We thank AINSE Ltd for providing support through the research fellowship and postgraduate award scheme.

1. Componentes da pilha necessária antes de Construção NOTA: Um vanádio pode é convencionalmente usado para experiências NPD e é um tubo integral de vanádio que é selado numa extremidade e aberto na outra. Não há praticamente nenhum sinal em dados NPD de vanádio. <ol><li> Corte um pedaço de metal de lítio-foil para dimensões correspondentes ao volume da lata de vanádio. Por exemplo, cortar um pedaço de aproximadamente 120 x 35 mm para uma 9 milímetros vanádio diâmetro da lata. Além disso, usar mais fino folha de lítio para minimizar a absorção de nêutrons, observando que espessuras inferiores a 125 mm podem ser difíceis de tratar sem rasgar. </li><li> Pré-seleccionar o tipo de separador a ser usado. Cortar uma chapa de separador de tal modo que as dimensões são ligeiramente maiores do que os eléctrodos, por exemplo, 140 x 40 mm. NOTA: Enquanto porosa polivinil-(PVDF) membrana prontamente absorve eletrólito, é caro e pode ser facilmente danificada e rasgado se não for tratada com cuidado duranteconstrução. Alternativamente, as folhas à base de polietileno comercialmente disponíveis são mais robustos, no entanto eles não absorvem facilmente como electrólito e, geralmente, reduzir o sinal-para-ruído devido ao maior teor de hidrogénio. </li><li> Faça o eletrodo positivo, seguindo as diretrizes estabelecidas pela Marks et al. 31 Ou seja, combinar PVDF, negro de carbono, eo material ativo na proporção selecionada. Tipicamente, usar uma proporção de 10:10:80 de PVDF: carbono: material activo, mas este ajuste dependendo do material sob investigação. Moer a mistura e adicione N-metil-pirrolidona (NMP) gota a gota até formar uma polpa, em seguida, agitar durante a noite. </li><li> Espalhe a mistura sobre uma folha de alumínio (20 mm de espessura) utilizando a técnica da lâmina raspadora. <ol><li> Aderir o colector de corrente de folha de dimensões 200 x 70 mm e uma superfície lisa (por exemplo vidro) pela aplicação de algumas gotas de etanol sobre a superfície e colocando o colector de corrente sobre a superfície. Alternativamente, nosum e um instrumento que pode puxar um ligeiro vácuo no colector de corrente a partir da superfície lisa. Suavizar o colector de corrente para garantir que não existem rugas ou dobras antes da aplicação da pasta. </li><li> Coloque um dente ou larga em forma de semi-círculo poça da lama em uma extremidade do colector de corrente. Usando um entalhe barra, ou rolo revestidor especialmente concebido (uma barra de entalhe com uma altura pré-definida acima do colector de corrente, por exemplo, 100 ou 200 um é normalmente utilizada) espalhar a pasta sobre o colector de corrente, fazendo deslizar o dispositivo escolhidas, entre o colector de corrente e suspensão, resultando na dispersão do chorume sobre a superfície do coletor atual. </li><li> Cuidadosamente remover o colector de corrente a partir da superfície lisa e colocar o colector de corrente e espalhar suspensão em um forno a vácuo para secagem. NOTA:. A técnica de espalhamento é descrito em maior detalhe em Marks et al 31 </li></ol></li><li> Corte a prepa eletrodo positivovermelho no passo 1.3 de tal modo que as dimensões correspondem a folha de lítio. Certifique-se de que existe um &quot;guia&quot; de metal não revestido colector de corrente de aproximadamente 0,5 cm de comprimento em uma extremidade. Para melhorar o desempenho da bateria, pressione o filme eletrodo positivo seca no coletor de corrente usando uma placa de impressão plana. NOTA: A Figura 1 mostra os tamanhos relativos dos componentes do separador e eléctrodos positivos. Quantidade mínima de material activo no eléctrodo é de 300 mg, no entanto, quanto maior a quantidade (em relação a outros componentes da bateria), melhor será o sinal NPD. Um sinal de maior pode permitir que a informação mais detalhada para ser extraída a partir dos dados da NPD e melhor resolução temporal. </li><li> Pré-se preparar hexafluorofosfato de lítio 1 M em uma mistura 1/1 vol% de carbonato de etileno e carbonato de dimetilo deuterado deuterado. Assegure-se que toda a LiPF 6 é dissolvida e o electrólito está completamente misturados antes do uso. </li><li> Corte um pedaço de colector de corrente de tele mesmas dimensões que o eléctrodo positivo no passo 1.5 e pesar o colector de corrente e o eléctrodo positivo. Subtrair estas massas para se obter a massa da mistura do eléctrodo. Multiplicar a massa da mistura de eléctrodo por 0,8 para dar a massa do material activo. </li></ol> 2. Construção celular <ol><li> Antes da montagem da célula dentro de uma caixa de luvas cheia de árgon, deitou-se uma bandeja de plástico ou alguma outra cobertura não metálica na base do gloxebox. </li><li> Empilhar os componentes individuais na seguinte ordem: Uma longa tira de separador, eléctrodo positivo com a lama virado para cima e a haste de alumínio (ou fio de cobre) na ferida &quot;guia&quot; numa extremidade, a segunda tira de separador, e, finalmente, o lítio metal com fio de cobre enrolado no final do metal de lítio (o mesmo fim que a haste de alumínio). </li><li> Começar a rolar as camadas a partir da extremidade com a haste de fio de cobre e de alumínio, assegurando que os dois eléctrodos não entram emcontato. </li><li> Se uma folha à base de polietileno foi escolhido como o separador, ocasionalmente, adicionar algumas gotas de electrólito para o separador entre o metal de lítio e o eléctrodo positivo ao longo de todo o comprimento da pilha. Como alternativa, adicione as gotas gradualmente durante o processo de laminação. Se membrana de PVDF foi utilizado como o separador este passo não é necessário. </li><li> Tome cuidado para garantir que o eletrodo é enrolado firmemente e que as camadas permanecem alinhados. NOTA: Se as camadas fiquem desalinhados no processo de laminação pode necessitar de ser reiniciado, contudo, cuidado deve ser tomado como a solução de electrólito é altamente volátil e mais podem precisar de ser adicionado. </li><li> Certifique-se de que a parte mais longa do separador envolve completamente em torno do pacote ou rolo de tal forma que os eletrodos não estão expostos (ou seja, os eletrodos não toque na caixa de vanádio). </li><li> Insira a pilha rolou para o vanádio pode de tal forma que o fio de cobre e haste de alumínio sobressair 3/2 cm aléma parte superior da lata de vanádio. Adicionar gota a gota o restante electrólito na parte superior do vanádio pode, usar 1,5 ml no total. </li><li> Adicionar uma rolha de borracha com entalhes cortados nos lados para a haste de alumínio e fio de cobre na parte superior da lata de vanádio. Selar a lata por fusão da cera dental sobre a parte superior da lata e em volta da extremidade da bainha de plástico do fio de cobre. Verificar que a célula final aparece como mostrado na Figura 2. </li><li> Permitir que a célula &quot;idade&quot; ou &quot;molhado&quot; horizontalmente por 12-24 h. Antes de usar, testar o potencial do circuito aberto, ligando a haste de alumínio e o fio de cobre para os terminais de um multímetro e medir o potencial da célula construída. Também garantir que não há vazamentos por inspeção visual. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Ao projetar e executar uma experiência in situ, quer com o &quot;roll-over&quot; célula de difração de nêutrons ou um outro projeto, há uma série de aspectos que devem ser cuidadosamente controladas para garantir uma experiência bem sucedida. Isto inclui a escolha cuidadosa do tipo e quantidade de componentes celulares, garantindo que o eléctrodo preparado e construído de células final são de alta qualidade, a escolha de condições adequadas de difracção, o planejamento das etapas de ciclismo ele...

Baterias de lítio recarregáveis ​​fornecer energia portátil para a eletrônica moderna e são importantes em aplicações de alta energia, como veículos elétricos e como dispositivos de armazenamento de energia para geração de energia renovável em grande escala. 3-7 Uma série de desafios permanecem para obter um uso disseminado de recarregável baterias em veículos e em grande escala de armazenamento, incluindo densidades e segurança de energia. O uso de métodos in situ para sondar a função da bateria atômica e molecular escala durante a operação estão se tornando cada vez mais comum como as informações obtidas nesses experimentos pode direcionar métodos para melhorar a bateria materiais existentes, por exemplo, a identificação de possíveis mecanismos de falha, 10/08 e revelando estruturas cristalinas que podem ser considerados para a próxima geração de materiais. 11 A meta principal do NPD em situ é investigar a evolução da estrutura cristalina dos componentes dentro de uma bateriacomo uma função de carga / descarga. A fim de medir a evolução da estrutura cristalina dos componentes deve ser cristalino, que concentra os estudos sobre eletrodos cristalograficamente-ordenada. É nos eletrodos que o portador de carga (lítio) é inserido / extraído e tais mudanças são seguidos por NPD. In situ NPD oferece a possibilidade de &quot;controlar&quot; não só o mecanismo de reação e parâmetro de rede evolução dos eletrodos, mas também a inserção / extracção de lítio a partir dos eléctrodos. Essencialmente, o portador de carga em baterias de lítio-íon pode ser seguido. Isso dá uma visão centrada no lítio da função da bateria e foi recentemente demonstrado em apenas alguns estudos 11-13. NPD é uma técnica ideal para analisar materiais contendo lítio e baterias de lítio-íon. Isto é porque NPD baseia-se na interacção entre um feixe de neutrões e a amostra. Ao contrário de difracção de raios X em pó (XRD), onde a interacçãoda radiação de raios-X é predominantemente com os electrões da amostra e, portanto, varia de forma linear com número atómico, no NPD a interacção é mediada por interacções de neutrões-núcleos que resultam numa variação mais complexa e aparentemente aleatória com número atómico. Deste modo, in situ NPD é particularmente promissora para o estudo de materiais de bateria de iões de lítio, devido a factores tais como a sensibilidade da NPD direcção átomos de lítio, na presença de elementos mais pesados, a interacção não-destrutiva de neutrões com a bateria, e a alta profundidade de penetração de neutrões que permitem a análise da estrutura de cristal grandes quantidades dos componentes da bateria dentro de baterias inteiros do tamanho usado em dispositivos comerciais. Portanto, in situ NPD é particularmente útil para o estudo das baterias de lítio como um resultado destas vantagens. Apesar disso, a absorção de experiências em NPD in situ por parte da comunidade bateria de pesquisa tem sido limitado, representando apenas 25 publicações pecadoce o primeiro relato de uso no NPD situ para pesquisa de bateria em 1998. 14 O recurso limitado é devido a alguns grandes obstáculos experimentais, tais como a necessidade de ter em conta a grande seção transversal de espalhamento de nêutrons incoerente de hidrogênio nas soluções eletrolíticas e separador na bateria, o que é prejudicial para o sinal NPD. Isso é muitas vezes superar substituindo com deuteradas (2 H) soluções de eletrólitos e substituir o separador com materiais pobres alternativa livre de hidrogênio ou. 15 Outro obstáculo é a necessidade de ter de amostra suficiente no feixe de nêutrons, uma exigência que muitas vezes requer o uso de eléctrodos mais espessas que por sua vez limita a taxa de carregamento / descarga máxima que pode ser aplicada para a bateria. Uma preocupação mais prático é o número relativamente pequeno de difractómetros mundiais de nêutrons em relação ao difractómetros de raios-X, e suas capacidades - por exemplo, tempo e resolução angular. Como novo diffractome nêutronsters vieram em linha e os obstáculos acima referidos superar, em experimentos in situ NPD têm crescido em número. Existem duas opções para a realização de experimentos em NPD situ, usando células comerciais ou personalizados. Células comerciais têm sido demonstrados para revelar a informação estrutural, incluindo a evolução do teor de lítio e de distribuição em eléctrodos. 8-11,16-20 No entanto, utilizando células comerciais limita o número de eléctrodos que podem ser estudadas para aqueles que já estão disponíveis comercialmente, e onde fabricantes ou selecione instalações de pesquisa estão envolvidos para produzir células de tipo comercial com materiais ainda não-comercializados. A produção das células de tipo comercial está dependente da disponibilidade de quantidades suficientes de material de eléctrodo para o fabrico de células, tipicamente da ordem dos quilogramas, e significativamente maior do que a utilizada na investigação da bateria, que pode ser uma barreira para a produção de células. Células comerciais typically apresentam dois eletrodos que evoluem durante a carga / descarga e da evolução de ambos os eletrodos serão capturados nos padrões de difração resultantes. Isto é porque o feixe de neutrões é altamente penetrante e pode penetrar nas células de lítio-iões simples (por exemplo, todo o volume de 18.650 células). A evolução dos dois eléctrodos pode tornar a análise dos dados complicado, mas se são observadas reflexões de Bragg suficientes de ambos os eléctrodos estes podem ser modeladas utilizando métodos padrão de pó-inteiros. No entanto, as células meia feitos por medida podem ser construídos em que um eléctrodo é de lítio e não deve alterar estruturalmente durante a carga / descarga e, portanto, actuar como um (ou outro) padrão interno. Isso deixa apenas um eletrodo que deve apresentar uma mudança estrutural, simplificando a análise de dados. Também deve-se tomar cuidado para garantir que todas as reflexões de eletrodos de interesse não se sobrepõem com as reflexões de outros componentes submetidos a uma mudança estrutural na célula. O anúnciode vista de um celular feito sob medida é que os componentes podem ser trocados para alterar posições reflexão nos padrões de difração. Além disso, as células feitos por medida permitem que os investigadores a opção de, em princípio, melhorar a relação sinal-ruído e de investigar os materiais de que são feitas em lotes de investigação de menor escala e que permitem, assim, o estudo de uma grande variedade de materiais NPD in situ. Até o momento houve seis projetos de células eletroquímicas para nos estudos NPD informou situ, incluindo três modelos cilíndricos, 14,15,21,22 dois do tipo moeda de projetos de células 23-26 e um design célula bolsa. 12,27 A primeira célula cilíndrica projeto foi limitado em uso a muito baixa carga / descarga taxas devido às grandes quantidades de materiais de eletrodos utilizados. 14,21 O design roll-over, 15 detalhado abaixo, e versão da célula cilíndrica originais modificadas, 22 superaram muitos dos problemas associados com tele desenho primeiro cilíndrica, e pode ser utilizado para correlacionar de forma fiável a estrutura de materiais de eléctrodos com a sua electroquímica. , O de célula tipo moeda desenhos de célula tipo moeda para em NPD situ também permitem que quantidades semelhantes de materiais de eletrodo a ser sondado em relação ao roll-over celular, enquanto com diferenças sutis em termos de construção, as taxas de carregamento aplicáveis, e custo. 15 Em particular Tipo foi relatado recentemente que foram construídas utilizando uma liga de Zn-Ti como o material de cobertura (null-matriz), que não produz nenhum sinal nos padrões NPD. 26 Esta é semelhante à utilização de latas de vanádio na concepção de capotagem descrito abaixo . Um fator-chave que podem influenciar carga aplicável / taxas de descarga (e polarização) é a espessura do eletrodo, onde eletrodos normalmente mais espessos exigem a aplicação de corrente menor. Os desenhos de células que agora estão se tornando mais populares são as células malote com folhas de várias células individuais ligadas em paralelo, ou folhas que são enroladas em uma maneira similar à construção de baterias de íon de lítio encontrada em eletrônicos móveis. 12,27 Este celular é retangular (a bolsa) que pode funcionar com taxas de carga / descarga mais altas do que o roll-over ou do tipo de moeda células. Neste trabalho, vamos nos concentrar no projeto &#39;roll-over&#39; de células, o que ilustra a construção de células, uso e alguns resultados usando o celular. A preparação de eléctrodo para as baterias de design de capotagem é praticamente semelhante à preparação de eléctrodo para utilização em baterias de células moeda convencionais. O eletrodo pode ser lançado para o coletor de corrente pelo médico patins em linha, com a maior diferença é que o eletrodo precisa abranger dimensões maiores do que 35 x 120-150 mm. Isso pode ser difícil de maneira uniforme casaco com todo o material do eletrodo. Camadas do eletrodo no coletor de corrente, separador e metal de lítio-foil em coletor de corrente são organizados, esmagados, e inserido em latas de vanádio. O uso de electrólitod é LiPF 6, um dos sais mais usados ​​em baterias de lítio-íon com carbonato de etileno e carbonato de dimetilo deuterado deuterado. Esta célula tem sido utilizado com sucesso em quatro estudos relatados e irá ser descrito em maior detalhe abaixo. 15,28-30

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1426">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:159px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:801px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Slurry Preparation</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">PVDF</td>
			<td style="width:159px;">MTI Corporation</td>
			<td style="width:119px;">EQ-Lib-PVDF</td>
			<td>http://www.mtixtl.com/PVDFbinderforLi-ionbatteryelectrodes80g/bag-EQ-Lib-PVDF.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Active Electrode Material</td>
			<td style="width:159px;">Researcher makes*</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>This is dependent on the electrode under investigation, typically made in-house by the researcher and varies every time</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Carbon black</td>
			<td style="width:159px;">MTI Corporation</td>
			<td style="width:119px;">EQ-Lib-SuperC65</td>
			<td>http://www.mtixtl.com/TimicalSUPERC65forLithium-IonBatteries80g/bag-EQ-Lib-SuperC65.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NMP</td>
			<td style="width:159px;">MTI Corporation</td>
			<td style="width:119px;">EQ-Lib-NMP</td>
			<td>http://www.mtixtl.com/N-Methyl-2-pyrrolidoneNMPsolventforPVDF 
			250g/bottleLib-NMP.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Magnetic stirrer</td>
			<td style="width:159px;">IKA</td>
			<td style="width:119px;">C-MAG HS 7 IKAMAG</td>
			<td>http://www.ika.in/owa/ika/catalog.product_detail?iProduct=3581200</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;"></td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Electrode Fabrication</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;">Doctor blade (notch bar)</td>
			<td style="width:159px;">DPM Solutions Inc.</td>
			<td style="width:119px;">100, 200, 300 &#38; 400 micron&#160; 4-Sided Notch Bar</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Al or Cu current collectors</td>
			<td style="width:159px;">MTI Corporation</td>
			<td style="width:119px;">EQ-bcaf-15u-280</td>
			<td>http://www.mtixtl.com/AluminumFoilforBatteryCathodeSub 
			strate-EQ-bcaf-15u-280.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Vacuum Oven</td>
			<td style="width:159px;">Binder</td>
			<td style="width:119px;">e.g. VD 53</td>
			<td>http://www.binder-world.com/en/vacuum-drying-oven/vd-series/vd-53/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Flat-plate press</td>
			<td style="width:159px;">MTI Corporation</td>
			<td style="width:119px;">EQ-HP-88V-LD</td>
			<td>http://www.mtixtl.com/25THydraulicFlat 
			HotPress-EQ-HP-88V.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;"></td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Roll-over cell construction</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">V can</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">electrode on Al/Cu</td>
			<td style="width:159px;">MTI Corporation</td>
			<td style="width:119px;">EQ-bcaf-15u-280</td>
			<td>http://www.mtixtl.com/AluminumFoilforBatteryCathodeSub 
			strate-EQ-bcaf-15u-280.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">polyethylene-based or PVDF membrane</td>
			<td style="width:159px;">MTI Corporation</td>
			<td style="width:119px;">EQ-bsf-0025-400C</td>
			<td>http://www.mtixtl.com/separatorfilm-EQ-bsf-0025-400C.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LiPF6</td>
			<td style="width:159px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">450227</td>
			<td>http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/450227?lang=en&#38;region=AU</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">deuterated dimethyl carbonate</td>
			<td style="width:159px;">Cambridge Isotopes</td>
			<td style="width:119px;">DLM-3903-PK&#160;</td>
			<td>http://shop.isotope.com/productdetails.aspx?id=10032379&#38;itemno=DLM-3903-PK</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">deuterated ethylene carboante</td>
			<td style="width:159px;">CDN Isotopes</td>
			<td style="width:119px;">D-5489</td>
			<td>https://www.cdnisotopes.com/as/products/specifications/D-5489.php?ei=YWVraWmjoJ1i0lZ7nkr0RpwHr 
			Hxc9ornu14O4WUtZKbZWZrcq6j55 
			G0lOab3Wi0dMZ7xc+0Yse1leWVtZ 
			LnrGKvta7v591o4JrnkbRowHt/r</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Li metal foil</td>
			<td style="width:159px;">MTI Corporation</td>
			<td style="width:119px;">Lib-LiF-30M</td>
			<td>http://www.mtixtl.com/Li-Foil-30000mmL-35mmW-0.17mm 
			Th.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Rubber stopper cut to size</td>
			<td style="width:159px;">generic eraser</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>cut a generic eraser to size</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">dental wax</td>
			<td style="width:159px;">Ainsworth Dental</td>
			<td>AIW042</td>
			<td>http://www.ainsworthdental.com.au/catalogue/Ainsworth-Modelling-Wax-500g.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Copper wire (insulated)</td>
			<td style="width:159px;">generic</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>sheathed Cu wire that can be cut to size</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Aluminium rod (&#60;2mm diameter)</td>
			<td style="width:159px;">generic</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>cut to size as required</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Glovebox</td>
			<td style="width:159px;">Mbraun</td>
			<td style="width:119px;">UNILab</td>
			<td>http://www.mbraun.com/products/glovebox-workstations/unilab-glovebox/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Scissors&#160;</td>
			<td style="width:159px;">generic</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Soldering iron</td>
			<td style="width:159px;">generic</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;"></td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">In situ NPD</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Appropriate neutron diffractometer</td>
			<td style="width:159px;">ANSTO</td>
			<td style="width:119px;">Wombat</td>
			<td>http://www.ansto.gov.au/ResearchHub/Bragg/Facilities/Instruments/Wombat/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Potentiostat/galvanostat</td>
			<td style="width:159px;">Autolab</td>
			<td style="width:119px;">PGSTAT302N</td>
			<td>http://www.ecochemie.nl/Products/Echem/NSeriesFolder/PGSTAT302N</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Connections to battery from potentiostat/galvanostat</td>
			<td style="width:159px;">generic</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Training of NPD instrument and use</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:347px;"></td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Data analysis</td>
			<td style="width:159px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Data visualisation and peak fitting, .e.g. LAMP suite</td>
			<td style="width:159px;">ILL</td>
			<td style="width:119px;">LAMP</td>
			<td>http://www.ill.eu/instruments-support/computing-for-science/cs-software/all-software/lamp/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Rietveld analysis software, e.g. GSAS</td>
			<td style="width:159px;">APS</td>
			<td style="width:119px;">GSAS</td>
			<td>https://subversion.xray.aps.anl.gov/trac/EXPGUI</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ neutron powder diffraction using custom-made lithium-ion batteries

As baterias Li-ion são amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos portáteis e são considerados como candidatos promissores para aplicações de alta energia, como veículos elétricos. 1,2 No entanto, muitos desafios, como a densidade de energia da bateria e tempo de vida, precisam ser superados antes que este particular tecnologia de bateria pode ser amplamente aplicada em tais aplicações. 3 Esta pesquisa é um desafio, e nós delinear um método para lidar com esses desafios usando em NPD situ para sondar a estrutura cristalina dos eletrodos submetidos a ciclagem eletroquímica (carga / descarga) em uma bateria. Dados da NPD ajudar a determinar o mecanismo estrutural subjacente responsável por uma gama de propriedades de eletrodos, e essa informação pode direcionar o desenvolvimento de melhores eletrodos e baterias. Fazemos uma breve revisão seis tipos de bateria projeta para experimentos NPD e detalhadamente o método para construir a célula &#39;roll-over &quot;que temos feito por encomendautilizado com sucesso na alta intensidade instrumento NPD, WOMBAT, da Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear (ANSTO). As considerações de design e materiais utilizados para a construção de células são discutidas em conjunto com os aspectos do real no experimento NPD situ e orientações iniciais são apresentados sobre a forma de analisar tal complexo de dados in situ.

Nós demonstramos a versatilidade na utilização desta célula capotamento na literatura 15,28-30 e aqui apresentamos um exemplo com a Li 0,18 Sr 0,66 Ti 0,5 Nb 0,5 O 3 eletrodo. 32 Antes de tentar um refinamento seqüencial Rietveld (refinamentos Rietveld em função do estado da carga), um único refinamento de um modelo multifásico para o primeiro conjunto de dados foi realizada, com esses dados coletados para ...

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

Nós descrevemos o projeto e construção de uma célula eletroquímica para o exame de materiais de eletrodos utilizando in situ de difracção de neutrões (NPD). Nós comentar brevemente alternativo em projetos de celulares NPD situ e discutir métodos de análise do correspondente em dados da NPD situ produzidos usando esta célula.

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 ...

in-situ-neutron-powder-diffraction-using-custom-made-lithium-ion

Research

JoVE Journal

Engineering

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

15.6K visualizações.  University of Sydney.  Nós descrevemos o projeto e construção de uma célula eletroquímica para o exame de materiais de eletrodos utilizando in situ de difracção de neutrões (NPD). Nós comentar brevemente alternativo em projetos de celulares NPD situ e discutir métodos de análise do correspondente em dados da NPD situ produzidos usando esta célula. 

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

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

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

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

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. ...

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is presented. The SANS shear cell consists of a concentric cylinder Couette geometry that is sealed and rotating about a horizontal axis so that the vorticity direction of the flow field is aligned with the neutron beam enabling scattering from the 1-2 plane of shear (velocity-velocity gradient, respectively). This approach is an advance over previous shear cell sample environments as there is a strong coupling between the bulk rheology and microstructural features in the 1-2 plane of shear. Flow-instabilities, such as shear banding, can also be studied by spatially resolved measurements. This is accomplished in this sample environment by using a narrow aperture for the neutron beam and scanning along the velocity gradient direction. Time resolved experiments, such as flow start-ups and large amplitude oscillatory shear flow are also possible by synchronization of the shear motion and time-resolved detection of scattered neutrons. Representative results using the methods outlined here demonstrate the useful nature of spatial resolution for measuring the microstructure of a wormlike micelle solution that exhibits shear banding, a phenomenon that can only be investigated by resolving the structure along the velocity gradient direction. Finally, potential improvements to the current design are discussed along with suggestions for supplementary experiments as motivation for future experiments on a broad range of complex fluids in a variety of shear motions.

A shear cell is developed for small-angle neutron scattering measurements in the velocity-velocity gradient plane of shear and is used to characterize complex fluids. Spatially resolved measurements in the velocity gradient direction are possible for studying shear-banding materials. Applications include investigations of colloidal dispersions, polymer solutions, and self-assembled structures.

Medição de materiais Microstructure Sob fluxo Usando 1-2 Plane Fluxo-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped crystallites. Neutrons are passed through two well defined regions of magnetic field; one before and one after the sample. The two magnetic field regions have opposite polarity and are tuned such that neutrons travelling through both regions, without being perturbed, will undergo the same number of precessions in opposing directions. In this case the neutron precession in the second arm is said to &#34;echo&#34; the first, and the original polarization of the beam is preserved. If the neutron interacts with a sample and scatters elastically the path through the second arm is not the same as the first and the original polarization is not recovered. Depolarization of the neutron beam is a highly sensitive probe at very small angles (&#60;50&#160;&#956;rad) but still allows a high intensity, divergent beam to be used. The decrease in polarization of the beam reflected from the sample as compared to that from the reference sample can be directly related to structure within the sample.
In comparison to scattering observed in neutron reflection measurements the SERGIS signals are often weak and are unlikely to be observed if the in-plane structures within the sample under investigation are dilute, disordered, small in size and polydisperse or the neutron scattering contrast is low. Therefore, good results will most likely be obtained using the SERGIS technique if the sample being measured consist of thin films on a flat substrate and contain scattering features that contains a high density of moderately sized features (30 nm to 5 &#181;m) which scatter neutrons strongly or the features are arranged on a lattice. An advantage of the SERGIS technique is that it can probe structures in the plane of the sample.

Progress has been made in utilizing spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) as a neutron scattering technique to probe the length-scales in irregular samples. Crystallites of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester have been probed using the SERGIS technique and the results confirmed by optical and atomic force microscopy.

Usando neutron spin echo resolvi a dispersão da incidência de pastagem para investigar materiais orgânicos de células solares

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

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 ...

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 ...

Measuring Spray Droplet Size from Agricultural Nozzles Using Laser Diffraction

When making an application of any crop protection material such as an herbicide or pesticide, the applicator uses a variety of skills and information to make an application so that the material reaches the target site (i.e., plant). Information critical in this process is the droplet size that a particular spray nozzle, spray pressure, and spray solution combination generates, as droplet size greatly influences product efficacy and how the spray moves through the environment. Researchers and product manufacturers commonly use laser diffraction equipment to measure the spray droplet size in laboratory wind tunnels. The work presented here describes methods used in making spray droplet size measurements with laser diffraction equipment for both ground and aerial application scenarios that can be used to ensure inter- and intra-laboratory precision while minimizing sampling bias associated with laser diffraction systems. Maintaining critical measurement distances and concurrent airflow throughout the testing process is key to this precision. Real time data quality analysis is also critical to preventing excess variation in the data or extraneous inclusion of erroneous data. Some limitations of this method include atypical spray nozzles, spray solutions or application conditions that result in spray streams that do not fully atomize within the measurement distances discussed. Successful adaption of this method can provide a highly efficient method for evaluation of the performance of agrochemical spray application nozzles under a variety of operational settings. Also discussed are potential experimental design considerations that can be included to enhance functionality of the data collected.

We present protocols to be used in the measurement of spray droplet size from agricultural nozzles used in both aerial and ground based agrochemical applications. These methods presented were developed to provide consistent and repeatable droplet size data both inter- and intra-laboratory, when using laser diffraction systems.

Medir o tamanho do pulverizador Gota de bicos agrícolas Usando Laser Difração

When making an application of any crop protection material such as an herbicide or pesticide, the applicator uses a variety of skills and information to ...

Dielectric RheoSANS &#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and microstructural properties of complex fluids is presented. The instrument consists of a Couette geometry contained within a modified forced convection oven mounted on a commercial rheometer. This instrument is available for use on the small angle neutron scattering (SANS) beamlines at the National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research (NCNR). The Couette geometry is machined to be transparent to neutrons and provides for measurement of the electrical properties and microstructural properties of a sample confined between titanium cylinders while the sample undergoes arbitrary deformation. Synchronization of these measurements is enabled through the use of a customizable program that monitors and controls the execution of predetermined experimental protocols. Described here is a protocol to perform a flow sweep experiment where the shear rate is logarithmically stepped from a maximum value to a minimum value holding at each step for a specified period of time while frequency dependent dielectric measurements are made. Representative results are shown from a sample consisting of a gel composed of carbon black aggregates dispersed in propylene carbonate. As the gel undergoes steady shear, the carbon black network is mechanically deformed, which causes an initial decrease in conductivity associated with the breaking of bonds comprising the carbon black network. However, at higher shear rates, the conductivity recovers associated with the onset of shear thickening. Overall, these results demonstrate the utility of the simultaneous measurement of the rheo-electro-microstructural properties of these suspensions using the dielectric RheoSANS geometry.

Dielectric RheoSANS &amp;#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

Here, we present a procedure for the measurement of simultaneous impedance, rheology and neutron scattering from soft matter materials under shear flow.

RheoSANS dielétricas - Interrogation simultânea de impedância, Reologia e pequeno ângulo de espalhamento de nêutrons de Fluidos Complexos

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and nanocrystalline materials. The traditional techniques associated with scanning electron microscopy (SEM), such as electron backscatter diffraction (EBSD), do not possess the required spatial resolution due to the large interaction volume between the electrons from the beam and the atoms of the material. Transmission electron microscopy (TEM) has the required spatial resolution. However, due to a lack of automation in the analysis system, the rate of data acquisition is slow which limits the area of the specimen that can be characterized. This paper presents a new characterization technique, Transmission Kikuchi Diffraction (TKD), which enables the analysis of the microstructure of UFG and nanocrystalline materials using an SEM equipped with a standard EBSD system. The spatial resolution of this technique can reach 2 nm. This technique can be applied to a large range of materials that would be difficult to analyze using traditional EBSD. After presenting the experimental set up and describing the different steps necessary to realize a TKD analysis, examples of its use on metal alloys and minerals are shown to illustrate the resolution of the technique and its flexibility in term of material to be characterized.

This paper provides a detailed method to characterize the microstructure of ultra-fine grained and nanocrystalline materials using a scanning electron microscope equipped with a standard electron backscatter diffraction system. Metal alloys and minerals presenting refined microstructures are analyzed using this technique, showing the diversity of its possible applications.

Caracterização de Ultra-grão fino e nanocristalinos Materiais Usando Transmissão Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of lithium-ion (Li-ion) batteries. However, a number of setbacks prevent their integration into commercial devices. The main limiting factor is due to nanoscale phenomena occurring at the electrode/electrolyte interfaces, ultimately leading to degradation of battery operation. These key problems are highly challenging to observe and characterize as these batteries contain multiple buried interfaces. One approach for direct observation of interfacial phenomena in thin film batteries is through the fabrication of electrochemically active nanobatteries by a focused ion beam (FIB). As such, a reliable technique to fabricate nanobatteries was developed and demonstrated in recent work. Herein, a detailed protocol with a step-by-step process is presented to enable the reproduction of this nanobattery fabrication process. In particular, this technique was applied to a thin film battery consisting of LiCoO2/LiPON/a-Si, and has further been previously demonstrated by in situ cycling within a transmission electron microscope.

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

A protocol for the fabrication of electrochemically active LiPON-based solid-state lithium-ion nanobatteries using a focused ion beam is presented.

Fabricação de feixe de íon focalizado de estado sólido baseados em LiPON de lítio-íon Nanobatteries para In Situ testes

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...