JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Protokollet av Elektro Test och karakterisering av aprotiskt Li-O<sub> 2</sub> Batteri

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

År 1996, Abraham och Jiang en rapporterade första reversibla icke-vattenbaserad Li-O 2 batteri bestående av en porös kol katod, en organisk elektrolyt och Li-metallanod. Sedan dess, på grund av dess extremt hög teoretisk energitäthet som överstiger den hos varje annan existerande energilagringssystem, Li-O 2 batteri, vilket inducerar ett strömflöde genom oxidation av litium vid anoden och reduktion av syre vid katoden ( totala reaktions Li + + O 2 + e – ↔ Li 2 O 2), har fått stort intresse nyligen 1-8.

En katodmaterial med följande krav skulle kunna tillgodose behoven hos höga prestanda Li-O 2 batteri: (1) snabb syrediffusion; (2) god elektrisk och jonkonduktivitet; (3) hög specifik yta; och (4) stabilitet. Både ytarean och porositeten hos katoden är kritiska för. elektrokemiska prestanda hos Li-O 2 batterier 9-12 Den porösa strukturen tillåter avsättning av fasta urladdningsprodukter som genereras från reaktionen av Li katjoner med O 2; och större ytor ger mer aktiva platser för att rymma elektro partiklar som accelererar de elektrokemiska reaktionerna. Sådana elektrokatalysatorer tillsätts till katodmaterial av vissa deponeringsmetoder, som ger stark vidhäftning till substratet och god kontroll av katalysatorpartiklarna, med bevarandet av den ursprungliga porösa ytstrukturen av substratet. 13-17 De som framställda material testas i Swagelok typ celler som katod aprotiska Li-O 2 batteri. Men resultatet av cellen beror inte bara på vilken typ av katodmaterial, men också på vilken typ av det aprotiska elektrolyten 18-22 och Li-metallanod. 23-26 Fler influenser inkluderar mängden och koncentrationen av material och pÖRFARANDE används vid tester av laddning / urladdning. Rätta förhållanden och protokoll skulle optimera och förbättra den totala prestandan för batterimaterial.

Utöver resultaten av den elektrokemiska testet, kan batteriets prestanda utvärderades också genom att karaktärisera den orörda materialen och reaktionsprodukterna. 27-33 Svepelektronmikroskopi (SEM) användes för att undersöka ytan mikrostrukturen hos katodmaterialet och morfologin utvecklingen av urladdningsprodukter. Transmissionselektronmikroskop (TEM), X-ray absorption i närheten av kantstrukturen (XANES) och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) kan användas för att bestämma den ultrastruktur, kemiskt tillstånd, och komponent av element, särskilt för den i katalysatornanopartiklar. Hög energi röntgendiffraktion (XRD) används för direkt identifiera kristallina urladdningsprodukter. Möjligt elektrolyt nedbrytning kan bestämmas genom attenuerad total reflektion Fourier-transformIR (ATR-FTIR) och Raman-spektra.

Denna artikel är ett protokoll som visar ett systematiskt och effektivt arrangemang av rutintest av det aprotiska Li-O 2 batteri, däribland förberedelser för batterimaterial och tillbehör, den elektrokemiska bruksprov, och karakterisering av orörda material och reaktionsprodukter. Den detaljerade video protokollet är avsett att hjälpa nya utövare inom området undvika många vanliga fallgropar i samband med prestandatester och karakterisering av Li-O 2 batterier.

Protocol

Kontakta alla berörda säkerhetsdatablad (SDB) före användning. Flera av de kemikalier som används i dessa synteser är akut toxiska och karcinogena. Nanomaterial kan ha ytterligare risker jämfört med deras bulk motsvarighet. Använd alla lämpliga säkerhetsåtgärder när du utför en nanokristall reaktion inklusive användning av tekniska kontroller (dragskåp, handskfacket) och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, skyddsrock, fullängds byxor, sluten tå skor). Delar av följande förfaranden…

Representative Results

Figur 1a visar installationen av Swagelok-celltyp av Li-O 2 batteritestet. En bit av litium filmen placeras på en stång av rostfritt stål vid anoden änden. Den porösa katoden är öppen för ren O2 genom ett aluminiumrör. Glasfiber används som en separator och en absorbator av aprotiskt elektrolyt; och Al-nät används som en strömsamlare. Hela Swagelok-celltyp förseglas i en glaskammare fylld med ultrahög renhet syre. För djupgående stu…

Discussion

Med tanke på känsligheten hos Li-O 2 batterisystem till luft, särskilt CO2 och fukt, massor av steg i protokollet är nödvändiga för att minska de störande och för att undvika bireaktioner. Till exempel är den Swagelok-celltyp monterad i en handskbox fylld med Ar med O 2 <0,5 ppm och H2O <0,5 ppm; och alla katodmaterial, elektrolyt lösningsmedel och salt, glasfiber, Swagelok delar och glaskamrarna torkas före montering för att minska föroreningen fukt. Anode…

Disclosures

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Abraham, K. M., & Jiang, Z. A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery. J. Electrochem. Soc. 143, 1-5 (1996).
  2. Bruce, P. G., Freunberger, S. A., Hardwick, L. J., & Tarascon, J.-M. Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage. Nat. Mater. 11, 19-29 (2012).
  3. Lu, J. et al. Aprotic and Aqueous Li-O2 Batteries. Chem. Rev. 114, 5611-5640 (2014).
  4. Black, R., Adams, B., & Nazar, L. F. Non-Aqueous and Hybrid Li-O2 Batteries. Adv. Energy Mater. 2, 801-815 (2012).
  5. Bruce, P. G., Hardwick, L. J., & Abraham, K. M. Lithium-air and lithium-sulfur batteries. MRS Bull. 36, 506-512 (2011).
  6. Christensen, J. et al. A Critical Review of Li/Air Batteries. J. Electrochem. Soc. 159, R1-R30 (2012).
  7. Girishkumar, G., McCloskey, B., Luntz, A. C., Swanson, S., & Wilcke, W. Lithium-Air Battery: Promise and Challenges. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2193-2203 (2010).
  8. Lu, J., & Amine, K. Recent Research Progress on Non-aqueous Lithium-Air Batteries from Argonne National Laboratory. Energies. 6, 6016-6044 (2013).
  9. Ding, N. et al. Influence of carbon pore size on the discharge capacity of Li-O2 batteries. J. Mater. Chem. A 2, 12433 (2014).
  10. Nimon, V. Y., Visco, S. J., De Jonghe, L. C., Volfkovich, Y. M., & Bograchev, D. A. Modeling and Experimental Study of Porous Carbon Cathodes in Li-O2 Cells with Non-Aqueous Electrolyte. ECS Electrochem. Lett. 2, A33-A35 (2013).
  11. Ottakam Thotiyl, M. M., Freunberger, S. A., Peng, Z., & Bruce, P. G. The Carbon Electrode in Nonaqueous Li-O2 Cells. J. Am. Chem. Soc. 135, 494-500 (2012).
  12. Park, J.-B., Lee, J., Yoon, C. S., & Sun, Y.-K. Ordered Mesoporous Carbon Electrodes for Li-O2 Batteries. Acs Appl. Mater. Interfaces. 5, 13426-13431 (2013).
  13. Lei, Y. et al. Synthesis of porous carbon supported palladium nanoparticle catalysts by atomic layer deposition: application for rechargeable lithium-O2 battery. Nano Lett. 13, 4182-4189 (2013).
  14. Lu, J. et al. Effect of the size-selective silver clusters on lithium peroxide morphology in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 5, 4895 (2014).
  15. Lu, J. et al. A nanostructured cathode architecture for low charge overpotential in lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2383 (2013).
  16. Lu, J. et al. Synthesis and characterization of uniformly dispersed Fe3O4/Fe nanocomposite on porous carbon: application for rechargeable Li-O2 batteries. RSC Adv. 3, 8276-8285 (2013).
  17. Luo, X. et al. Pd nanoparticles on ZnO-passivated porous carbon by atomic layer deposition: an effective electrochemical catalyst for Li-O2 battery. Nanotechnology 26, 164003 (2015).
  18. Freunberger, S. A. et al. The Lithium-Oxygen Battery with Ether-Based Electrolytes. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 8609-8613 (2011).
  19. Laoire, C. O., Mukerjee, S., Abraham, K. M., Plichta, E. J., & Hendrickson, M. A. Influence of Nonaqueous Solvents on the Electrochemistry of Oxygen in the Rechargeable Lithium-Air Battery. J. Phys. Chem. C. 114, 9178-9186 (2010).
  20. McCloskey, B. D., Bethune, D. S., Shelby, R. M., Girishkumar, G., & Luntz, A. C. Solvents' Critical Rope in Nonaqueous Lithium-Oxygen Battery Electrochemistry. J. Phys. Chem. Lett. 2, 1161-1166 (2011).
  21. Assary, R. S. et al. Molecular-Level Insights into the Reactivity of Siloxane-Based Electrolytes at a Lithium-Metal Anode. ChemPhysChem 15, 2077-2083 (2014).
  22. Du, P. et al. Compatibility of lithium salts with solvent of the non-aqueous electrolyte in Li-O2 batteries. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 5572-5581 (2013).
  23. Aleshin, G. Y. et al. Protected anodes for lithium-air batteries. Solid State Ion. 184, 62-64 (2011).
  24. Assary, R. S. et al. The Effect of Oxygen Crossover on the Anode of a Li-O2 Battery using an Ether-Based Solvent: Insights from Experimental and Computational Studies. ChemSusChem 6, 51-55 (2013).
  25. Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., & Teller, H. A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions. Solid State Ion. 148, 405-416 (2002).
  26. Dey, A. N. Lithium Anode Film And Organic And Inorganic Electrolyte Batteries. Thin Solid Films. 43, 131-171 (1977).
  27. Lau, K. C., Lu, J., Luo, X., Curtiss, L. A., & Amine, K. Implications of the Unpaired Spins in Li-O2 Battery Chemistry and Electrochemistry: A Minireview. ChemPlusChem. 80, 336-343 (2015).
  28. Lau, K. C. et al. Theoretical Exploration of Various Lithium Peroxide Crystal Structures in a Li-Air Battery. Energies 8, 529-548 (2015).
  29. Black, R. et al. Screening for Superoxide Reactivity in Li-O2 Batteries: Effect on Li2O2/LiOH Crystallization. J. Am. Chem. Soc. 134, 2902-2905 (2012).
  30. Gallant, B. M. et al. Influence of Li2O2 morphology on oxygen reduction and evolution kinetics in Li-O2 batteries. Energy Environ. Sci. 6, 2518-2528 (2013).
  31. Lu, J. et al. Magnetism in Lithium-Oxygen Discharge Product. ChemSusChem 6, 1196-1202 (2013).
  32. Xu, J.-J., Wang, Z.-L., Xu, D., Zhang, L.-L., & Zhang, X.-B. Tailoring deposition and morphology of discharge products towards high-rate and long-life lithium-oxygen batteries. Nat. Commun. 4, 2438 (2013).
  33. Zhong, L. et al. In Situ Transmission Electron Microscopy Observations of Electrochemical Oxidation of Li2O2. Nano Lett. 13, 2209-2214 (2013).
  34. Hitachi S-4700 SEM Training & Reference Guide. <http://chanl.unc.edu/files/2013/04/sem-user-guide_v1.pdf> (2015).
  35. Hitachi S4700 User Manual. <http://www.toyota-ti.ac.jp/Lab/Material/surface/naibu/SEM%20Hitachi%20S4700%20User%20Manual.doc.> (2015).
  36. Goldstein, J. et al. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. Springer: New York, NY (2003).
  37. Ray Photoelectron Spectrometer Operation Procedure. <https://nanofabrication.4dlabs.ca/uploads/documents/XPS_SOP.pdf> (2015).
  38. Haasch, R. T. in Practical Materials Characterization. (ed Mauro Sardela) Ch. 3, 93-132, Springer: New York, NY (2014).
  39. Field Emission Transmission Electron Microscope. <http://cmrf.research.uiowa.edu/files/cmrf.research.uiowa.edu/files/JEOL%202100%20User%20Instructions.pdf> (2015).
  40. Wen, J.-G. in Practical Materials Characterization. (ed Mauro Sardela) Ch. 5, 189-229, Springer: New York, NY (2014).
  41. Williams, D. B., & Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy. Springer: New York, NY (2009).
  42. Beamline 11-ID-C: High-energy Diffraction Beamline. <http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=15> (2015).
  43. Beamline 11-ID-D: Sector 11 – Time Resolved X-ray Spectroscopy and Scattering. <http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=17> (2015).
  44. Sardela, M. R. in Practical Materials Characterization. (ed Mauro Sardela) Ch. 1, 1-41, Springer: New York, NY (2014).
  45. Beamline 9-BM-B,C: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. <http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=82> (2015).
  46. Beamline 20-BM-B: X-ray Absorption Spectroscopy Beamline. <http://www.aps.anl.gov/Beamlines/Directory/showbeamline.php?beamline_id=32> (2015).
  47. Bunker, G. Introduction to XAFS: A Practical Guide to X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy. Cambridge University Press, 1st edition. (2010).
  48. Nicolet FT-IR User's Guide. <http://chemistry.unt.edu/~verbeck/LIMS/Manuals/6700_User.pdf> (2015).
  49. Nicolet iS5 User Guide. <http://madisonsupport.thermofisher.com/Molecular&UV8/Nicolet%20iS5%20User%20Guide.pdf> (2015).
  50. Renishaw inVia Raman Microscope Training Notebook. <https://depts.washington.edu/ntuf/facility/docs/raman_training_rev2_120507.pdf> (2015).
  51. Renishaw InVia Quick Operation Summary. <https://www.ccmr.cornell.edu/sites/default/files/facilities%20equipment/Raman_Operation_Procedures_July_14_2014.pdf> (2015).
  52. Mitchell, R. R., Gallant, B. M., Thompson, C. V., & Shao-Horn, Y. All-carbon-nanofiber electrodes for high-energy rechargeable Li-O2 batteries. Energy Environ. Sci. 4, 2952-2958 (2011).

Tags

ProtocolElectrochemical TestCharacterizationAprotic Li-O2 BatteryBattery MaterialsLithium-oxygen Battery MechanismActive MaterialsElectro-catalystsCathodesAprotic ElectrolytesAnode MaterialsNitrogenCarbon DioxideMoistureLithium HydroxideLithium CarbonateCathode MaterialPolyvinylidene Fluoride (PVDF)MPSlurryCarbon PaperDoctor BladeVacuum OvenAprotic Electrolyte PreparationLithium Triflate
check_url/53740?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image