Este trabajo es apoyado por el Subsecretario de Eficiencia Energética y Energía Renovable, Oficina de Tecnologías de Vehículos del Departamento de Energía de los EE.UU. bajo el Contrato No. DE-AC02-05CH11231. Algunas partes de esta investigación se llevaron a cabo en el Stanford Synchrotron Radiation luminosa, una Dirección de SLAC National Accelerator Laboratory y una Oficina de Ciencia Facilidad de uso operado por la Oficina del Departamento de Energía de EE.UU. Ciencias por la Universidad de Stanford. El Programa de Biología Molecular Estructural SSRL es apoyada por la Oficina de la GAMA de la investigación biológica y ambiental, y por los Institutos Nacionales de Salud, Centro Nacional para Recursos de Investigación, Programa de Tecnología Biomédica (P41RR001209).

1. Planificación de experimentos <ol><li> Identificar los experimentos de línea de haz de interés. Refiérase a las páginas web de la línea de haz como guías. Para SSRL XAS y DRX, éstos 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> Póngase en contacto con el científico de línea de haz y discutir los detalles del experimento. </li></ol></li><li> Compruebe los plazos y requisitos de las propuestas por ir a la página web correspondiente. </li><li> Redactar propuesta de tiempo de haz y presente. </li><li> Después de la propuesta que se ha marcado, el tiempo de haz horario. </li><li> Siga las instrucciones proporcionadas por la facilidad para prepararse para el tiempo de la viga. Tenga en cuenta los detalles del experimento, transporte de materiales (especialmente de los aparatos que contienen metales alcalinos) y equipos y problemas de seguridad. El entrenamiento de seguridad se requiere generalmente para los nuevos usuarios. </li></ol> 2. Preparación de los materiales, electrodos y celdas <ol><li> Sintetizar u obtener material activo de interés. </li><li> Caracterizar el material por difracción convencional de polvo de rayos X, usando los pasos 2.2.1-2.2.9. <ol><li> Moler en polvo y el tamiz para garantizar una distribución uniforme del tamaño de partícula. </li><li> Cargue la muestra en el soporte de la muestra. Retire la placa trasera del soporte y colóquelo sobre un portaobjetos de vidrio. Rellene la cavidad con el polvo, luego coloque la placa trasera, soporte de tapa y quitar la diapositiva. Esto asegura que el polvo es incluso con la superficie del soporte y que la superficie es plana. </li><li> Acceda a cuaderno de bitácora para el difractómetro. </li><li> Inserte soporte de muestra en el difractómetro y alinear. </li><li> Cierre las puertas del difractómetro. </li><li> Utilizando el programa de recopiladores de datos en el ordenador conectado a la caceroladifractómetro alytical, aumento de tensión y corriente en los valores adecuados para la medición. Seleccione rendijas y máscaras de haz para el experimento. Seleccionar o modificar el programa de exploración. </li><li> Programa y el nombre del archivo de datos de inicio. Bloquee las puertas del difractómetro deslizando insignia cuando se le solicite por el programa. Recopilar datos. </li><li> Analizar el patrón mediante el programa de puntuaciones altas. En particular, busca la presencia de impurezas (reflexiones adicionales) y si el patrón coincide con el de los materiales de referencia o patrones calculados. </li><li> Quitar la muestra del difractómetro. Baje puertas de corriente y tensión, y se cierran. Cierre la sesión, señalando cualquier condición inusual. </li></ol></li><li> Obtener micrografías electrónicas de barrido para evaluar morfologías de partículas, utilizando pasos 2.3.1-2.3.10. <ol><li> Preparar la muestra adjuntando cinta de carbono a un trozo de aluminio y rociar polvo de la muestra sobre el lado pegajoso. Prueba del magnetismo mediante la celebración de un imán de la cocina sobre la muestra. </li><li> Introduzca la muestra en la cámara de SEM con airlock. </li><li> Una vez establecido el vacío, gire voltaje de aceleración en. </li><li> En el modo de bajo aumento, ajustar el contraste y el brillo. Esto se hace más convenientemente usando el botón ACB. </li><li> Encontrar área de interés mediante el escaneo manualmente en las direcciones x e y. </li><li> Cambie a la SEM o modos de haz suave si se desea un aumento mayor. Seleccione detector que desee y establecer la distancia de trabajo en los valores adecuados para el experimento. </li><li> Ajuste el contraste y el brillo con la perilla ACB. </li><li> Enfoque la imagen con el control de fase z. </li><li> Alinear viga, corregir el astigmatismo y enfoque utilizando x y las perillas y. </li><li> Tome fotografías si lo desea, con el botón de la foto, y guardar en la carpeta correspondiente en el ordenador. </li><li> Cuando haya terminado, apague voltaje de aceleración. Mueva la muestra para el intercambio de posición y retirar de la cámara a través de la esclusa. </li></ol></li><li> Llevar a cabo el análisis elemental por ICP si es necesario, y caracterizar materiales con cualquier otras técnicas deseadas, tales como IRo espectroscopia Raman. </li><li> Fabrique electrodos, usando pasos 2.5.1-2.5.8. <ol><li> Hacer una solución de 5-6% (en peso) de fluoruro de polivinilideno (PVDF) en N-metilpirrolidinona (NMP). </li><li> Mill material junto activa y aditivo conductor (negro de acetileno, grafito, etc.). </li><li> Añadir la solución de NMP desde el paso 2.3.1 para secar el polvo desde el paso 2.3.2 y mezclar. Las proporciones varían dependiendo de la naturaleza del material activo, pero una composición final en seco de 80:10:10 (material activo: PVDF: aditivo conductor) es común. </li><li> Usando una cuchilla y (opcionalmente) una mesa de vacío, echar lodo sobre un electrodo colector de corriente de Al o Cu. Carbono recubierto Al foil puede ser utilizado para materiales de cátodo de la batería de ion-litio y todos los materiales de los electrodos de ión Na y Cu lámina se utiliza para materiales de ánodo de iones de litio. </li><li> Permitir electrodos se seque al aire. </li><li> Electrodos secos aún más utilizando una lámpara IR, plato caliente, o en un horno de vacío. </li><li> Cortar o punzón electrodos al tamaño necesario. Pesar electrodas. </li><li> Traslado electrodos a una atmósfera inerte guantera. Se recomienda una etapa de secado adicional utilizando una antecámara climatizada de vacío unida a la guantera para eliminar toda la humedad residual. </li></ol></li><li> Montar dispositivos electroquímicos (generalmente células de la moneda, pero otras configuraciones se pueden utilizar para la caracterización electroquímica) para la caracterización inicial, muestras ex situ, y / o experimento línea de luz, usando pasos 2.6.1-2.6.7. <ol><li> Reúna todos los componentes necesarios en la atmósfera inerte guantera. </li><li> Corte de litio o papel de aluminio de sodio al tamaño deseado. </li><li> Cortar separador microporoso al tamaño deseado. </li><li> Componentes de capa en este orden en el dispositivo: electrodos, separadores, solución electrolítica, y Li Na o papel de aluminio. </li><li> Añadir espaciadores y arandelas onduladas, según sea necesario. </li><li> Junta de la celda utilizando una prensa de tipo botón. </li><li> Para los experimentos de DRX situ, adjuntar fichas para cada lado de la célula de la moneda y sellar el dispositivo en la bolsa de poliéster.</li></ol></li><li> Realizar el ensayo electroquímico para la caracterización inicial o ex situ, utilizando pasos 2.7.1-2.7.6. <ol><li> Conecte los conductores del potenciostato / galvanostato o cicladora para dispositivo y medir el potencial de circuito abierto. </li><li> Escribe programa para el experimento electroquímico deseado o seleccione un programa de archivado. </li><li> Ejecutar experimento y recopilar datos. </li><li> Para los experimentos ex situ, desmontar el dispositivo en la guantera, teniendo cuidado de no es de corto circuito. Para pilas de botón, utilice una herramienta o alicates envueltos con cinta de teflón desensamblador de tipo botón. </li><li> Enjuague los electrodos con carbonato de dimetilo para eliminar la sal electrolito residual. Deje que se seque. </li><li> Electrodos de cubierta para estudio ex situ con papel de Kapton para experimentos de difracción de rayos X o cinta adhesiva para XAS y guardar en la guantera hasta que se llevó a cabo el experimento. </li></ol></li><li> Los polvos destinados para su estudio por XAS deben ser tamizados para asegurar el tamaño de partícula homogéneaneidad. Luego pueden ser rociados en varios pedazos de cinta adhesiva. Una serie de muestras puede entonces ser preparado por el apilamiento progresivamente más numerosas piezas de la cinta en polvo juntos. Esto es particularmente útil si el usuario tiene incertidumbre acerca de la cantidad de polvo necesaria para la señal óptima. <ol><li> Alternativamente, polvos para mediciones XAS se pueden diluir con BN si el usuario está seguro de lo que se traducirá en la señal óptima. </li></ol></li></ol> 3. Realización de experimentos en la Instalación de Sincrotrón <ol><li> Varios días antes del experimento es comenzar, el transporte Plan de materiales y equipos para la instalación. <ol><li> Para los dispositivos que contienen ánodos de metales alcalinos, se requiere de envío para evitar los peligros asociados con el transporte en vehículos particulares o públicos. </li><li> Equipos como galvanostato / potenciostatos portátiles y los ordenadores portátiles y las muestras no peligrosas tales como electrodos de trabajo ex situ puede ser brought a la instalación por parte del individuo que lleva a cabo los experimentos en cualquier forma conveniente. </li></ol></li><li> Llegada y registro en la instalación. </li><li> Por tanto in situ como ex situ experimentos de DRX, tener un patrón de referencia de LaB 6 con fines de calibración. <ol><li> Póngase en contacto con la línea de luz y de personal científico para obtener instrucciones. </li><li> Calibrar haz de encontrar condiciones haz de la derecha. </li><li> Medir el patrón de referencia de LaB 6. </li></ol></li><li> Para los experimentos de DRX situ, creada dispositivo y comenzar experimento siguientes pasos 3.4.1-3.4.6. <ol><li> Inserte bolsa en placas de presión de Al y asegurar que los agujeros están alineados correctamente para permitir que el haz de rayos X a transmitir. </li><li> Encuentra la posición óptima de la luz y el tiempo de exposición. La exposición prolongada puede llevar a la sobresaturación. Decidir si la muestra se sacudió o estacionario. </li><li> Tome patrón inicial antes de que se inicie la electroquímica. </li><li> Conecte los cables de galvanostat / potenciostato al dispositivo. </li><li> Comience experimento electroquímica. </li><li> Obtener datos. Una vez que el experimento está en marcha la recolección de datos es automática, y el usuario sólo tendrá que supervisar para asegurarse de que el experimento va según lo previsto. </li></ol></li><li> Configure experimentos XAS. <ol><li> El check in y ponerse en contacto con la línea de luz y de personal científico para obtener instrucciones. </li><li> Inserte la muestra y el material de referencia de aluminio (según el metal que se está midiendo, por ejemplo Ni para el borde Ni K). </li><li> Alinear muestra. </li><li> Determinar la energía de borde metálico específico utilizando Hefesto de IFEFFIT. Monocromador Tune, entonces de-tune en un 30% para eliminar los armónicos de orden superior. Cambie las ganancias para ajustar I 1 e I 2 offsets medida. </li><li> A efectuar la medición. Dos o más exploraciones se deben tomar y se fusionaron para el elemento de interés. </li><li> Repita los pasos 3.5.3 al 3.5.5 para elementos adicionales, según sea necesario. </li></ol></li></ol> 4. DatosAnálisis <ol><li> Para el trabajo de DRX, calibrar la imagen de la LaB 6. <ol><li> Área de descarga Difracción Machine, que está disponible a través del código de Google ( <a href="http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/" target="_blank">http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/</a> ). </li><li> Abra la imagen para LaB 6 de difracción y utilizar los valores de calibración iniciales del encabezado del archivo. </li><li> Abra la Q de referencia los valores de las BAL 6 (= 2π / d). </li><li> Calibre la imagen LaB 6 de difracción con los valores de Q y la estimación inicial de los valores de calibración. </li><li> Obtener valores de calibración correctos mediante ajuste de la imagen. </li><li> Guarde los valores de calibración en el archivo de calibración. </li></ol></li><li> Calibrar las imágenes de datos del experimento. <ol><li> Abra las imágenes de difracción del experimento. </li><li> Abra el archivo de calibración del laboratorio 6 referencia (guardado en el paso 4.1.6). </li><li> Abrir ªQ valores de referencia e (= 2π / d) de Al o Cu (colectores de corriente para los electrodos) y los utilizan como referencias internas. </li><li> Calibrar las imágenes del patrón de ajuste de imagen. </li><li> Integrar la imagen para Q vs Los datos de intensidad (análisis de línea). </li><li> Modelos de ajuste utilizando el programa de ajuste deseado (CelRef, Powdercell, RIQAS, GSAS, etc.). </li></ol></li><li> Procesar los datos electroquímicos usando cualquier programa de trazado conveniente (Excel, Origen, KaleidaGraph, Igor, etc.). </li><li> Para los datos XAS, utilice Artemis / ATHENA en el paquete de software IFEFFIT para su análisis. <ol><li> Calibre de datos utilizando el primer pico en la derivada de los espectros de absorción de los metales de referencia. </li><li> Fusionar como exploraciones. </li><li> Reste fondo y normalizar los datos. </li><li> Utilice la función AUTOBK aislar los datos EXAFS. </li><li> Transformada de Fourier de los datos EXAFS. </li><li> Utilice un ajuste de mínimos cuadrados de los espectros de Fourier transformada en R o k espacio para extraer structurainformación l. </li></ol></li></ol>

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Los autores tienen nada que revelar.

El análisis de los datos indica que XANES as-hizo LiNi x Co 1-2x Mn x O 2 (0.01 ≤ x ≤ 1) compuestos contienen Ni 2 +, 3 + Co y Mn 4 +. 10 Un estudio reciente in situ XAS en LiNi 0.4 Co 0,15 Al 0,05 Mn 0,4 O 2 mostró que Ni 2 + se oxida a Ni 3 + y, en última instancia, Ni 4 + durante deslitiación, pero que los procesos redox que implican Co 3 +</su...

Las baterías de iones de litio para la electrónica de consumo actualmente mandan un mercado $ 11 mil millones en todo el mundo ( <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> ) y son la mejor elección para aplicaciones vehiculares emergentes como plug-in de los vehículos eléctricos híbridos (PHEV) y vehículos eléctricos (EV). Análogos a estos dispositivos que utilizan los iones de sodio en lugar de litio se encuentran en etapas tempranas de desarrollo, pero se consideran atractivo para gran escala de almacenamiento de energía (es decir, aplicaciones de redes) con base en el precio y los argumentos de seguridad de suministro 1, 2. Ambos sistemas de intercalación duales trabajan en el mismo principio, los iones de metales alcalinos lanzadera entre dos electrodos que actúan como estructuras de acogida, que se someten a procesos de inserción a diferentes potenciales. Las células electroquímicas mismos están RELtivamente sencilla, que consta de electrodos positivos y negativos compuestos en los colectores de corriente, separadas por una membrana porosa saturada con una solución electrolítica por lo general consiste en una sal disuelta en una mezcla de disolventes orgánicos (Figura 1). Grafito y LiCoO2 son los electrodos más comúnmente empleados positivos y negativos, respectivamente, para las baterías de iones de litio. Varios materiales de los electrodos alternativos también se han desarrollado para aplicaciones específicas, incluyendo las variantes de LiMn 2 O 4 espinela, LiFePO4 con la estructura de olivino, y los CMN (LiNi x Mn x Co 1-2x O 2 compuestos) para los positivos, y los carbones duros, Li 4 Ti 5 O 12, y aleaciones de litio con el estaño para negativos 3. Materiales de alta tensión como LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4, los nuevos materiales de gran capacidad como los compuestos de capas de capas (por ejemplo XLI 2 MnO &lt;sub&gt; 3 · (1-x) LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2), compuestos con metales de transición que se someten a múltiples cambios en los estados redox, y ánodos de aleación Li-Si se encuentran actualmente sujetos de una intensa investigación, y, de ser desplegado con éxito, debe aumentar densidades de energía prácticos de células de iones de litio más. Otra clase de materiales, conocido como electrodos de conversión, en el que los óxidos de metales de transición, sulfuros, fluoruros o se reducen de forma reversible al elemento metálico y una sal de litio, también están bajo consideración para su uso como electrodos de la batería (principalmente como sustitutos de los ánodos) 4. Para los dispositivos basados ​​en sodio, carbón duro, aleaciones, estructuras Nasicon y titanatos están siendo investigados para su uso como ánodos y varios óxidos de metales de transición y compuestos polianiónicos como cátodos. Debido a que las baterías de iones de litio e iones de sodio no se basan en la química fijos, sus características de rendimiento varían considerablemente dependiendo de tque los electrodos que se emplean. El comportamiento redox de los electrodos determina los perfiles potenciales, capacidades de velocidad, y la vida de ciclo de los dispositivos. Polvo convencional de difracción de rayos X (DRX) técnicas se pueden utilizar para la caracterización estructural inicial de materiales vírgenes y medidas ex situ sobre electrodos andado en bicicleta, pero las consideraciones prácticas, tales como intensidad de señal baja y los relativamente largos tiempos necesarios para recopilar datos de limitar la cantidad de información que se pueden obtener en los procesos de descarga y carga. Por el contrario, los de alto brillo y cortas longitudes de onda de la radiación sincrotrón (por ejemplo, λ = 0,97 A en la línea de luz de la Stanford de Radiación Sincrotrón de Lightsource 11-3), combinado con el uso de detectores de imagen de alto rendimiento, la adquisición del permiso de datos de alta resolución sobre las muestras en tan poco como 10 segundos. En el trabajo in situ se realiza en el modo de transmisión de los componentes celulares sometidos a carga y descarga en herméticamente selladobolsas transparentes a los rayos X, sin tener que detener la operación para la adquisición de datos. Como resultado, los cambios estructurales de los electrodos se pueden observar como &quot;instantáneas en el tiempo&quot;, como los ciclos celulares, y mucho más información se pueden obtener que con las técnicas convencionales. Espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), también conocida como rayos X Absorción Fine Structure (XAFS) proporciona información sobre la estructura electrónica y geométrica local de materiales a veces. En experimentos XAS, la energía del fotón es sintonizado a los bordes de absorción características de los elementos específicos que se investigan. Más comúnmente para materiales de la batería, estas energías corresponden a los bordes (K-orbitales 1s) de los metales de transición de interés, pero XAS suaves experimentos sintonizados a O, F, C, B, N y L de los bordes 2,3 de primera fila metales de transición también a veces se llevan a cabo en muestras ex situ 5. Los espectros generados por experimentos XAS se puede dividir en varios distregiones INCT, que contienen información diferente (ver Newville, M., Fundamentos de XAFS, <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</a> ). La característica principal, que consiste en el borde de absorción y se extiende alrededor de 30-50 eV más allá es la absorción de rayos X Cerca de estructura de borde región (XANES) e indica el umbral de ionización a Continuum estados. Este contiene información sobre el estado de oxidación y química de coordinación del absorbedor. La parte de energía más alto del espectro se conoce como la de rayos X estructura extendida Absorción fina (EXAFS) región y corresponde a la dispersión de la fotoelectrones expulsado de los átomos vecinos. Análisis de Fourier de esta región da corto alcance información estructural tales como longitudes de enlace y el número y tipos de iones vecinos. Preedge cuenta por debajo de la characteristtambién aparecen a veces las energías de absorción ic de algunos compuestos. Surgen de dipolo transiciones electrónicas prohibidas para vaciar los estados consolidados para geometrías octaédricas o dipolo permitidos efectos de hibridación orbital en los tetraedros y, a menudo se pueden correlacionar con la simetría local del ion absorbe (por ejemplo, si se trata de tetraédricamente o octaédricamente coordinada) 6. XAS es una técnica particularmente útil para el estudio de sistemas metálicos mixtos tales como los CMN para determinar estados iniciales redox y que los iones de metales de transición se someten durante los procesos redox deslitiación y de litiación. Los datos sobre varios metales diferentes se pueden obtener con rapidez en un solo experimento y la interpretación es relativamente sencilla. Por el contrario, la espectroscopia Mössbauer se limita a sólo unos pocos metales utilizados en materiales de la batería (sobre todo, de Fe y Sn). Si bien las mediciones magnéticas también se pueden usar para determinar los estados de oxidación, los efectos de acoplamiento magnéticos pueden complicacionesinterpretación te particularmente para los óxidos complejos, como el CMN. Bien planificadas y ejecutadas-in situ y ex situ y XRD sincrotrón experimentos XAS proporcionan información complementaria y permiten una visión más completa que se forme de los cambios estructurales que ocurren en materiales de electrodo durante el funcionamiento normal de la batería de la que puede obtenerse a través de técnicas convencionales. Esto, a su vez, da una mayor comprensión de lo que gobierna el comportamiento electroquímico de los dispositivos.

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inert atmosphere glovebox</td>
			<td>Vacuum Atmospheres</td>
			<td>Custom order, contact vendors</td>
			<td>Used during cell assembly and to store alkali metals and moisture sensitive components. (<a href="http://vac-atm.com" target="_blank">http://vac-atm.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inert atmosphere glovebox</td>
			<td>Mbraun</td>
			<td></td>
			<td>Various sizes (single, double) available, many options such as mini or heated antechambers oxygen/water removal systems, shelving, electrical feedthroughs, etc. (<a href="http://www.mbraunusa.com" target="_blank">http://www.mbraunusa.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray powder diffractometer (XRD)</td>
			<td>Panalytical</td>
			<td>X&#39;Pert Powder</td>
			<td>X&#39;Pert is a modular system. Many accessories available for specialized experiments. (<a href="http://www.mbraunusa.com" target="_blank">www.panalytical.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray powder diffractometer (XRD)</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>Bruker D2 Phaser</td>
			<td>Bruker D2 Phaser is compact and good for routine powder analyses. (<a href="www.bruker.com" target="_blank">www.bruker.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning Electron Microscope (SEM)</td>
			<td></td>
			<td>JSM7500F</td>
			<td>High resolution field emission scanning electron microscope with numerous customizable options. JEOL (<a href="http://www.jeolusa.com" target="_blank">http://www.jeolusa.com</a>) Low cost tabletop versions also available. Contact vendor for options.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pouch Sealer</td>
			<td>VWR</td>
			<td>11214-107</td>
			<td>Used to seal pouches for in situ work. (<a href="https://us.vwr.com/" target="_blank">https://us.vwr.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manual crimping tool</td>
			<td>Pred Materials</td>
			<td>HSHCC-2016, 2025, 2032, 2320</td>
			<td>Used to seal coin cells. Match size to coin cell hardware. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coin cell disassembling tool</td>
			<td>Pred Materials</td>
			<td>Contact vendor</td>
			<td>Used to take apart coin cells to recover electrodes for ex situ work. Needlenose pliers can also be used. Cover ends with Teflon tape to avoid shorting cells. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Film casting knives</td>
			<td>BYK Gardner</td>
			<td>4301, 4302, 4303, 4304,4305,2325, 2326,2327,2328, 2329</td>
			<td>Used to cast electrodes films from slurries. Different sizes available, with either metric or English gradations. Bar film or Baker-type applicators and doctor blades are less versatile but lower cost options. Can be used by hand or with automatic film applicators. (<a href="https://www.byk.com/" target="_blank">https://www.byk.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Doctor blades, Baker applicators</td>
			<td>Pred Materials</td>
			<td>Baker type applicator and doctor blade. Film casting knives also available.</td>
			<td>Used to cast electrodes films from slurries. Different sizes available, with either metric or English gradations. Bar film or Baker-type applicators and doctor blades are less versatile but lower cost options. Can be used by hand or with automatic film applicators. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Automatic film applicator</td>
			<td>BYK Gardner</td>
			<td>2101, 2105, 2121, 2122</td>
			<td>Optional. Used with bar applicators, doctor blades, or film casting knives for automatic electrode film production. Films can also be made by hand but are less uniform. (<a href="https://www.byk.com/" target="_blank">https://www.byk.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Automatic film applicator</td>
			<td>Pred Materials</td>
			<td>Contact vendor</td>
			<td>Optional. Used with bar applicators, doctor blades, or film casting knives for automatic electrode film production. Films can also be made by hand but are less uniform. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat/Galvanostat</td>
			<td>Bio-Logic Science Instruments</td>
			<td>VSP</td>
			<td>Portable 5 channel computer-controlled potentiostat/galvanostat used to cycle cells for in situ experiments. (<a href="http://www.bio-logic.info/" target="_blank">http://www.bio-logic.info</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat/Galvanostat</td>
			<td>Gamry Instruments</td>
			<td>Reference 3000</td>
			<td>Portable single channel computer-controlled potentiostat/galvanostat used to cycle cells for in situ experiments. (<a href="www.gamry.com" target="_blank">www.gamry.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>The Area Diffraction Machine</td>
			<td></td>
			<td>Free download</td>
			<td>Used for analysis of 2D diffraction data. Mac and Windows versions available. <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>Free download</td>
			<td>Suite of interactive programs for XAS analysis, including Hephaestus, Athena, and Artemis. Available for Mac, Windows, and UNIX. <a href="http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/" target="_blank">http://cars9.uchicago.edu/ifeffit/</a></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SIXPACK</td>
			<td></td>
			<td>Free download</td>
			<td>XAS analysis program that builds on IFEFFIT. Windows and Mac versions. <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>Free download</td>
			<td>Graphical unit cell refinement. Windows only. <a href="http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm" target="_blank">http://www.ccp14.ac.uk/tutorial/lmgp/celref.htm and http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/lmgp-laugier-bochu/</a></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Reagent/Material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrode active materials</td>
			<td>various</td>
			<td></td>
			<td>Synthesized in-house or obtained from various suppliers.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Synthetic flake graphite</td>
			<td>Timcal</td>
			<td>SFG-6</td>
			<td>Conductive additive for electrodes. (<a href="http:/www.timcal.com" target="_blank">www.timcal.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetylene black</td>
			<td>Denka</td>
			<td>Denka Black</td>
			<td>Conductive additive for electrodes. (<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-methyl-2-pyrrolidinone (NMP)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>328634</td>
			<td>Used to make electrode slurries. (<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Al current collectors</td>
			<td>Exopack</td>
			<td>z-flo 2650</td>
			<td>Carbon-coated foils. Coated on one side. (<a href="http://www.exopackadvancedcoatings.com" target="_blank">http://www.exopackadvancedcoatings.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Al current collectors</td>
			<td>Alfa-Aesar</td>
			<td>10558</td>
			<td>0.025 mm (0.001 in) thick, 30 cm x 30 cm (12 in x 12 in), 99.45% (metals basis), uncoated (<a href="http://www.alfa.com" target="_blank">http://www.alfa.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cu current collectors</td>
			<td>Pred Materials</td>
			<td>Electrodeposited Cu foil</td>
			<td>For use with anode materials for Li-ion batteries. (<a href="http://www.predmaterials.com" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium foil</td>
			<td>Rockwood Lithium</td>
			<td>Contact vendor</td>
			<td>Anode for half cells. Available in different thicknesses and widths. Reactive and air sensitive. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under He or Ar (reacts with N2). (<a href="http://www.rockwoodlithium.com" target="_blank">www.rockwoodlithium.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium foil</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>320080</td>
			<td>Anode for half cells. Available in different thicknesses and widths. Reactive and air sensitive. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under He or Ar (reacts with N2). (<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium ingot</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>282065</td>
			<td>Anodes for half cells. Can be extruded into foils. Reactive and air sensitive. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under He only. (<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrolyte solutions</td>
			<td>BASF</td>
			<td>Selectilyte P-Series contact vendor</td>
			<td>Contact vendor for desired formulations. (<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>Dimethyl carbonate (DMC)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>517127</td>
			<td>Used to wash electrodes for ex situ experiments. (<a href="http://www.sigmaaldrich.com" target="_blank">www.sigmaaldrich.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microporous separators</td>
			<td>Celgard</td>
			<td>2400</td>
			<td>Polypropylene membranes (<a href="http://www.celgard.com/" target="_blank">http://www.celgard.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coin cell hardware (case, cap, gasket)</td>
			<td>Pred Materials</td>
			<td>CR2016, CR2025, CR2320, CR2032</td>
			<td>Match size to available crimping tool, Al-clad components also available. (<a href="http://www.predmaterials.com" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wave washers</td>
			<td>Pred Materials</td>
			<td>SUS316L</td>
			<td>(<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spacers</td>
			<td>Pred Materials</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>Pred Materials</td>
			<td>Contact vendor</td>
			<td>Sizes subject to change. Inquire about custom orders. (<a href="http://www.predmaterials.com/" target="_blank">www.predmaterials.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyester pouches</td>
			<td>VWR</td>
			<td>11214-301</td>
			<td>Used to seal electrochemical cells for in situ work. Avoid heavy duty pouches because of strong signal interference. (<a href="https://us.vwr.com" target="_blank">https://us.vwr.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kapton film</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>7648A735</td>
			<td>Used to cover electrodes for ex situ experiments, 0.0025 in thick (<a href="http://www.mcmaster.com/" target="_blank">www.mcmaster.com</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Helium, Argon and 4-10% hydrogen in helium or argon</td>
			<td>Air Products</td>
			<td>contact vendor for desired compositions and purity levels</td>
			<td>Helium or argon used to fill glovebox where cell assembly is carried out and alkali metal is stored. (<a href="http://www.airproducts.com/products/gases.aspx" target="_blank">http://www.airproducts.com/products/gases.aspx</a>)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Do not use nitrogen because it reacts with lithium. Use only helium if sodium is being stored. 
			Purity level needed depends on whether the glovebox is equipped with a water and oxygen removal system. Hydrogen mixtures needed to regenerate water/oxygen removal system, if present&#160;or any other suitable gas supplier</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

characterization of electrode materials for lithium ion and sodium ion batteries using synchrotron radiation techniques

Compuestos de intercalación, como los óxidos de metales de transición o fosfatos son los materiales de los electrodos más comúnmente utilizados en las baterías de iones de Na Li-ion y. Durante la inserción o eliminación de iones de metales alcalinos, los estados redox de metales de transición en los compuestos cambian y transformaciones estructurales tales como transiciones de fase y / o aumentos o disminuciones parámetro de red se producen. Estos comportamientos, a su vez determinan características importantes de las baterías, como los perfiles de potenciales, capacidades de velocidad, y la vida de ciclo. Los rayos X extremadamente brillantes y sintonizables producidos por la radiación de sincrotrón permiten una rápida adquisición de datos de alta resolución que proporcionan información sobre estos procesos. Las transformaciones en los materiales a granel, tales como transiciones de fase, se pueden observar directamente mediante difracción de rayos X (DRX), mientras que la espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) proporciona información sobre la estructura electrónica y geométricos locales (por ejemplo, cambios en los estados redox y bonos lengths). En experimentos in situ llevadas a cabo en las células que operan son particularmente útiles debido a que permiten una correlación directa entre las propiedades electroquímicas y estructurales de los materiales. Estos experimentos son mucho tiempo y puede ser difícil de diseñar debido a la reactividad y aire sensibilidad de los ánodos de metales alcalinos usados ​​en las configuraciones de células medio, y / o la posibilidad de interferencia de la señal de otros componentes celulares y de hardware. Por estas razones, es conveniente llevar a cabo experimentos ex situ (por ejemplo, sobre los electrodos recolectadas de células cargadas parcialmente o en bicicleta) en algunos casos. A continuación, presentamos los protocolos detallados para la preparación de tanto ex situ e in situ muestras de los experimentos con radiación sincrotrón y demostrar cómo se hacen estos experimentos.

La Figura 2 muestra una secuencia típica utilizada para un experimento in situ. Después de la síntesis y caracterización de polvos de material activo, electrodos compuestos se preparan a partir de suspensiones que contienen el material activo, un aglutinante tal como fluoruro de polivinilideno (PVDF) y aditivos conductores tales como negro de carbono o grafito suspendido en N-metilpirrolidinona (NMP), se deposita sobre ya sea aluminio o cobre de aluminio de captación de corriente. El alumi...

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

Se describe el uso de sincrotrón de rayos X espectroscopia de absorción (XAS) y difracción de rayos X (DRX) técnicas para sondear los detalles de los procesos de intercalación / desintercalación en materiales de electrodos para baterías de ion-litio y Na-ion. Tanto in situ como ex situ experimentos se utilizan para entender el comportamiento estructural relevante para el funcionamiento de los dispositivos

Caracterización de los materiales de los electrodos de ión de litio y baterías de ión sodio utilizando técnicas de Radiación Sincrotrón

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

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

Research

JoVE Journal

Engineering

25.3K vistas.  Lawrence Berkeley National Laboratory.  Se describe el uso de sincrotrón de rayos X espectroscopia de absorción (XAS) y difracción de rayos X (DRX) técnicas para sondear los detalles de los procesos de intercalación / desintercalación en materiales de electrodos para baterías de ion-litio y Na-ion. Tanto in situ como ex situ experimentos se utilizan para entender el comportamiento estructural relevante para el funcionamiento de los dispositivos 

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

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Construcción y verificación de las células de la moneda de baterías de ion de litio

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Investigación

Ingeniería

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 &deg;C), flammable, and volatile organic electrolytes. These organic based electrolyte systems are viable at ambient temperatures, but require a cooling system to ensure that temperatures do not exceed 80 &deg;C. These cooling systems tend to increase battery costs and can malfunction which can lead to battery malfunction and explosions, thus endangering human life. Increases in petroleum prices lead to a huge demand for safe, electric hybrid vehicles that are more economically viable to operate as oil prices continue to rise. Existing organic based electrolytes used in lithium ion batteries are not applicable to high temperature automotive applications. A safer alternative to organic electrolytes is solid polymer electrolytes. This work will highlight the synthesis for a graft copolymer electrolyte (GCE) poly(oxyethylene) methacrylate (POEM) to a block with a lower glass transition temperature (Tg) poly(oxyethylene) acrylate (POEA). The conduction mechanism has been discussed and it has been demonstrated the relationship between polymer segmental motion and ionic conductivity indeed has a Vogel-Tammann-Fulcher (VTF) dependence. Batteries containing commercially available LP30 organic (LiPF6 in ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC) at a 1:1 ratio) and GCE were cycled at ambient temperature. It was found that at ambient temperature, the batteries containing GCE showed a greater overpotential when compared to LP30 electrolyte. However at temperatures greater than 60 &deg;C, the GCE cell exhibited much lower overpotential due to fast polymer electrolyte conductivity and nearly the full theoretical specific capacity of 170 mAh/g was accessed.

Lithium ion batteries employ flammable and volatile organic electrolytes that are suitable for ambient temperature applications. A safer alternative to organic electrolytes are solid polymer batteries. Solid polymer batteries operate safely at high temperatures (&gt;120 &deg;C), thus making them applicable to high temperature applications such as deep oil drilling and hybrid electric vehicles. This paper will discuss (a) the polymer synthesis, (b) the polymer conduction mechanism, and (c) provide temperature cycling for both solid polymer and organic electrolytes.

Los electrolitos copolímero de injerto de estado sólido para aplicaciones de batería de litio

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. From the measured surface, 3D topographic maps can be subsequently analyzed using a variety of software packages to extract the information that is needed.
In this article we describe how white light interferometry, and optical profilometry (OP) in general, combined with generic surface analysis software, can be used for materials science and engineering tasks. In this article, a number of applications of white light interferometry for investigation of surface modifications in mass spectrometry, and wear phenomena in tribology and lubrication are demonstrated. We characterize the products of the interaction of semiconductors and metals with energetic ions (sputtering), and laser irradiation (ablation), as well as ex situ measurements of wear of tribological test specimens.
Specifically, we will discuss:
<ol class="lroman">
	<li>Aspects of traditional ion sputtering-based mass spectrometry such as sputtering rates/yields measurements on Si and Cu and subsequent time-to-depth conversion.</li>
	<li>Results of quantitative characterization of the interaction of femtosecond laser irradiation with a semiconductor surface. These results are important for applications such as ablation mass spectrometry, where the quantities of evaporated material can be studied and controlled via pulse duration and energy per pulse. Thus, by determining the crater geometry one can define depth and lateral resolution versus experimental setup conditions.</li>
	<li>Measurements of surface roughness parameters in two dimensions, and quantitative measurements of the surface wear that occur as a result of friction and wear tests.</li>
</ol>
Some inherent drawbacks, possible artifacts, and uncertainty assessments of the white light interferometry approach will be discussed and explained.

White light microscope interferometry is an optical, noncontact and quick method for measuring the topography of surfaces. It is shown how the method can be applied toward mechanical wear analysis, where wear scars on tribological test samples are analyzed; and in materials science to determine ion beam sputtering or laser ablation volumes and depths.

Caracterización de modificaciones de la superficie de la interferometría de luz blanca: Aplicaciones en Sputtering Ion, ablación con láser y Experimentos Tribología

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric vehicles.1,2 However, many challenges, such as energy density and battery lifetimes, need to be overcome before this particular battery technology can be widely implemented in such applications.3 This research is challenging, and we outline a method to address these challenges using in situ NPD to probe the crystal structure of electrodes undergoing electrochemical cycling (charge/discharge) in a battery. NPD data help determine the underlying structural mechanism responsible for a range of electrode properties, and this information can direct the development of better electrodes and batteries.
We briefly review six types of battery designs custom-made for NPD experiments and detail the method to construct the &#8216;roll-over&#8217; cell that we have successfully used on the high-intensity NPD instrument, WOMBAT, at the Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). The design considerations and materials used for cell construction are discussed in conjunction with aspects of the actual in situ NPD experiment and initial directions are presented on how to analyze such complex in situ data.

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

We describe the design and construction of an electrochemical cell for the examination of electrode materials using in situ neutron powder diffraction (NPD). We briefly comment on alternate in situ NPD cell designs and discuss methods for the analysis of the corresponding in situ NPD data produced using this cell.

In Situ de neutrones polvo Difracción Uso de baterías de litio-ion por encargo

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent of lithium-ion batteries, researchers have known that the lithium metal anode has the highest theoretical energy density of any anode material. However, rechargeable batteries containing a lithium metal anode are not widely used in consumer products because the growth of lithium dendrites from the anode upon charging of the battery causes premature cell failure by short circuit. Lithium dendrites can also form in commercial lithium-ion batteries with graphite anodes if they are improperly charged. We demonstrate that lithium dendrite growth can be studied using synchrotron-based hard X-ray microtomography. This non-destructive imaging technique allows researchers to study the growth of lithium dendrites, in addition to other morphological changes inside batteries, and subsequently develop methods to extend battery life.

Synchrotron-based hard X-ray microtomography is used to image the electrochemical growth of dendrites from a lithium metal electrode through a solid polymer electrolyte membrane.

Análisis de Falla en Baterías Utilizando Microtomografía duro de rayos X a base de Sincrotrón

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can potentially contribute to the exposure of biota and humans. The diffusive gradients in thin films technique is introduced here for in-situ measurements of Pu bioavailability and speciation. A diffusion cell constructed for laboratory experiments with Pu and the newly developed protocol make it possible to simulate the environmental behavior of Pu in model solutions of various chemical compositions. Adjustment of the oxidation states to Pu(IV) and Pu(V) described in this protocol is essential in order to investigate the complex redox chemistry of plutonium in the environment. The calibration of this technique and the results obtained in the laboratory experiments enable to develop a specific DGT device for in-situ Pu measurements in freshwaters. Accelerator-based mass-spectrometry measurements of Pu accumulated by DGTs in a karst spring allowed determining the bioavailability of Pu in a mineral freshwater environment. Application of this protocol for Pu measurements using DGT devices has a large potential to improve our understanding of the speciation and the biological transfer of Pu in aquatic ecosystems.

The technique of diffusive gradients in thin films (DGT) is proposed for speciation studies of plutonium. This protocol describes diffusion experiments probing the behavior of Pu(IV) and Pu(V) in presence of organic matter. DGTs deployed in a karstic spring allow assessment of the bioavailability of Pu.

Especiación y biodisponibilidad mediciones de plutonio Ambiental Uso de Difusión en Thin Films

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor performance, which suggest a new direction for the development of next-generation ultrathin and flexible photonic and electronic devices. Enhanced luminescence quantum efficiency has been widely observed in these atomically thin 2D crystals. However, dimension effects beyond quantum confinement thicknesses or even at the micrometer scale are not expected and have rarely been observed. In this study, molybdenum diselenide (MoSe2) layer crystals with a thickness range of 6-2,700 nm were fabricated as two- or four-terminal devices. Ohmic contact formation was successfully achieved by the focused-ion beam (FIB) deposition method using platinum (Pt) as a contact metal. Layer crystals with various thicknesses were prepared through simple mechanical exfoliation by using dicing tape. Current-voltage curve measurements were performed to determine the conductivity value of the layer nanocrystals. In addition, high-resolution transmission electron microscopy, selected-area electron diffractometry, and energy-dispersive X-ray spectroscopy were used to characterize the interface of the metal&#8211;semiconductor contact of the FIB-fabricated MoSe2 devices. After applying the approaches, the substantial thickness-dependent electrical conductivity in a wide thickness range for the MoSe2-layer semiconductor was observed. The conductivity increased by over two orders of magnitude from 4.6 to 1,500 &#937;&#8722;1 cm&#8722;1, with a decrease in the thickness from 2,700 to 6 nm. In addition, the temperature-dependent conductivity indicated that the thin MoSe2 multilayers exhibited considerably weak semiconducting behavior with activation energies of 3.5-8.5 meV, which are considerably smaller than those (36-38 meV) of the bulk. Probable surface-dominant transport properties and the presence of a high surface electron concentration in MoSe2 are proposed. Similar results can be obtained for other layer semiconductor materials such as MoS2 and WS2.

We describe the approaches for the device fabrication and electrical characterization of molybdenum diselenide (MoSe2) layer semiconductor nanostructures with different thicknesses. In addition, the fabrication of ohmic contacts for MoSe2-layer nanocrystals by the focused-ion beam deposition method using platinum (Pt) as a contact metal is described.

Óhmico Contacto Fabricación Usando una técnica enfocada-ion Beam y Eléctrica Caracterización de Nanoestructuras capa semiconductora

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

Procesamiento de electrodos no acuoso y Construcción de células de iones de litio de la moneda

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data acquisition times with high spatial resolution. In the electronics industry there is serious interest in performing failure analysis on 3D microelectronic packages, many which contain multiple levels of high-density interconnections. Often in tomography there is a trade-off between image resolution and the volume of a sample that can be imaged. This inverse relationship limits the usefulness of conventional computed tomography (CT) systems since a microelectronic package is often large in cross sectional area 100-3,600 mm2, but has important features on the micron scale. The micro-tomography beamline at the Advanced Light Source (ALS), in Berkeley, CA USA, has a setup which is adaptable and can be tailored to a sample&#39;s properties, i.e., density, thickness, etc., with a maximum allowable cross-section of 36 x 36 mm. This setup also has the option of being either monochromatic in the energy range ~7-43 keV or operating with maximum flux in white light mode using a polychromatic beam. Presented here are details of the experimental steps taken to image an entire 16 x 16 mm system within a package, in order to obtain 3D images of the system with a spatial resolution of 8.7 &#181;m all within a scan time of less than 3 min. Also shown are results from packages scanned in different orientations and a sectioned package for higher resolution imaging. In contrast a conventional CT system would take hours to record data with potentially poorer resolution. Indeed, the ratio of field-of-view to throughput time is much higher when using the synchrotron radiation tomography setup. The description below of the experimental setup can be implemented and adapted for use with many other multi-materials.

For this study synchrotron radiation micro-tomography, a non-destructive three-dimensional imaging technique, is employed to investigate an entire microelectronic package with a cross-sectional area of 16 x 16 mm. Due to the synchrotron&#39;s high flux and brightness the sample was imaged in just 3 min&#160;with an 8.7 &#181;m spatial resolution.

El uso de la radiación del sincrotrón Microtomografía encargado de investigar multi-escala Paquetes microelectrónicos tridimensionales

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Synthesis of Ionic Liquid Based Electrolytes, Assembly of Li-ion Batteries, and Measurements of Performance at High Temperature

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion batteries for use in devices operating at elevated temperatures require thermally stable and non-flammable electrolytes. Ionic liquids (ILs), which are non-flammable, non-volatile, thermally stable molten salts, are an ideal replacement for flammable and low boiling point organic solvent electrolytes currently used today. We herein describe the procedures to: 1) synthesize mono- and di-phosphonium ionic liquids paired with chloride or bis(trifluoromethane)sulfonimide (TFSI) anions; 2) measure the thermal properties and stability of these ionic liquids by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA); 3) measure the electrochemical properties of the ionic liquids by cyclic voltammetry (CV); 4) prepare electrolytes containing lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide; 5) measure the conductivity of the electrolytes as a function of temperature; 6) assemble a coin cell battery with two of the electrolytes along with a Li metal anode and LiCoO2 cathode; and 7) evaluate battery performance at 100 &#176;C. We additionally describe the challenges in execution as well as the insights gained from performing these experiments.

Here, we describe protocols to prepare phosphonium-based ionic liquid and lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide salt electrolytes, and assemble a non-flammable and high temperature functioning lithium-ion coin cell battery.

Síntesis de líquidos iónicos electrolitos basados, Montaje de baterías de ion-litio, y mediciones de rendimiento a temperaturas elevadas

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion ...