Sinteza electrolitilor ionici pe bază de lichid, asamblarea bateriilor Li-ion și măsurătorile

Abstract

Introducere

Lichidele ionice sunt o clasă de săruri care au temperaturi de topire sub 100 ° C. 12 Spre deosebire de sărurile anorganice tipice, lichidele ionice posedă o gamă largă de lichide și pot fi lichide la temperatura camerei. Lichidele ionice sunt compuse din unul sau mai mulți centri cationici organici, cum ar fi imidazolium, fosfoniu, piridiniu sau amoniu și asociați cu un anion anorganic sau organic, cum ar fi metansulfonat, hexafluorofosfat sau halogenură. 13,14 Marea varietate de combinații posibile de cationi și anioni permite un număr mare de compoziții cu proprietăți reglabile. De asemenea, interacțiunile ionice puternice din lichidele ionice rezultă din presiunea de vapori neglijabilă, neinflamabilitatea și stabilitatea termică și electrochimică ridicată. 15.16

Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.

Protocol

1. Sinteza mono- și di-fosfoniului lichid ionic se combină cu clorură (Cl) și bis (anioni trifluormetan sulfonimidă) (TFSI)

NOTĂ: Se descrie procedura pentru lichidul ionic mono-fosfoniu care posedă trei hexil și un lanț decil alchil înconjoară cationul fosfoniu, iar acest lichid ionic este abreviat ca mono-HexC10Cl. Aceeași procedură a fost repetată folosind 1,10-diclorodecan pentru a obține lichidul ionic-di fosfoniu cu randament ridicat, iar acest lichid ionic este abreviat ca di-HexC10Cl.

2. Caracterizarea lichidelor ionice

3. Pregătirea electroliților

  1. Uscați lichidul ionic sub vid ridicat la 80 ° C peste noapte cu agitare riguroasă pentru a asigura îndepărtarea urmei de apă.
  2. LiTFSI este uscat la 70 ° C timp de trei zile într-un cuptor cu vid.
  3. Transferați lichidul ionic și sarea anhidră LiTFSI din cutia cu mănuși.
  4. Adăugați lichidul ionic (de exemplu, mono-HexC10TFSI, 4,50 g, 6,4 mmol) și LiTFSI (1,83 g, 6,4 mmol) într-un balon uscat în cuptor care conține o bară de amestecare. Amestecul este agitat peste noapte până când este omogen pentru a obține o concentrație de 1,6 M pentru electrolit.

4. Fabricarea celulei bateriei cu buton litiu

  1. Aici, în torpedou sub atmosferele de argon, așezați un arc și un disc din oțel inoxidabil pe capacul inferior al celulei monede. Așezați un electrod LiCoO de 2 12,7 mm diametru (24 mg) pe discul din oțel inoxidabil.
  2. Înmuiați două bucăți de separatoare (membrane de polipropilenă poroase) în electrolitul lichid ionic pregătit anterior la 60 ° C pe o placă fierbinte timp de 15 minute.
  3. Adăugați electrolitul lichid ionic pe suprafața catodului LiCoO 2 până când materialul este complet acoperit cu electrolit (≈ 0,5 ml).
  4. Așezați distanțierii înmuiați în electroliți în centrul celulei monede. Apoi adăugați câteva picături de electrolit lichid ionic (câțiva microlitri) la separatoare.
  5. Tăiați o bucată de metal litiu cu un diametru de 12,7 mm în torpedou. Așezați litiul metalic deasupra standurilor.
  6. Închideți tipul butonului și sigilați-l cu un fier curling în torpedou.
  7. Transferați celula de monedă din cutia de mănuși și restul celulei timp de 12 ore înainte de a începe testul bateriei/electrochimice.

5. Performanța bateriei la 100 ° C

  1. Așezați celula monedei într-un cuptor care funcționează la 100 ° C, care are o mică gaură în peretele din spate unde au fost filetate cablurile stației de testare electrochimice. Conectați tipul butonului la stația de testare electrochimică.
  2. Se lasă celula la 100 ° C timp de 30 de minute, se echilibrează la temperatură.
  3. Selectați ciclul de încărcare-descărcare galvanostatică la stația de testare electrochimică. Setați numărul de cicluri la 500.
  4. Setați curentul de încărcare la 500 mu și limita inferioară de tensiune la 4,2 V. Setați un timp de odihnă de 60 de secunde la 0 V după fiecare încărcare.
  5. Setați curentul de descărcare la 500 mu și tensiunea limită inferioară la 3,0 V. Setați un timp de odihnă de 60 de secunde la 0 V după fiecare descărcare.
  6. Porniți ciclul de încărcare-descărcare la un curent de 500 mu între 3,0 V și 4,2 V utilizând software-ul. Evaluează sarcina de ieșire în funcție de timp.

Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.

Rezultate reprezentative

Lichidele ionice, mono- și di-HexC10Cl HexC10Cl, au fost preparate printr-o reacție nucleofilă și o reacție ulterioară de schimb de halogenuri a dat lichidele ionice mono-HexC10TFSI și, respectiv, di-HexC10TFSI. (Figura 1A). 14 Toate cele patru lichide ionice erau lichide incolore și ușor vâscoase (Figura 1B). Un RMN 1H reprezentativ al lichidului ionic mono-HexC10TFSI este prezentat în Figura 1C, și împreună cu spectrometria de masă și datele de analiză elementară au confirmat structura.

Apoi, s-a determinat stabilitatea termică a celor patru lichide ionice (Tabelul 1). Ca lichid ionic reprezentativ, di-HexC10TFSI va fi descris în detaliu. Mai întâi, DSC a fost efectuat pentru a determina dacă au existat tranziții de fază între -70 și 150 ° C (Figura 2A). Fără temperatură de tranziție a sticlei A fost observată o temperatură de foc sau de topire pentru lichidul ionic di-HexC10TFSI, indicând gama largă și stabilitatea fazei lichide în acest interval de temperatură. Într-un test de rampa de temperatură folosind TGA la o rată de încălzire de 10 ° C/min, lichidul ionic di-HexC10TFSI nu a prezentat pierderi în greutate de până la 300 ° C. Temperatura de descompunere termică a fost stabilită ca fiind de 365 ° C (Figura 2B).

Stabilitatea electrochimică a lichidelor ionice mono-HexC10TFSI și di-HexC10TFSI a fost determinată la 100 ° C prin CV folosind o configurație cu trei electrozi Li/Li/platină. (Figura 3A). Măsurătorile CV au fost efectuate la 100 ° C între -0,5 și 6,5 V (versus Li +/Li) la o rată de scanare de 1 mV/s. Lichidele ionice Mono-HexC10TFSI și di-HexC10TFSI au fost stabile până la cel puțin 5,0 V împotriva Li +/Li la 100 ° C. Peste 5,0 V, s-a produs descompunerea anionului TFSI.

t. "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Vâscozitățile lichidelor ionice au fost apoi determinate la 25 ° C (Tabelul 1) Deoarece vâscozitățile lichidelor ionice mono- și di-HexC10TFSI HexC10TFSI au fost semnificativ mai mici (7 Pa · sec la temperatura camerei) comparativ cu lichidele ionice bazate pe Cl, restul studiilor au fost efectuate cu aceste două lichide ionice. LiTFSI a fost ulterior amestecat cu mono-HexC10TFSI și, respectiv, di-HexC10TFSI, cu un procent de greutate de 5% (0,3 M), iar vâscozitatea și conductivitatea electroliților au fost măsurate. La toate temperaturile cuprinse între 25 și 100 ° C, electrolitul di-HexC10TFSI + LiTFSI a avut o vâscozitate mai mare decât mono-HexC10TFSI + LiTFSI. temperatura crescută oferind vâscozități mai mici (Figura 4A). În mod similar, valorile conductivității au crescut la temperaturi mai ridicate pentru ambii electroliți, electrolitul mono-HexC10TFSI + LiTFSI prezentând valori de conductivitate mai mari decât electrolitul di-HexC10TFSI + LiTFSI la toate temperaturile.