Name: characterization of electrode materials for lithium ion and sodium ion batteries using synchrotron radiation techniques
Uploaded: 2013-11-11T19:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques at JoVE.com

עבודה זו נתמכת על ידי עוזרת מזכירה עבור יעילות אנרגיה והאנרגיה מתחדשים, משרד רכב טכנולוגיות של משרד האנרגיה של ארה&quot;ב תחת חוזה מס &#39;DE-AC02-05CH11231. חלקיו של מחקר זה בוצעו באוניברסיטת סטנפורד Synchrotron קרינת lightsource, דירקטוריון של מעבדת המאיץ הלאומית SLAC ומשרד המתקן למשתמש המדע פעל למחלקה של משרד אנרגיה של המדע בארה&quot;ב על ידי אוניברסיטת סטנפורד. התכנית לביולוגיה המבנית SSRL המולקולרי נתמכת על ידי משרד DOE של מחקר ביולוגי וסביבתי, ועל ידי המכונים הלאומיים לבריאות, המרכז הלאומי למשאבי מחקר, התכנית ביו טכנולוגיה (P41RR001209).

1. תכנון של ניסויים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> זהה את ניסויי שורת הקורה של עניין. עיין בדפי אינטרנט שורת הקרן כמדריכים. לSSRL סאס וXRD, אלה 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/"...

<ol>
	<li>Kim, S. -. W., Seo, D. -. I., Ma, X., Ceder, G., Kang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrode+Materials+for+Rechargeable+Sodium-Ion+Batteries:+Potential+Alternatives+to+Current+Lithium-Ion+Batteries.">Electrode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries: Potential Alternatives to Current Lithium-Ion Batteries.</a> Adv. Energy Mater. 2, 710-721 (2012).</li><li>Palomares, V., Serras, P., Villaluenga, I., Huesa, K. B., Cerretero-Gonzalez, J., Rojo, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Na-ion+Batteries,+Recent+Advances+and+Present+Challenges+to+Become+Low+Cost+Energy+Storage+Systems.">Na-ion Batteries, Recent Advances and Present Challenges to Become Low Cost Energy Storage Systems.</a> Energy Environ. Sci. 5, 5884-5901 (2012).</li><li>Kam, K. C., Doeff, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrode+Materials+for+Lithium+Ion+Batteries.">Electrode Materials for Lithium Ion Batteries.</a> Materials Matters. 7, 56-60 (2012).</li><li>Cabana, J., Monconduit, L., Larcher, D., Palacin, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beyond+Intercalation-Based+Li-Ion+Batteries:+The+State+of+the+Art+and+Challenges+of+Electrode+Materials+Reacting+Through+Conversion+Reactions.">Beyond Intercalation-Based Li-Ion Batteries: The State of the Art and Challenges of Electrode Materials Reacting Through Conversion Reactions.</a> Adv. Energy Mater. 22, E170-E192 (2010).</li><li>McBreen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Application+of+Synchrotron+Techniques+to+the+Study+of+Lithium+Ion+Batteries.">The Application of Synchrotron Techniques to the Study of Lithium Ion Batteries.</a> J. Solid State Electrochem. 13, 1051-1061 (2009).</li><li>de Groot, F., Vank&#243;, G., Glatzel, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+1s+X-ray+Absorption+Pre-edge+Structures+in+Transition+Metal+Oxides.">The 1s X-ray Absorption Pre-edge Structures in Transition Metal Oxides.</a> J. Phys. Condens. Matter. 21, 104207 (2009).</li><li>Rumble, C., Conry, T. E., Doeff, M., Cairns, E. J., Penner-Hahn, J. E., Deb, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+and+Electrochemical+Investigation+of+Li(Ni0.4Co0.15Al0.05Mn0.4)O2.">Structural and Electrochemical Investigation of Li(Ni0.4Co0.15Al0.05Mn0.4)O2.</a> J. Electrochem. Soc. 157, A1317-A1322 (2010).</li><li>Cabana, J., Dupr&#233;, N., Gillot, F., Chadwick, A. V., Grey, C. P., Palac&#237;n, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis,+Short-Range+Structure+and+Electrochemical+Properties+of+New+Phases+in+the+Li-Mn-N-O+System.">Synthesis, Short-Range Structure and Electrochemical Properties of New Phases in the Li-Mn-N-O System.</a> Inorg. Chem. 48, 5141-5153 (2009).</li><li>Ravel, B., Newville, M. A. T. H. E. N. A., ARTEMIS, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=HEPHAESTUS:+data+analysis+for+X-ray+absorption+spectroscopy+using+IFEFFIT.">HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT.</a> Journal of Synchrotron Radiation. 12, 537-541 (2005).</li><li>Zeng, D., Cabana, J. B. r. &. #. 2. 3. 3. ;. g. e. r., Yoon, W. -. S., Grey, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cation+Ordering+in+Li[NixMnxCo(1–2x)]O2-Layered+Cathode+Materials:+A+Nuclear+Magnetic+Resonance+(NMR),+Pair+Distribution+Function,+X-ray+Absorption+Spectroscopy,+and+Electrochemical+Study.">Cation Ordering in Li[NixMnxCo(1–2x)]O2-Layered Cathode Materials: A Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Pair Distribution Function, X-ray Absorption Spectroscopy, and Electrochemical Study.</a> Chem. Mater. 19, 6277-6289 (2007).</li><li>Conry, T. E., Mehta, A., Cabana, J., Doeff, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=XAFS+Investigation+of+LiNi0.45Mn0.45Co0.1-yAlyO2+Positive+Electrode+Materials.">XAFS Investigation of LiNi0.45Mn0.45Co0.1-yAlyO2 Positive Electrode Materials.</a> J. Electrochem. Soc. 159, A1562-A1571 .</li><li>Conry, T. E., Mehta, A., Cabana, J., Doeff, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+Underpinnings+of+the+Enhanced+Cycling+Stability+upon+Al-substitution+in+LiNi0.45Mn0.45Co0.1-yAlyO2+Positive+Electrode+Materials+for+Li-ion+Batteries.">Structural Underpinnings of the Enhanced Cycling Stability upon Al-substitution in LiNi0.45Mn0.45Co0.1-yAlyO2 Positive Electrode Materials for Li-ion Batteries.</a> Chem. Mater. 24, 3307-3317 (2012).</li><li>Reed, J., Ceder, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+Electronic+Structure+in+the+Susceptibility+of+Metastable+Transition-Metal+Oxide+Structures+to+Transformation.">Role of Electronic Structure in the Susceptibility of Metastable Transition-Metal Oxide Structures to Transformation.</a> Chem. Rev. 104, 4513-4534 (2004).</li><li>Cook, J. B., Kim, C., Xu, L., Cabana, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effect+of+Al+Substitution+on+the+Chemical+and+Electrochemical+Phase+Stability+of+Orthorhombic+LiMnO2.">The Effect of Al Substitution on the Chemical and Electrochemical Phase Stability of Orthorhombic LiMnO2.</a> J. Electrochem. Soc. 160, A46-A52 (2013).</li><li>Lee, E., Persson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Revealing+the+Coupled+Cation+Interactions+Behind+the+Electrochemical+Profile+of+LixNi0.5Mn1.5O4.">Revealing the Coupled Cation Interactions Behind the Electrochemical Profile of LixNi0.5Mn1.5O4.</a> Energy Environ. Sci. 5, 6047-6051 (2012).</li><li>Hai, B., Shukla, A. K., Duncan, H., Chen, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effect+of+Particle+Surface+Facets+on+the+Kinetic+Properties+of+LiMn1.5Ni0.5O4+Cathode+Materials.">The Effect of Particle Surface Facets on the Kinetic Properties of LiMn1.5Ni0.5O4 Cathode Materials.</a> J. Mater. Chem. A. 1, 759-769 (2013).</li><li>Cabana, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Composition-Structure+Relationships+in+the+Li-Ion+Battery+Electrode+Material+LiNi0.5Mn1.5O4.">Composition-Structure Relationships in the Li-Ion Battery Electrode Material LiNi0.5Mn1.5O4.</a> Chem. Mater. 24, 2952-2964 (2012).</li><li>Liu, J., Kunz, M., Chen, K., Tamura, N., Richardson, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization+of+Charge+Distribution+in+a+Lithium+Battery+Electrode.">Visualization of Charge Distribution in a Lithium Battery Electrode.</a> J. Phys. Chem. Lett. 1, 2120-2123 (2010).</li><li>Meirer, F., Cabana, J., Liu, Y., Mehta, A., Andrews, J. C., Pianetta, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+Imaging+of+Chemical+Phase+Transformation+at+the+Nanoscale+with+Full-Field+Transmission+X-ray+Microscopy.">Three-dimensional Imaging of Chemical Phase Transformation at the Nanoscale with Full-Field Transmission X-ray Microscopy.</a> J. Synchrotron Rad. 18, 773-781 (2011).</li><li>Liu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+Transformation+and+Lithiation+Effect+on+Electronic+Structure+of+LixFePO4:+An+In-Depth+Study+by+Soft+X-ray+and+Simulations.">Phase Transformation and Lithiation Effect on Electronic Structure of LixFePO4: An In-Depth Study by Soft X-ray and Simulations.</a> J. Am. Chem. Soc. 134, 13708-13715 (2012).</li><li>Sokaras, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+High+Resolution+and+Solid+Angle+X-ray+Raman+Spectroscopy+End-Station+at+the+Stanford+Synchrotron+Radiation+Lightsource.">A High Resolution and Solid Angle X-ray Raman Spectroscopy End-Station at the Stanford Synchrotron Radiation Lightsource.</a> Rev. Sci. Instrum. 83, 043112 (2012).</li><li>Chan, M. K. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+of+Lithium+Peroxide.">Structure of Lithium Peroxide.</a> J. Phys. Chem. Lett. 2, 2483-2486 (2011).</li></ol>

ניתוח הנתונים מצביע על כך שXANES כתוצרת Lini x 1-2x Mn x O 2 (0.01 ≤ x ≤ 1) תרכובות Co מכילה Ni 2 +, 3 + Co, וMn 4 +. 10 מחקר סאס האחרון באתרם על Lini 0.4 Co 0.15 אל 0.05 Mn 0.4 O 2 הראה כי Ni 2 + היה מתחמצן ל 3 ניקל + וסופו של דבר, Ni ...

סוללות ליתיום יון עבור מוצרי אלקטרוניקה כיום פקודת שוק 11000000000 $ בעולם ( <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> ) והם הבחירה המובילה עבור יישומי רכב מתפתחים כגון התוספת כלי רכב חשמלי היברידיים (PHEVs) וכלי רכב חשמליים (EVS). אנלוגים להתקנים אלה ניצול יוני נתרן ולא ליתיום נמצאים בשלבים מוקדמים של פיתוח, אך הם נחשבים לאטרקטיביים לאחסון אנרגיה בקנה מידה גדולה (כלומר יישומי רשת) על בסיס עלות וטיעונים בטחוניים אספקת 1, 2. שני מערכות העיבור כפולים עובדות על אותו העיקרון, יונים של מתכות אלקליות ההסעות בין שתי אלקטרודות המשמשות כמבני מארח, שעוברים תהליכי כניסה בפוטנציאלים שונים. התאים אלקטרוכימיים עצמם relatively פשוט, בהיקף של אלקטרודות חיוביות ושליליות מרוכבים על אספנים הנוכחיים, מופרדים על ידי קרום נקבובי רווי בפתרון אלקטרוליטי בדרך כלל בהיקף של מלח המומס בתערובת של ממסים אורגניים (איור 1). גרפיט וLiCoO 2 הם אלקטרודות שליליות וחיוביות מועסקים הנפוצות ביותר, בהתאמה, לסוללות ליתיום יון. כמה חומרי אלקטרודה חלופיים יש גם פותחו עבור יישומים ספציפיים, כוללים גרסאות של לצייר 2 O 4 ספינל, 4 LiFePO עם מבנה אוליבין, וNMCs (Lini x Mn x Co 1-2x O 2 תרכובות) לתוצאות חיוביות, ופחמנים קשים, Li 4 טי 5 O 12, וסגסוגות של ליתיום עם פח ל3 תשלילים. חומרי מתח גבוה כמו Lini 0.5 Mn 1.5 O 4, חומרים חדשים בעלת קיבולת גבוהה כגון חומרים מרוכבים שכבתי שכבתיים (למשל XLI 2 MNO &lt;Ni תת&gt; 3 · (1-x) לצייר 0.5 0.5 O 2), תרכובות עם מתכות מעבר שיכול לעבור שינויים רבים במדינות חיזור, ואנודות סגסוגת Li-Si כרגע נושאים של מחקר אינטנסיבי, ואם נפרסו בהצלחה, צריכים להעלות את צפיפות אנרגיה מעשית של תאי ליתיום יון נוסף. סוג אחר של חומרים, המכונה אלקטרודות גיור, שבו תחמוצות של מתכות מעבר, סולפידים, או פלואורידים מופחתים הפיכה לאלמנט המתכת ומלח ליתיום, הם גם תחת שיקול לשימוש כאלקטרודות סוללה (בעיקר כתחליף לאנודות) 4. עבור מכשירים הבוסס על נתרן, פחמן קשה, סגסוגות, מבני NASICON, וtitanates מתוחקרים לשימוש כאנודות ותחמוצות מתכת מעבר שונות ותרכובות polyanionic כקתודות. בגלל סוללות ליתיום יון ויון נתרן אינן מבוססות על תהליכים כימיים קבועים, מאפייני הביצועים שלהם משתנים במידה ניכרת בהתאם tהוא אלקטרודות כי הם מועסקים. חיזור ההתנהגות של אלקטרודות קובעת פרופילי הפוטנציאל, יכולות שיעור, וחיי מחזור של המכשירים. רנטגן עקיפה אבקה קונבנציונלית טכניקות (XRD) יכול לשמש לאפיון מבני ראשוני של חומרים טהורים ומדידות באתרו לשעבר באלקטרודות רכב על אופניו, אבל שיקולים מעשיים, כגון עוצמת אות נמוכה ופעמים רבות יחסית הנדרשות כדי לאסוף נתונים להגביל את כמות המידע שניתן להשיג בתהליכי הפריקה וטעינה. לעומת זאת, באורכי הגל גבוה ברק וקצר של קרינת סינכרוטרון (למשל λ = 0.97 Å בbeamline סטנפורד Synchrotron הקרינה של lightsource 11-3), בשילוב עם השימוש בגלאי תמונת תפוקה גבוהה, רכישת רישיון של נתונים ברזולוציה גבוהה על דגימות ב קטן כמו 10 שניות. בעבודה באתר מתבצע במצב הולכה על מרכיבי תא עוברים טעינה ופריקה בהרמטיתשקיות שקופות לקרן רנטגן, מבלי להפסיק את המבצע לרכישת נתונים. כתוצאה מכך, ניתן להבחין בשינויים מבניים אלקטרודה כמו &quot;תמונות בזמן&quot;, כפי שמחזורי התא, וניתן לקבל מידע רב יותר מאשר עם טכניקות קונבנציונליות. ספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X (סאס), גם המכונה לעתים מבנה קליטת קרני ה-X פיין (XAFS) נותן מידע על המבנה האלקטרוני וגיאומטרי המקומי של חומרים. בניסויי סאס, אנרגיית הפוטון היא מכוונת לקצוות ספיגה האופייניים לאלמנטים הספציפיים תחת חקירה. בדרך כלל לחומרי סוללה, האנרגיות האלה מתאימות לK-הקצוות (אורביטלי 1s) של מתכות המעבר של עניין, אבל ניסויי סאס הרך מכוון לO, F, C, B, N ו-L 2,3 הקצוות של השורה הראשונה הם גם לפעמים בוצעו מתכות מעבר על דגימות באתרו לשעבר 5. הספקטרום שנוצר על ידי ניסויי סאס יכול להיות מחולק לכמה distאזורי inct, המכילים מידע שונה (ראו Newville, מ &#39;, יסודות 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> התכונה העיקרית, בהיקף של הקצה הקליטה והארכת על 30-50 מעבר eV היא קליטת קרני ה-X בקרבת מבנה Edge אזור (XANES) ומציינת את סף היינון לרצף מדינות. זה מכיל מידע על מצב החמצון והכימיה תיאום של בולם. חלק האנרגיה גבוה יותר של הספקטרום ידוע כמבנה המורחב רנטגן קליטת פיין (EXAFS) האזור ומתאים לפיזור של Photoelectron נפלט מאטומים שכנים. אנליזה פורייה של אזור זה נותנת מידע מבני לטווח קצר, כגון אורכי קשר והמספרים וסוגים של יונים שכנים. Preedge כולל מתחת לcharacteristאנרגיות קליטת ic של כמה תרכובות גם לפעמים מופיעות. אלה נובעים ממעברים אלקטרוניים אסורים דיפול לרוקן מדינות מחויבות לגיאומטריות octahedral או אפקטי הכלאה מסלולית אפשרו דיפול בtetrahedral אלה ולעתים קרובות יכולים להיות מתואמים לסימטריה המקומית של יון הספיגה (לדוגמא אם זה tetrahedrally או octahedrally מתואם) 6. סאס הוא טכניקה שימושית במיוחד לחקר מערכות מתכת מעורבות כגון NMCs לקבוע מדינות חיזור ראשוניות ובו יוני מתכת המעבר עוברים חיזור במהלך תהליכי delithiation וlithiation. ניתן לקבל נתונים על מספר מתכות שונות במהירות בניסוי אחד ופרשנות היא פשוט למדי. לעומת זאת, ספקטרוסקופיה Mossbauer מוגבלת רק כמה מתכות המשמשות בחומרי סוללה (בעיקר, פה וSN). גם בזמן שניתן להשתמש בם מדידות מגנטיות כדי לקבוע מצבי חמצון, תופעות צימוד מגנטיות יכולות complicaפרשנות te במיוחד עבור תחמוצות מורכבות כגון NMCs. מתוכנן היטב ומבוצע באתר וXRD סינכרוטרון באתרו לשעבר וניסויים סאס לתת מידע משלים ומאפשרים תמונה שלמה יותר להיווצר מהשינויים המבניים המתרחשים בחומרי אלקטרודה במהלך פעולת סוללה נורמלית מאשר ניתן להשיג את מה שבאמצעות טכניקות קונבנציונליות. זה, בתורו, נותן הבנה טובה יותר של מה שמסדיר את ההתנהגות אלקטרוכימי של המכשירים.

<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

תרכובות עיבור כגון תחמוצות של מתכות מעבר או פוספטים הן חומרי האלקטרודה הנפוצה ביותר בליתיום וסוללות Na-ion. במהלך החדרה או הסר של יונים של מתכות אלקליות, מדינות חיזור של מתכות מעבר בתרכובות לשנות ושינויים מבניים כגון מעברי מופע ו / או עליות פרמטר סריג או ירידות להתרחש. התנהגויות אלה בתורם לקבוע מאפיינים חשובים של הסוללות כגון פרופילי פוטנציאל, יכולות שיעור, וחיי מחזור. קרני ה-X הבהיר מאוד ומתכוננת המיוצרת על ידי קרינת סינכרוטרון מאפשרת רכישה מהירה של נתונים ברזולוציה גבוהה המספקים מידע על תהליכים אלה. תמורות שחלו בחומרים בתפזורת, כגון מעבר פאזה, ניתן לצפות ישירות באמצעות דיפרקציה רנטגן (XRD), בעוד ספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X (סאס) נותנת מידע על המבנים המקומיים האלקטרוניים וגיאומטריים (לדוגמא: שינויים במצבי חיזור והאג&quot;ח lengths). בניסויים באתר מתבצעים על תאי הפעלה הם שימושיים במיוחד משום שהם מאפשרים קשר ישיר בין המאפיינים אלקטרוכימיים ומבניים של החומרים. ניסויים אלה הם גוזל זמן ויכולים להיות מאתגרים לעצב בשל תגובתיות ומיזוג הרגישות של אנודות מתכת אלקלית בשימוש בתצורות חצי התא, ו / או את האפשרות של התערבות אות ממרכיבי תא אחרים וחומרה. מסיבות אלה, ראוי לבצע ניסויים באתרו לשעבר (לדוגמא באלקטרודות שנקטפו מן התאים טעונים או רכב על אופניו באופן חלקי) במקרים מסוימים. כאן, אנו מציגים פרוטוקולים מפורטים להכנה של שניהם באתרו לשעבר ובדגימות באתר לניסויים מעורבים קרינת סינכרוטרון ולהדגים כיצד מתבצעים ניסויים אלה.

איור 2 מראה רצף אופייני המשמש לניסוי באתרו. לאחר סינתזה ואפיון של אבקות חומר פעילים, אלקטרודות מרוכבים מוכנות מן slurries המכיל את החומר הפעיל, קלסר כגון פלואוריד polyvinylidene (PVDF) ותוספים מוליכים כגון פחמן שחור או גרפיט הושעה ב N-methylpyrrolidinone (NMP), להטיל על אחד אספני?...

Watch this Scientific Journal Video about Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques at JoVE.com

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

אנו מתארים את השימוש בספקטרוסקופיה סינכרוטרון רנטגן הקליטה (סאס) ועקיף X-ray טכניקות (XRD) כדי לבחון את הפרטים של תהליכי העיבור / deintercalation בחומרי אלקטרודה עבור סוללות ליתיום נטענת וNa-ion. שניהם באתרם וניסויים באתרו לשעבר נמצאים בשימוש כדי להבין את התנהגות מבנית רלוונטית להפעלתם של מכשירים

אפיון של חומרי אלקטרודה לסוללות ליתיום יון ויון נתרן באמצעות טכניקות Synchrotron קרינה

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

בנייה ובדיקה של תאים מטבע של סוללות ליתיום יון

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

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

אפיון של פני שטח על ידי שינויי Interferometry אור הלבן: יישומים ביון יורקת, אבלציה ליזר, וניסויי Tribology

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

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

באתרו ניוטרון אבקת השתברות שימוש בסוללות ליתיום-יון מתוצרת מותאמת אישית

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

ניתוח כישלון של סוללות שימוש Microtomography הקשיח רנטגן מבוסס Synchrotron

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

מדידות התפצלות וזמינות ביולוגיות של הסביבה פלוטוניום שימוש דיפוזיה בThin Films

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

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

ייצור לתקשר ohmic בטכניקה ממוקד-אלומת יונים וחשמל אפיון לשכבת מבני ננו מוליך למחצה

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

עיבוד בלתי מימי אלקטרודה ובנייה של תאי ליתיום-יון מטבע

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

שימוש Synchrotron קרינה Microtomography לחקור חבילות מיקרו-אלקטרוניים תלת ממדי רב היקף

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

סינתזה של אלקטרוליטים מבוססים נוזלים יוניים, הרכבה של סוללות Li-ion, ומדידות של ביצועים בטמפרטורה גבוהה

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

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

שיטות נסיוניות שמחייב יונים באמצעות Microfabricated על פני השטח מלכודות יונים

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...