内で組み立てられる。これらのコンポーネントは、次いで、気密空気を保持し、合理的にX線透過性であるポリエステルからなる保護ポーチ内に密封されている。アルミニウムとニッケルタブがそれぞれ正と負の電極に電気接点を作るために使用される。陽極として用いる軟質のLi又はNa金属を単に接触するようにNiのタブの周りに押されている間にAlのタブを超音波...

我々は、シンクロトロンX線吸収分光法（XAS）およびX線回折（XRD）リチウムイオン及びNaイオン電池の電極材料におけるインターカレーション/デインターカレーション処理の詳細を調べるための技術の使用を記載している。 インサイチュおよび域外実験は装置の動作に関連する構造的挙動を理解するために使用される両方の

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

本実験の全体的な目的は、電池の充放電サイクル中に電極で起こる構造変化をリアルタイムで研究することです。これは、デバイスの充放電中にシンクロトロン放射光施設上のビームラインで電極プロセスを研究できるよう、適切に改造したテストセルを組み立てることで達成されます。次のステップとして、時間および動作条件の関数として、ビームラインでテストセルのデータを収集します。次に、充電状態の関数として生じる構造変化を観察するために、データの処理および解析を行います。回折データの精密化と解釈に基づき、相転移や劣化プロセスを含む電極の機能に関する知見を得ることができます。X線粉末回折などの既存の従来法に対する本手法の主な利点は、信号強度がはるかに高く、データ収集時間が大幅に短縮されるため、迅速なデータ取得が可能であることです。これにより、デバイスをリアルタイムでモニタリングすることが可能になります。充放電中のin situ測定法は、電池分野における重要な課題の解決に寄与します。電池の性能、寿命、および安全性はすべて、電池構成部材の化学的および物理的な完全性を維持できるかどうかに依存しています。放射光X線回折技術を用いることで、電池の動作中に起こる構造変化、相転移、および不純物の生成に関する情報を得ることができます。これらは、性能に多大な影響を及ぼす可能性があります。私は放射光施設でビームラインサイエンティストを務めています。私は電池科学者と協力して実験の設計および研究を行い、データの収集、分析、そして最終的な結果の解釈を支援しています。セルの組み立てに関する詳細は実験の成否に極めて重要であるため、この手法を視覚的に実演することが有用です。私たちは、この実験が現実世界で動作する大型のバッテリーを代表するものであることを確実にしたいと考えています。手順の実演を行うのは、Ang医師、Hong Yi医師、およびMona医師です。また、ローレンス・バークレー国立研究所の博士研究員であるLei Chang氏（大学院生）、および同研究所の科学者であるGuang Chen博士が参加します。最初のステップは、X線粉末回折を用いて目的の材料を特性評価することです。粉末を研磨し、粒度分布を均一にするために篩いにかけることで、2〜3 gの試料を調製します。本実験では、粉末を最適に配置するために、ニッケル、マンガン、コバルト、またはNMCを使用します。X線回折計の試料ホルダーからバックプレートを取り外します。試料ホルダーをガラススライドの上に置き、空隙に試料粉末を満たします。バックプレートを再び取り付け、ホルダーを裏返してスライドを取り除きます。次に、サンプルホルダーを回折計に挿入し、適切に位置合わせを行います。完了後、装置の扉を閉じ、屈折率測定に適切なパラメータを設定してスキャンを開始します。データ収集が完了したら、パターンを分析して不純物の有無を確認し、それが標準物質または計算されたパターンと一致するかどうかを判定します。適切に完了したら、屈折計の電源を切り、サンプルを取り出します。粒子形態の決定には、走査電子顕微鏡（SEM）を用います。アルミスタブにカーボンテープを貼り付け、SEM用のサンプル調製を行います。その後、粘着面に粉末を散布します。キッチン用マグネットを試料の上に保持し、アセンブリが非磁性であることを確認してください。次に、エアロックを介して試料をSEMチャンバーに挿入し、排気を開始します。真空状態が確立されたら、加速電圧をオンにします。低倍率モードで操作し、輝度の自動コントラストボタンを使用して画像を調整します。X方向およびY方向に手動でスキャンし、目的の領域を探します。領域を決定した後、SEMモードを選択します。検出器を選択し、次に必要な作動距離を設定し、続いてコントラストと輝度を調整します。Zコントロールを用いて画像にピントを合わせます。ビームを整列させ、非点収差とフォーカスを補正します。XおよびYコントロールを使用して、必要な画像を撮影し、保存します。終了後、SEMをシャットダウンし、エアロック経由で試料を取り出します。まず、5〜6重量%のポリビニリデンフルオリド溶液を作成します。次に、活物質であるNMC 240 mgと、導電助剤であるアセチレンブラック 30 mgを混合します。この混合物を300 RPMで2時間ミル処理します。ミル処理が完了したら、粉砕した混合物を180 mg取り出し、0.4 mLのNMP溶液を加えます。次に、集電体材料（本事例ではカーボンコート済みアルミ箔）を用いたドクターブレードを準備します。ドクターブレードを用いて、電極スラリーを集電体上にキャストします。電極を取り外し、乾燥工程を開始します。このビデオでは、乾燥前にヒートランプを使用しています。電極の外観は以下の通りです。これはヒートランプの下で約30分間加熱した後の状態です。この時点で、コインセルに使用するために必要なサイズに切断またはパンチで打ち抜いてください。各電極の重量を測定します。加熱真空アンチチャンバーを備えた不活性雰囲気グローブボックスに電極を移します。アンチチャンバーを使用してさらに12時間の乾燥工程を行い、残留水分を完全に除去します。これで電極をコインセルで使用する準備が整いました。リチウム箔と微多孔性セパレーターを所定のサイズにカットします。必要なすべてのコンポーネントを不活性雰囲気内に揃えてください。コインセルに組み立てるためのグローブボックスです。次に、セル内に構成部品を積層させます。まず電極を入れ、続いてセパレーター、電解液、そして箔を入れ、コインセルプレスを用いてセルを封止し、NC two X線回折実験に供します。セルの両側にタブを装着します。次に、実験のこの段階では、デバイスをポリエステル製のポーチに入れて密封します。放射光施設でのビームタイムを確保してください。サンプルを目的地まで安全に搬送し、実験の準備を行います。まず、適切なビーム条件を決定するためにビームのキャリブレーションを行います。次に、ランタンハイドライドの基準パターンを測定します。ビームラインのアクセスポイントに戻ります。セルが入ったポーチをアルミニウム製加圧プレートに挿入し、NC two X線回折実験を続行します。X線ビームが透過できるよう、穴が正しく整列していることを確認してください。ポテンショスタットからのリード線をデバイスに接続し、コントロールパネルに戻ります。電気化学測定を開始する前に、最適なビーム条件と露光時間を決定します。初期パターンを撮影し、電気化学実験を開始してください。その後、データの収集と実験のモニタリングを行います。このin situ X線回折データは、リチウムアノードと金属酸化物カソードを含むセルから得られたものです。カソードは、ニッケル、マンガン、コバルトからなるNMCとして知られる電極材料群に属しています。リングパターンをラインスキャンに校正および変換した後、黒色のトレースで示す充電と、緑色で示す放電をセルに行いました。各スキャンは、ある時点におけるシステムの充電状態を表しています。定電流条件下において、青色で示されたピークはアルミニウム集電体によるものです。赤色で示されたピークは、ビーム経路上のポリマーポーチおよびセパレーターによるものです。セル内のリチウムは、本質的にX線に対して透過性です。リチウム含有量の関数として単位格子のパラメータが変化するため、セルの活物質に起因する指数反射を標記しています。この相による一部のピークは、アルミニウム集電体のピークと重複していました。いくつかのパターンでは、この手順に従えば、一度習得した後はビームラインでの実験を10時間から20時間で完了させることができます。また、X線吸収分光法などの他の手法を用いることで、材料の構造や遷移金属の酸化還元状態が充電状態に応じてどのように変化するかといった、追加の疑問に答えることが可能です。このビデオを視聴することで、シンクロトロンビームラインでの研究用にコインセルを組み立て、セルの充放電中にX線回折パターンの測定を行う方法について十分に理解できるはずです。

characterization-electrode-materials-for-lithium-ion-sodium-ion

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

我々は、 その場での中性子粉末回折（NPD） を用いて、電極材料の検査のための電気化学セルの設計および構築を記載する。私たちは、簡単にその場での NPDセル設計内の代替についてコメントし、この細胞を用いて生産現場での NPDデータに対応した分析のための方法を議論する。...

その場中性子粉末回折ではカスタムメイドのリチウムイオン電池を使用して、

シンクロトロンベースの硬X線マイクロトモグラフィーは、リチウム金属電極から固体高分子電解質膜を介した樹状突起の電気化学的成長を画像化するために使用されます。...

シンクロトロンベースのハードX線マイクロトモグラフィーを用いて電池の故障解析

電極と電解質の調製による非プロトン性Li-O2電池の電気化学的試験のためのプロトコルと、頻繁に使用される特性評価方法の紹介がここで紹介されています。...

非プロトン性のLi-Oの電気化学的試験のプロトコルとキャラクタリゼーション<sub&gt; 2</sub&gt;バッテリー

集束イオンビームを用いた電気化学的活性 LiPON ベースの固体リチウム イオン nanobatteries...

その場でテスト用 LiPON ベース固体リチウム イオン Nanobatteries の集束イオンビーム ビーム加工

Operando のインピー ダンス分光法の 4 電極設計場前記参照電極。

電池材料研究における軟 x 線吸収分光法 (新しい) と共鳴非弾性 x 線散乱 (RIXS)...

軟 x 線吸収分光と共鳴非弾性 x 線散乱による電池の化学元素高感度検出

3 電極セルのリチウム イオン電池の電気化学の勉強に役に立ちます。このような電気化学的セットアップにより、陰極と陽極を分離して個別に検索に関連付けられている現象です。リチウムの分析をめっきに重点を置いて建設とコインの 3...

3 電極コイン セル準備およびリチウム イオン電池用電着分析

ここでは、作製とその場で伝達電子顕微鏡観察、電極材料の電気化学的電池電池テスト合成と共にグラフェン液体セルの準備のためのプロトコルを提案する.

グラフェン液セルのリチウム イオン電池材料の観察のための準備

極低温集束イオンビーム(FIB)および走査型電子顕微鏡(SEM)技術は、無傷の固液界面の化学的性質および形態に関する重要な洞察を提供することができる。このような界面の高品質のエネルギー分散型X線(EDX)分光マップを調製するための方法は、エネルギー貯蔵デバイスに焦点を当てて詳述されている。...

クライオ集束イオンビームフライス加工と走査型電子顕微鏡・分光法の結合による液体-固体界面のナノスケール特性評価

本プロトコルは、(脱)リチウム化中のSiナノ粒子の体積変化を利用して、 in situ...

In situ透過型電子顕微鏡を用いた全固体電池用コーティングのスクリーニング

学ぶ リチウムイオン電池とナトリウムイオン電池の電極材料の構造変化を、放射光X線吸収分光法とX線回折法を用いてリアルタイムで解析する方法。充放電サイクル中の相転移と劣化メカニズムの理解に役立つ。

放射光技術を用いたリチウムイオンとナトリウムイオン電池用電極材料のキャラクタリゼーション

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