Este trabalho é apoiado pelo Secretário Assistente para a Eficiência Energética e Energias Renováveis, Escritório de Veículo Tecnologias do Departamento de Energia dos EUA sob Contrato n º DE-AC02-05CH11231. Partes deste trabalho foram realizadas no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, uma Direcção de SLAC National Accelerator Laboratory e um Escritório de Ciência Facility Usuário operado pelo Departamento de Energia Escritório de Ciência dos EUA pela Universidade de Stanford. O Programa de Biologia Molecular Estrutural SSRL é apoiado pelo Escritório DOE de pesquisa biológica e ambiental, e pelos Institutos Nacionais de Saúde, Centro Nacional de Pesquisa de Recursos, Programa de Tecnologia Biomédica (P41RR001209).

1. Planejamento de Experimentos <ol><li> Identificar experiências linha feixe de interesse. Consulte a linha de feixe de webpages como guias. Para SSRL XAS e DRX, estes 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> Contacte a linha de feixe de cientista e discutir detalhes do experimento. </li></ol></li><li> Confira os prazos e requisitos para apresentação de propostas, indo para o site em questão. </li><li> Escrever proposta tempo feixe e enviar. </li><li> Depois de a proposta ter sido marcado, o tempo de feixe programação. </li><li> Siga as instruções fornecidas pela facilidade de se preparar para o tempo do feixe. Considere os detalhes da experiência, transporte de materiais (especialmente dos dispositivos que contêm metais alcalinos) e equipamentos e quaisquer preocupações de segurança. Treinamento de segurança é geralmente necessária para novos usuários. </li></ol> 2. Elaboração de Materiais, eletrodos e células <ol><li> Sintetizar ou obter material ativo de interesse. </li><li> Caracterizar o material por raio-X em pó difração convencional, utilizando passos 2.2.1-2.2.9. <ol><li> Moer em pó e peneira para garantir a distribuição de tamanho de partícula uniforme. </li><li> Carregar amostra no porta-amostras. Remova placa traseira do suporte e colocá-lo contra uma lâmina de vidro. Preencha cavidade com o pó, em seguida, anexar placa traseira, suporte de tampa e retire slide. Isto assegura que o pó é nivelado com a superfície do suporte, e que a superfície é plana. </li><li> Faça o login no diário de bordo para o difratômetro. </li><li> Insira o suporte de amostra no difratômetro e alinhar. </li><li> Feche as portas de difratômetro. </li><li> Usando programa de coletor de dados em computador conectado Pandifractómetro alytical, o aumento de tensão e corrente de valores apropriados para a medição. Selecione fendas e máscaras de feixe para o experimento. Selecionar ou modificar programa de digitalização. </li><li> Iniciar o programa e nome do arquivo de dados. Tranque portas difratômetro passando crachá quando solicitado pelo programa. Coletar dados. </li><li> Analisar padrão usando o programa de High Score. Em particular, procure a presença de impurezas (reflexões extras) e se padrão corresponde a de materiais de referência ou padrões calculados. </li><li> Remova a amostra de difratômetro. Abaixe as portas de corrente e tensão, e fechar. Sair, observando todas as condições incomuns. </li></ol></li><li> Obter microscopia eletrônica de varredura para avaliar morfologias de partículas, usando passos 2.3.1-2.3.10. <ol><li> Prepare amostra anexando fita de carbono para um esboço de alumínio, e polvilhando amostra em pó para o lado pegajoso. Teste para o magnetismo, segurando um ímã da cozinha sobre a amostra. </li><li> Insira amostra em SEM câmara através airlock. </li><li> Uma vez estabelecido o vácuo é, transformar tensão de aceleração em. </li><li> No modo de baixa ampliação, ajuste de contraste e brilho. Esta é mais convenientemente feito utilizando o botão ACB. </li><li> Encontre área de interesse, verificando manualmente nas direções x e y. </li><li> Mudar para SEM ou modos gentis de feixe se maior ampliação é desejada. Selecione detector desejado e definir distância de trabalho para os valores apropriados para o experimento. </li><li> Ajuste o contraste eo brilho usando o botão ACB. </li><li> Foco imagem com controle de fase z. </li><li> Alinhe feixe, corrigir o astigmatismo e foco usando x e y botões. </li><li> Tire fotos como desejado, usando o botão da foto, e salvar a pasta apropriada no computador. </li><li> Quando terminar, desligue tensão de aceleração. Mova amostra para trocar de posição e remover da câmara através de câmara de vácuo. </li></ol></li><li> Conduzir a análise elementar por ICP, se necessário, e caracterizar materiais com quaisquer outras técnicas desejadas, tais como IRou espectroscopia Raman. </li><li> Fabricar eletrodos, utilizando passos 2.5.1-2.5.8. <ol><li> Adicione uma solução de 5-6% (em peso) de fluoreto de polivinilideno (PVDF) em N-metilpirrolidinona (NMP). </li><li> Moinho material junto ativo e aditivo condutor (negro de acetileno, grafite, etc.). </li><li> Adicionar solução de NMP a partir do passo 2.3.1 para secar o pó do passo 2.3.2 e misturar. As proporções variam dependendo da natureza do material activo, mas uma composição seca final 80:10:10 (material activo: PVDF: aditivo condutor) é comum. </li><li> Usando uma lâmina e (opcionalmente) uma mesa de vácuo, lama eletrodo elenco para uma corrente de coletor Al ou Cu. Carbono revestido Al folha pode ser usado para materiais de cátodo da bateria Li-ion e todos os materiais de eletrodo Na-íon, e Cu folha é usado para materiais de ânodo Li-íon. </li><li> Permitir eletrodos para ar seco. </li><li> Eletrodos secos, usando mais uma lâmpada IR, prato quente, ou um forno a vácuo. </li><li> Cortar ou perfurar eletrodos para o tamanho necessário. Pesar electrodes. </li><li> Transferir eléctrodos para uma caixa de luvas atmosfera inerte. Uma etapa adicional de secagem usando uma antecâmara aquecida vácuo ligada ao porta-luvas é recomendado para remover toda a humidade residual. </li></ol></li><li> Montar dispositivos eletroquímicos (geralmente pilhas moeda, mas outras configurações podem ser utilizadas para caracterização eletroquímica) para a caracterização inicial, amostras ex situ e / ou linha de feixe de experiência, utilizando os passos 2.6.1-2.6.7. <ol><li> Reúna todos os componentes necessários na atmosfera inerte porta-luvas. </li><li> Corte de lítio ou de sódio a folha com o tamanho desejado. </li><li> Cortar separador microporoso para o tamanho desejado. </li><li> Componentes da camada nesta ordem no dispositivo: eletrodos, separador, solução eletrolítica, e Li ou Na folha. </li><li> Adicionar espaçadores e arruelas de onda, conforme necessário. </li><li> Vedação da célula usando uma prensa célula tipo moeda. </li><li> Para nos experimentos de DRX situ, anexar guias para cada lado da célula de moeda e um dispositivo de vedação em bolsa de poliéster.</li></ol></li><li> Realizar experimento eletroquímico para caracterização inicial ou trabalho ex situ, utilizando passos 2.7.1-2.7.6. <ol><li> Conecte os fios do potenciostato / galvanostato ou termociclador para o dispositivo e medir o potencial de circuito aberto. </li><li> Escrever programa para o experimento eletroquímico desejado ou selecionar um programa arquivado. </li><li> Execute experiência e recolher dados. </li><li> Para os experimentos ex situ, desmontar o dispositivo no porta-luvas, tomando cuidado para não curto-circuito-lo. Para pilhas moeda, use uma ferramenta de desmontador célula tipo moeda ou alicate embrulhados com fita teflon. </li><li> Lave os eletrodos com dimetilcarbonato para remover o sal eletrólito residual. Deixe-as secar. </li><li> Eletrodos de cobertura para estudo ex situ com Kapton folha para experimentos de DRX ou fita adesiva para XAS e loja no porta-luvas até que o experimento é realizado. </li></ol></li><li> Pós destinados ao estudo de XAS deve ser peneirada para garantir tamanho de partícula homoneity. Eles podem então ser polvilhado sobre vários pedaços de fita adesiva. Uma série de amostras pode, então, ser preparado por empilhamento progressivamente mais numerosas peças de fita em pó em conjunto. Isto é particularmente útil quando o utilizador está seguro sobre a quantidade de pó necessária para o melhor sinal. <ol><li> Alternativamente, pós para medições XAS pode ser diluído com BN se o usuário está confiante sobre o que vai resultar na melhor sinal. </li></ol></li></ol> 3. Desempenho de Experiências na Facility Síncrotron <ol><li> Vários dias antes do experimento é começar, o transporte plano de materiais e equipamentos para a instalação. <ol><li> Para os dispositivos que contêm ânodos de metais alcalinos, o transporte é necessário para evitar riscos associados com o transporte em veículos particulares ou públicos. </li><li> Equipamentos como galvanostato / potentiostats portáteis e computadores portáteis e amostras não perigosos, tais como eletrodos para trabalho ex situ pode ser brought à facilidade pelo indivíduo a realização dos experimentos em qualquer forma conveniente. </li></ol></li><li> Chegada e registro na instalação. </li><li> Para tanto in situ e ex situ experimentos de DRX, tomar um padrão de referência de LaB 6 para fins de calibração. <ol><li> Contacte cientista beamline e pessoal para obter instruções. </li><li> Calibrar raio para encontrar condições de feixe certas. </li><li> Medida padrão de referência de LaB 6. </li></ol></li><li> Para nos experimentos de DRX in situ, criou dispositivo e iniciar experimentos seguintes passos 3.4.1-3.4.6. <ol><li> Insira bolsa em placas de pressão Al e assegurar que os furos são alinhados adequadamente para permitir ao feixe de raios-X para transmitir. </li><li> Encontra a posição do feixe ideal e tempo de exposição. A exposição prolongada pode levar a supersaturação. Decida se amostra será abalada ou estacionário. </li><li> Tome padrão inicial antes eletroquímica é iniciado. </li><li> Anexar leva de galvanostat / potenciostato para o dispositivo. </li><li> Comece a experiência eletroquímica. </li><li> Obter dados. Uma vez que experimento está em andamento, a coleta de dados é automática, e somente o usuário precisa supervisionar para certificar-se de experiência está indo como planejado. </li></ol></li><li> Configure experimentos XAS. <ol><li> Entrada e contatar cientista beamline e pessoal para obter instruções. </li><li> Insira amostra e material de referência da folha (dependendo do metal que está sendo medido, por exemplo, para Ni Ni borda K). </li><li> Alinhe amostra. </li><li> Determine a energia de borda de metal específico usando Hefesto da IFEFFIT. Monocromador Tune, em seguida, des-sintonia em cerca de 30% mais altos para eliminar harmônicos de ordem. Mude ganhos para ajustar I 1 e I 2 offsets medida. </li><li> Tome medição. Dois ou mais exames devem ser tomadas e se fundiram para o elemento de interesse. </li><li> Repita os passos de 3.5.3 a 3.5.5 de elementos adicionais, como necessário. </li></ol></li></ol> 4. DadosAnálise <ol><li> Para o trabalho de XRD, calibre a imagem Laboratório 6. <ol><li> Área de download Difração Machine, que está disponível através do código do Google ( <a href="http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/" target="_blank">http://code.google.com/p/areadiffractionmachine/</a> ). </li><li> Abra a imagem para o laboratório 6 difração e usar valores de calibração inicial do cabeçalho do arquivo. </li><li> Abra a referência Q (= 2π / d) valores de LaB 6. </li><li> Calibre a imagem Laboratório 6 de difração com os valores de Q e da estimativa inicial dos valores de calibração. </li><li> Obter valores de calibração corretos por imagem apropriada. </li><li> Salve os valores de calibração para o arquivo de calibração. </li></ol></li><li> Calibrar as imagens de dados a partir desta experiência. <ol><li> Abra as imagens de difração do experimento. </li><li> Abra o arquivo de calibração a partir da referência LaB 6 (salvo na etapa 4.1.6). </li><li> Abrir ªe referência Q (= 2π / d) valores de Al ou Cu (coletores de corrente para os eletrodos) e usá-los como referências internas. </li><li> Calibrar as imagens padrão por imagem apropriada. </li><li> Integrar a imagem Q vs dados intensidade (varreduras de linha). </li><li> Padrões Fit usando o programa de ajuste desejado (CelRef, Powdercell, RIQAS, GSAS, etc.). </li></ol></li><li> Processar dados eletroquímicos usando qualquer programa de plotagem conveniente (Excel, Origin, KaleidaGraph, Igor, etc.). </li><li> Para os dados de XAS, utilizar ARTEMIS / Athena no pacote de software para análise IFEFFIT. <ol><li> Calibrar os dados usando o primeiro pico no derivado dos espectros de absorção dos metais de referência. </li><li> Mesclar como varreduras. </li><li> Subtrair o fundo e a normalizar os dados. </li><li> Use a função AUTOBK para isolar os dados de EXAFS. </li><li> Transformação de Fourier dos dados EXAFS. </li><li> Usar um ajuste dos quadrados mínimos para os espectros Fourier transformadas em R ou k espaço para extrair structurainformações l. </li></ol></li></ol>

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Autores têm nada a revelar.

A análise dos dados indica que como XANES-made Lini x 1 Co-2x Mn x O 2 (0,01 ≤ x ≤ 1) compostos contém Ni 2 +, Co 3 + e Mn 4 +. 10 Um recente estudo in situ XAS em Lini 0.4 Co 0,15 Al 0,05 Mn 0,4 O 2 mostraram que Ni 2 + foi oxidado para Ni 3 + e, em última instância, Ni 4 + durante delithiation, mas que os processos redox envolvendo Co 3 + ...

As baterias de íon de lítio para a eletrônica de consumo atualmente comandar um 11.000 milhões dólares no mercado mundial ( <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> ) e são a primeira escolha para aplicações veiculares emergentes como o plug-in de veículos híbridos elétricos (PHEVs) e veículos elétricos (EVs). Análogos a esses dispositivos que utilizam os íons de sódio em vez de lítio estão em estágios iniciais de desenvolvimento, mas são consideradas atraentes para o armazenamento de energia em grande escala (ou seja, aplicações de rede), com base no custo e os argumentos da segurança da oferta 1, 2. Ambos os sistemas de intercalação dupla trabalha com o mesmo princípio, os íons de metais alcalinos de transporte entre dois eletrodos que funcionam como estruturas de acolhimento, que passam por processos de inserção em diferentes potenciais. As células eletroquímicas em si são relvamente simples, consistindo de eléctrodos positivos e negativos compósitos dos colectores de corrente, separados por uma membrana porosa saturada com uma solução electrolítica que consiste geralmente de um sal dissolvido em uma mistura de solventes orgânicos (Figura 1). Grafite e LiCoO 2 são os eletrodos mais comumente empregadas negativos e positivos, respectivamente, para as baterias de iões de lítio. Vários materiais de eléctrodos alternativos também têm sido desenvolvidos para aplicações específicas, incluindo variantes de LiMn 2 O 4 espinela, LiFePO 4, com a estrutura de olivina, e NMCs (lini x Mn x Co 1-2x O 2 compostos) para positivos e os carbonos rígidos, Li Ti 4 5 O 12, e ligas de lítio com estanho para três negativos. Materiais de alta tensão, como Lini 0,5 Mn 1,5 O 4, novos materiais de alta capacidade como compósitos em camadas camadas (por exemplo, XLI 2 MnO &lt;sub&gt; 3 · (1-x) LiMn 0,5 Ni 0,5 O 2), compostos com metais de transição que podem sofrer várias alterações em estados redox, e Li-Si ânodos de liga estão actualmente sujeitos de pesquisa intensa, e, se implantado com sucesso, deve levantar densidades de energia práticas de células de íon de lítio mais. Outra classe de materiais, conhecidos como eléctrodos de conversão, em que os óxidos de metais de transição, sulfuretos ou fluoretos são reversivelmente reduzida para o elemento metálico e um sal de lítio, também estão a ser consideradas para utilização como eléctrodos de bateria (principalmente como substitutos para os ânodos 4). Para os dispositivos baseados em sódio, átomos de carbono, ligas duras, estruturas NASICON e titanatos estão a ser investigados para utilização como ânodos e os vários óxidos de metais de transição e compostos polianiónicos como cátodos. Como as baterias de íon de lítio e íon de sódio não são baseadas em produtos químicos fixos, suas características de desempenho variam consideravelmente, dependendo tele eletrodos que são empregadas. O comportamento redox dos eléctrodos determina os potenciais perfis, as capacidades de taxa, e de ciclo vida dos dispositivos. Pó convencional difração de raios X (XRD) técnicas podem ser usadas para a caracterização estrutural inicial de materiais cristalinos e medidas ex situ sobre eletrodos pedalaram, mas considerações práticas, como a baixa intensidade do sinal e os relativamente longos tempos necessários para coletar dados de limitar a quantidade de informação que pode ser obtido nos processos de descarga e de carga. Em contraste, o alto brilho e curtos comprimentos de onda da radiação síncrotron (por exemplo, λ = 0,97 A a linha de luz de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource a 11-3), combinado com o uso de detectores de imagem de alto rendimento, aquisição de licença de dados de alta resolução em amostras em tão pouco quanto 10 seg. Em trabalhos in situ é realizada em modo de transmissão de componentes celulares submetidos a carga e descarga na hermeticamente seladobolsas transparentes aos raios X, sem ter que parar a operação de aquisição de dados. Como resultado, as alterações estruturais de eléctrodos podem ser observados como &quot;instantâneos no tempo&quot;, como os ciclos celulares, e muito mais informação do que pode ser obtido com as técnicas convencionais. Raios-X espectroscopia de absorção (XAS), também por vezes referido como raios-X Absorção Estrutura Fina (XAFS) fornece informações sobre a estrutura eletrônica e geométrica local de materiais. Em experimentos de XAS, a energia dos fótons está sintonizado com as bordas de absorção características dos elementos específicos sob investigação. Mais vulgarmente para materiais de baterias, estas energias correspondem às arestas (K-1s orbitais) dos metais de transição de interesse, mas XAS moles experiências ajustados para O, F, C, B, N e os 2,3 L arestas de primeira linha metais de transição também são realizadas, por vezes, em amostras ex situ 5. Os espectros gerados por experimentos XAS pode ser dividido em vários distregiões INCT, contendo informações diferentes (ver Newville, M., Fundamentos da 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> ). A principal característica, que consiste na borda de absorção e estendendo cerca de 30-50 eV além é a absorção de raios-X Perto Estrutura Borda região (XANES) e indica o limiar de ionização para Continuum estados. Este contém informação sobre o estado de oxidação e da química de coordenação do absorvedor. A parcela de energia mais elevada do espectro é conhecida como o raio-X de Absorção de estrutura fina estendida (EXAFS) região e corresponde ao espalhamento do fotoelétron ejetado fora átomos vizinhos. Análise de Fourier desta região dá informações sobre a estrutura de curto alcance, como comprimentos de ligação e os números e tipos de íons vizinhos. Preedge apresenta abaixo do characteristic energias de absorção de alguns compostos também aparecem às vezes. Estes surgem de dipolo proibidos transições eletrônicas para esvaziar estados ligados para geometrias octaédricos, ou dipolo permitidos efeitos de hibridização orbital em os tetraedros e muitas vezes pode ser correlacionada com a simetria local do íon absorção (por exemplo, se é tetrahedrally ou octaedricamente coordenada) 6. XAS é uma técnica particularmente útil para estudar os sistemas de metal mistos como NMCs para determinar estados redox inicial e que os íons de metais de transição sofrer redox durante os processos delithiation e litiaï. Os dados sobre vários metais diferentes, pode ser obtido rapidamente em uma única experiência e interpretação é razoavelmente simples. Em contraste, a espectroscopia de Mõssbauer está limitada a apenas alguns metais utilizados em materiais de bateria (principalmente, Fe e Sn). Enquanto medições magnéticas também podem ser usadas para determinar os estados de oxidação, os efeitos de acoplamento magnético pode complicainterpretação te particularmente para os óxidos complexos, como o NMCs. Bem planejado e executado in situ e ex situ DRX síncrotron e experimentos XAS dar informações complementares e permitem uma visão mais completa a ser formado das mudanças estruturais que ocorrem em materiais de eletrodo durante a operação da bateria normal do que o que pode ser obtido por meio de técnicas convencionais. Este, por sua vez, dá uma maior compreensão do que governa o comportamento eletroquímico dos 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

Compostos de intercalação, como óxidos ou fosfatos de metais de transição são os materiais de eletrodo mais comumente usados ​​em Li-ion e baterias Na-íon. Durante a inserção ou remoção de íons de metais alcalinos, os estados redox de metais de transição em compostos mudança e transformações estruturais, tais como transições de fase e / ou aumentos de parâmetro de rede ou diminuições ocorrem. Esses comportamentos, por sua vez determinar as características importantes das baterias, como as potenciais perfis, capacidades de taxa, e as vidas de ciclo. Os raios-X extremamente brilhantes e ajustáveis ​​produzidos pela radiação síncrotron permitir a aquisição rápida de dados de alta resolução que fornecem informações sobre estes processos. Transformações nos materiais a granel, como transições de fase, pode ser observado diretamente por difração de raios-X (XRD), enquanto raios-X espectroscopia de absorção (XAS) dá informações sobre as estruturas eletrônicas e geométricas locais (por exemplo, mudanças nos estados redox e vínculo lengths). Em experiências realizadas in situ nas células que operam são particularmente úteis porque permitem uma correlação directa entre as propriedades electroquímicas e estruturais dos materiais. Estas experiências são consumidoras de tempo e pode ser um desafio para a concepção, devido à reactividade e ar-sensibilidade dos ânodos de metal alcalino utilizados nas configurações de meia-célula, e / ou a possibilidade de interferência de sinal a partir de outros componentes de hardware e de células. Por estas razões, é oportuno realizar experimentos ex situ (por exemplo, sobre eletrodos colhidas a partir de células parcialmente carregadas ou ciclada) em alguns casos. Aqui, apresentamos protocolos detalhados para a preparação de ambas ex situ e in situ em amostras de experimentos envolvendo radiação síncrotron e demonstrar como essas experiências são feitas.

A Figura 2 mostra uma sequência típica usada para uma experiência in situ. Após a síntese e caracterização de pós de materiais activos, os eléctrodos compósitos são preparados a partir de suspensões contendo o material activo, um aglutinante, tal como o fluoreto de polivinilideno (PVDF) e aditivos condutores, como negro de carbono ou grafite suspensos em N-metilpirrolidinona (NMP), ou moldada coletores de corrente de alumínio ou de cobre da folha. O alumínio é utilizado para cato...

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

Descreve-se o uso de síncrotron de raios-X espectroscopia de absorção (XAS) e difração de raios X (XRD) técnicas para investigar detalhes dos processos de intercalação / deintercalation em materiais de eletrodos para baterias Li-ion e Na-íon. In situ e ex situ experiências são utilizados para compreender o comportamento estrutural relevante para o funcionamento de dispositivos

Caracterização de Materiais de Eletrodo de íons de lítio e íon sódio Baterias Utilizando Técnicas Synchrotron Radiation

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 visualizações.  Lawrence Berkeley National Laboratory.  Descreve-se o uso de síncrotron de raios-X espectroscopia de absorção (XAS) e difração de raios X (XRD) técnicas para investigar detalhes dos processos de intercalação / deintercalation em materiais de eletrodos para baterias Li-ion e Na-íon. In situ e ex situ experiências são utilizados para compreender o comportamento estrutural relevante para o funcionamento de dispositivos 

Vídeo: 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.

Construção e Teste de Pilhas da moeda de baterias de lítio

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

Engenharia

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.

Eletrólitos copolímero de enxerto de estado sólido para Aplicações da bateria de lítio

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.

Caracterização de modificações superficiais por interferometria de luz branca: Aplicações em Ion Sputtering, ablação por laser, e as experiências Tribologia

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 Neutron Powder Diffraction uso das baterias de íon-lítio sob medida

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.

Falha Análise de Baterias Usando baseado no Synchrotron microtomografia de raios-X dura

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.

Especiação e biodisponibilidade Medidas de plutônio ambiental utilizando Difusão em Filmes Finos

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.

Ohmic Contato Fabrication usando uma técnica Focused-ion Beam e caracterização elétrica para camada semicondutora Nanoestruturas

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.

Processamento Eletrodo não aquoso e Construção de iões de lítio Coin Cells

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.

Usando Synchrotron Radiation microtomografia para investigar Multi-escala Pacotes de microeletrônicos tridimensionais

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.

Síntese de líquidos iónicos baseados eletrólitos, Assembléia de baterias de iões de lítio, e as medições de desempenho em alta temperatura

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