Forberedelse af Graphene væske celler til iagttagelse af Lithium-ion batteri materiale
Summary
Vi præsenterer her, en protokol til fremstilling og udarbejdelse af en graphene flydende celle for i situ transmissions Elektron Mikroskopi observation, sammen med en syntese af elektrode materialer og elektrokemiske batteri celle tests.
Abstract
I dette arbejde indføre vi udarbejdelse af graphene flydende celler (GLCs), indkapsling både elektrode materialer og økologisk flydende elektrolytter mellem to graphene ark og letkøbt syntesen af endimensional nanostrukturer ved hjælp af electrospinning. GLC muliggør i situ transmissions elektronmikroskopi (TEM) for lithiation dynamikken af elektrode materialer. i situ GLC-TEM bruger en elektronstråle til både billedbehandling og lithiation kan udnytte ikke kun realistisk batteri elektrolytter, men også den med høj opløsning billeder af forskellige morfologiske, fase og interfacial overgange.
Introduction
For nylig, forbruget af energi hele tiden steget, samt betydningen af højtydende energi opbevaring hjælpemidler. For at imødekomme sådan en efterspørgsel, udvikling af lithium-ion-batterier, der har en høj energitæthed, er holdbarhed og sikkerhed nødvendigt1,2. For at udvikle batterier med overlegne egenskaber, er en grundlæggende forståelse af energi opbevaringsmekanismer under batteri drift væsentlige3,4,5.
In situ transmissions elektronmikroskopi (TEM) giver rig indsigt som kan vise både strukturelle og kemiske oplysninger under driften af batterier3. Blandt mange i situ TEM teknikker, har GLCs været brugt til iagttagelse af lithiation dynamics af nanomaterialer6,7,8,9,10,11 ,12. GLCs består af en flydende lomme forseglet af to graphene membraner, som giver en faktiske elektrode/elektrolyt interface ved at forhindre fordampning af væske inde i den høje vakuum i et TEM kolonne6,7. Fordelene ved GLCs er at de tillader en overlegen rumlige opløsning og høj imaging kontrast, fordi de anvender elektron gennemsigtig monatomisk-tykke graphene som flydende forsegling membran13,14,15 ,16. Konventionelle TEM kan også anvendes til at observere reaktioner batteri uden brug af dyrt i situ TEM indehavere.
I denne tekst, vi introducere, hvordan lithiation reaktion kan observeres med GLCs. specielt, elektron beam bestråling producerer solvated elektroner inde den flydende elektrolyt og de indlede lithiation ved at adskille Li ioner fra solvent molekyler.
GLCs tjener også som den mest optimale platform til at tillade direkte observation af nanomaterialer med forskellige morfologier, herunder nanopartikler6,9, nanorør7,10,11, og selv flerdimensionale materialer12. Sammen med ex situ TEM analyse af elektrode materialer efter den faktiske elektrokemiske celle test er det muligt, at Rune system præsenteres her kan bruges til at undersøge den grundlæggende reaktionsmekanisme.
Med sådanne fordele af GLCs og ex situ eksperimenter indfører vi her detaljerede eksperiment metoder for forskere, der er villige til at gennemføre lignende GLC eksperimenter. Protokollerne dækker 1) syntese af tin (IV) oxid (SnO2) nanorør som typisk endimensional nanostrukturerede elektrode materialer, 2) elektrokemiske batteri celle test, 3) udarbejdelse af Rune og 4) udførelsen af en real-time TEM observation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der er kritiske trin i protokollen. Første brug overførsel af graphene på gitteret TEM forskernes omhyggelig opmærksomhed. Det er vigtigt at håndtere gitrene med pincet og ikke skade nogen af gitre, for eksempel ved at ødelægge amorf carbon membran eller bøjning rammen. Disse typer af skader vil resultere i en dårlig dækning af graphene og påvirke antallet af flydende lommer. Derudover er placere det øverste gitter på den rigtige position kritisk. Som beskrevet i protokollen, skal den øverste gitter placere…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af den nationale forskning fundament af Korea (NRF), give no. 2014R1A4A1003712 (BRL Program), Korea CCS R & D Center (KCRC) give finansieres af Korea regering (Ministeriet for videnskab, IKT & fremtid planlægning) (nr. NRF-2014M1A8A1049303), en End-Run tilskud fra KAIST finansieret af Korea regering i 2016 (Ministeriet for videnskab, IKT & fremtid planlægning) (N11160058), den bærbare Platform materialer teknologi Center (WMC) (NN-2016R1A5A1009926), en National forskning Grundlaget for Korea (NRF) tilskud finansieret af den koreanske regering (NRF-2017H1A2A1042006-Global Ph.D. stipendium Program), National Research Foundation af Korea (NRF) tilskud finansieret af Korea regeringen (MSIP; Ministeriet for videnskab, IKT & fremtidige planlægning) (NRF-2018R1C1B6002624), Nano· Materielle teknologi Development Program gennem National Research Foundation af Korea (NRF) finansieret af Ministeriet for videnskab, og en IKT og fremtidige planlægning (2009-0082580) og NRF tilskud finansieret af Korea regeringen (MSIP; Ministeriet for videnskab, IKT & fremtidige planlægning) (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).
