הכנה של גראפן נוזלי תאים התצפית של חומר סוללת ליתיום-יון
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור ייצור ו הכנת גרפן תא נוזלי להשגחה בחיי עיר הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים, יחד עם סינתזה של חומרים אלקטרודה ובדיקות תא אלקטרוכימי הסוללה.
Abstract
בעבודה זו, נסקור את הכנת גרפן נוזלי תאים (GLCs), לבצע אלקטרודה חומרים והן אורגני נוזלי אלקטרוליטים בין שתי יריעות גרפן, נתיישב סינתזה של מימדי nanostructures באמצעות electrospinning. GLC מאפשר בחיי עיר במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) הדינמיקה lithiation של חומרים אלקטרודה. ה בחיי עיר GLC-TEM שימוש בקרן אלקטרון עבור הדמיה והן lithiation יכול לנצל לא רק הסוללה מציאותי אלקטרוליטים, אלא גם את דימות ברזולוציה של שונים מורפולוגי, תלת פאזי, interfacial המעברים.
Introduction
לאחרונה, צריכת אנרגיה כל הזמן גדל, כמו גם החשיבות של התקני אחסון אנרגיה ביצועים גבוהים. כדי לעמוד בדרישה כזאת, הפיתוח של סוללות ליתיום בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה, עמידות, בטיחות הוא הכרחי1,2. כדי לפתח סוללות עם תכונות מעולה, הבנה בסיסי של מנגנוני אחסון אנרגיה במהלך פעולת הסוללה הוא חיוני3,4,5.
בחיי עיר במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) מספק תובנות עשיר כמו זה יכול להציג מידע מבניים וכימיים במהלך הפעולה של סוללות3. בין בחיי עיר TEM טכניקות רבות, GLCs שימשו את ההתבוננות הדינמיקה lithiation של ננו6,7,8,9,10,11 ,12. GLCs מורכב נוזלי כיס חתומים ע י שתי ממברנות גרפן, המספקות ממשק אלקטרודה/אלקטרוליט בפועל על-ידי מניעת האידוי של הנוזל בתוך הריק גבוהה ב- TEM עמודה6,7. היתרונות של GLCs הם כי הם יאפשרו רזולוציה מרחבית מעולה בעלת חדות גבוהה הדמיה כי הם מעסיקים אלקטרונים שקופים גראפן חד-עבה כמו נוזל איטום ממברנה13,14,15 ,16. בנוסף, TEM קונבנציונלי יכול להיות החל לבחון את התגובות הסוללה, ללא שימוש יקר בחיי עיר TEM מחזיקי.
בטקסט זה, אנו מציגים כיצד התגובה lithiation יכול להיות שנצפו עם GLCs. במיוחד, הקרנה קרן אלקטרונים מייצרת solvated אלקטרונים בתוך נוזל אלקטרוליט, וליזום הם lithiation על-ידי הפרדת Li יונים ממולקולות הממס.
GLCs גם לשמש הפלטפורמה המיטבית ביותר כדי לאפשר בהתבוננות ישירה ננו עם מורפולוגיות שונות, כולל חלקיקים6,9, צינוריות7,10,11, ואפילו חומרים רב-ממדי12. יחד עם באתרו לשעבר TEM ניתוח של חומרים אלקטרודה לאחר הבדיקה בפועל תא אלקטרוכימי, זה אפשרי כי המערכת GLC המובאת כאן יכול לשמש כדי לחקור את מנגנון התגובה הבסיסית.
עם כזה יתרונות GLCs וניסויים באתרו לשעבר , נסקור כאן שיטות ניסוי מפורט עבור חוקרים שמוכנים לבצע ניסויים GLC דומים. הפרוטוקולים לכסות 1) הסינתזה של צינוריות אוקסיד (שוקולדים2) (IV) בדיל כמו החומרים אלקטרודה טיפוסי nanostructured חד-ממדי, 2) הבדיקה תא אלקטרוכימי סוללה 3) הכנת GLC, 4) את הביצועים של TEM בזמן אמת התבוננות.
Protocol
Representative Results
Discussion
יש שלבים קריטיים בתוך הפרוטוקול. ראשית, ההעברה של הגרפן לעלות על הרשת TEM צריך תשומת לב החוקרים. חשוב להתמודד עם הרשתות עם פינצטה, לא נזק מכל רשתות, למשל על ידי השמדת קרום פחמן אמורפי או כיפוף המסגרת. אלה סוגי נזקים לגרום כיסוי עניים של הגרפן, משפיעה על מספר כיסים נוזלי. בנוסף, הנחת הרשת העליונ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי נבחרת מחקר קרן של קוריאה (ב- NRF), מעניקות מס 2014R1A4A1003712 (BRL תוכנית), קוריאה CCS R & D מרכז (KCRC) להעניק ממומן על ידי ממשלת קוריאה (משרד המדע, ICT ותכנון העתיד) (לא. NRF-2014M1A8A1049303), מענק End-Run KAIST ממומן על ידי ממשלת קוריאה 2016 (משרד המדע, ICT ותכנון העתיד) (N11160058), את לביש פלטפורמה חומרים וטכנולוגיה מרכז (WMC) (NR-2016R1A5A1009926), על המחקר הלאומי קרן של קוריאה (NRF) גרנט במימון הממשלה קוריאנית (ה-NRF-2017H1A2A1042006-Global מלגת לדוקטורט), מענק הלאומי מחקר קרן של קוריאה (NRF) ממומן על ידי ממשלת קוריאה (MSIP; משרד המדע, ICT & בתכנון עתידי) (ה-NRF-2018R1C1B6002624), Nano· תוכנית פיתוח טכנולוגיה חומרים דרך לאומי מחקר קרן של קוריאה (ב- NRF) ממומן על ידי משרד המדע, ICT, העתיד (2009-0082580) ותכנון גרנט ב- NRF ממומן על ידי ממשלת קוריאה (MSIP; משרד המדע, ICT & בתכנון עתידי) (ה-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 |
References
- 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).
