توليف أيوني السائل القائم المنحلات بالكهرباء، جمعية بطاريات ليثيوم أيون، وقياسات الأداء عند درجات حرارة عالية

الهدف العام من هذا الإجراء هو تجميع بطارية ليثيوم أيون تعمل في درجات حرارة عالية وتستخدم إلكتروليتاً من السائل الأيوني القائم على الفوسفونيوم، وهو غير قابل للاشتعال ومستقر حرارياً ويحتوي على ليثيوم بيس تريفليوروميثان سلفوناميد. تعالج هذه الطريقة تحديات رئيسية في مجال تخزين الطاقة في درجات الحرارة العالية، وبالتحديد مشكلات السلامة المتعلقة باستخدام الإلكتروليتات التقليدية في بطاريات الليثيوم أيون. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أنها توفر نهجاً لتخليق وتوصيف الإلكتروليتات المستقرة حرارياً وبناء بطاريات ليثيوم أيون تعمل في درجات حرارة عالية.

على الرغم من أن هذه الطريقة توفر رؤية حول التصميم العقلاني للإلكتروليتات السائلة البيونية المُحسّنة لبطاريات ليثيوم أيون، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً على المكثفات الفائقة وأجهزة تخزين الطاقة الأخرى. وبوجه عام، يواجه الأشخاص المبتدئون في هذه الطريقة صعوبة لأن القياسات تُؤخذ تحت جو خامل وباستخدام مواد جافة للغاية. ويعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية نظراً لأن إدخال السوائل البيونية في البطاريات يشكل تحدياً بسبب لزوجتها العالية.

في صندوق قفازات مملوء بغاز الأرجون، استخدم ماصات زجاجية لتوزيع 8.3 grams من trihexyl phosphene و5.22 grams من 1-chlorodecane داخل وعاء ضغط ثقيل الجدران ومجفف في الفرن يحتوي على قضيب تحريك. أغلق الوعاء باستخدام سدادة PTFE وحرك الخليط تحت غاز الأرجون عند 140 °C لمدة 24 ساعة. قم بإزالة المواد المتطايرة تحت الفراغ عند 140 °C للحصول على mono-hexe-10-chloride الخام.

استخلص أحادي كلوريد الهكسين-10 (mono-hexe-10-chloride) في DCM ثلاث مرات باستخدام أجزاء بحجم 10 mL من خليط بنسبة 1:1 من DCM والمحلول الملحي (brine). قم بإزالة المواد المتطايرة من طور DCM لعزل منتج أحادي كلوريد الهكسين-10. بعد ذلك، أذب 6.25 g من lithium TFSI في 10 mL من الماء منزوع الأيونات.

بعد ذلك، أذب 7.75 grams من mono-hexe-10-chloride في ten milliliters من DCM. أضف محلول TFSI. أغلق الوعاء بإحكام وحرك الخليط في درجة حرارة الغرفة لمدة 24 hours للحصول على mono-hexe-10-TFSI الخام.

قم باستخلاص mono-hexe-10-TFSI في 20 milliliters من DCM ثلاث مرات. اختبر وجود الكلوريد عن طريق إضافة قطرة إلى قطرتين من محلول نترات الفضة بتركيز 1 normal إلى 1 milliliter من طور DCM. كرر عملية الاستخلاص في حال ملاحظة ترسب كلوريد الفضة على شكل راسب أبيض.

بعد ذلك، يتم تجفيف محلول mono-hexe-10-TFSI باستخدام جرام واحد من كبريتات المغنيسيوم اللامائية. يتم سكب المحلول المجفف وإزالة المذيب باستخدام المبخر الدوار لعزل المنتج. ولتخليق نظائر di-phosphonium، اتبع هذا الإجراء باستخدام 1, 10-dichlorodecane مع ضبط النسب المولية بشكل مناسب.

لإجراء قياسات اللزوجة، قم بتجهيز مقياس ريومتر للانفعال المتحكم به داخل حقيبة قفازات مملوءة بغاز النيتروجين. ضع 1 mL من السائل الأيوني على منصة Peltier الخاصة بالريومتر مع التأكد من تغطية اللوح الألمنيوم بالكامل. اضبط الفجوة بين العينة ولوح ألمنيوم موازٍ بقطر 20 mm لتكون ما بين 1 إلى 2 mm في جميع دورات الاختبار.

قم بإجراء قص مسبق للعينة بمعدل قص قدره 100 Hertz لمدة عشر ثوانٍ، ثم قم بخطوة توازن لمدة 15 دقيقة. بعد ذلك، حدد المنطقة اللزجة المرنة الخطية (LVR) عن طريق مسح الانفعال التذبذبي بتردد ثابت قدره one Hertz مع سعة انفعال تتراوح من 0.1 إلى 10%‎. اختر قيمة انفعال ضمن الـ LVR وقم بإجراء مسح تردد تذبذبي من 0.1 إلى 10 Hertz.

قم بتحديد اللزوجة المعقدة عند تردد وانفعال محددين. بعد ذلك، وعند هذا التردد وهذا الانفعال، قم بإجراء مسح حراري تذبذبي من 10 إلى 95 درجة Celsius بزيادات قدرها خمس درجات مع ترك عينة الاختبار لمدة دقيقة واحدة للوصول إلى حالة التوازن عند كل درجة حرارة. ولقياس موصلية العينة، قم أولاً بتجفيف السائل الأيوني عند 100 درجة Celsius تحت تفريغ هوائي لمدة 12 ساعة.

ضع حوالي 4 mL من السائل الأيوني في أنبوب اختبار. أدخل مسبار الموصلية وأضف المزيد من العينة حسب الحاجة لتغطية مستشعر المسبار بالكامل. سخن العينة حتى درجة حرارة القياس الأولى مع التقليب.

قم بموازنة العينة عند تلك درجة الحرارة لمدة 30 دقيقة ثم سجل قراءة الموصلية. كرر هذه العملية لكل نقطة درجة حرارة. بعد ذلك، قم بتجهيز وحدة قياس الفولتاميتري الحلقية ثلاثية الأقطاب (ليثيوم-ليثيوم بلاتينيوم) داخل صندوق القفازات.

ضع السائل الأيوني في غرفة القياس بـ CV، واغمر الأقطاب الكهربائية في السائل وتأكد من إغلاق الغرفة بإحكام. قم بموازنة العينة عند درجة حرارة القياس الأولى لمدة 20 دقيقة، ثم قم بمسح الجهد بمعدل 1 mV/s بين -0.2 V و 6.5 V. القيمة الأولى هي جهد مرجع ليثيوم أيون الليثيوم.

كرر هذا القياس لكل درجة حرارة مطلوبة. وقبل البدء في تصنيع البطارية، جفف lithium TFSI لمدة ثلاثة أيام في فرن تفريغ عند 70 درجة مئوية. جفف السائل الأيوني المراد اختباره تحت تفريغ عالٍ عند 100 درجة مئوية لمدة 24 ساعة مع التقليب بقوة.

انقل كلاً من السوائل الجافة ودورقاً مجففاً في الفرن وقضيب تحريك إلى صندوق القفازات. ضع 6.4 millimoles من كل من السائل الأيوني وlithium TFSI في الدورق. حرك المزيج طوال الليل للحصول على مزيج متجانس بتركيز إلكتروليتي يبلغ 1.6 molar.

جفف مكونات خلية العملة المعدنية وقطب أكسيد ليتيوم كوبالت بقطر 12.7 millimeter عند درجة حرارة 70 °C طوال الليل قبل نقلها إلى صندوق القفازات. ضع نابضاً واحداً وقرصاً من الفولاذ المقاوم للصدأ في الغطاء السفلي لخلية العملة المعدنية. ضع القطب في القرص الفولاذي.

سخّن خليط الإلكتروليت إلى 60 درجة مئوية على لوح تسخين، وانقع فاصلين من غشاء البولي بروبيلين في الخليط مع التحريك لمدة 15 دقيقة. غطِّ سطح كاثود أكسيد ليتيوم كوبالت بنحو 0.5 ملليلتر من خليط الإلكتروليت، ثم ضع كلا الفاصلين في مركز الخلية القرصية. ضع بضع قطرات من خليط الإلكتروليت فوق الفواصل، مع التأكد من ملء جميع الشقوق في الخلية.

قم بتسخين الكاثود المغطى بالإلكتروليت إلى 60 درجة Celsius لمدة 15 دقيقة. قص قطعة بقطر 12.7 millimeter وبسمك 0.75 millimeter من ليثيوم معدني، ثم ضع المعدن فوق الفواصل المشبعة بالإلكتروليت. قم بتغطية الخلية القرصية وإغلاقها بإحكام باستخدام آلة كبس (crimper).

أخرج الخلية من الصندوق القفازي واتركها لمدة 12 ساعة. ولاختبار أداء البطارية في درجات الحرارة المرتفعة، قم بتمرير كابلات من محطة الاختبار الكهروكيميائي إلى الجدار الخلفي للفرن. صِل خلية الزر بمحطة الاختبار داخل الفرن، واترك الخلية في الفرن لمدة 30 دقيقة حتى تتوازن مع درجة حرارة الفرن.

عند محطة الاختبار، اختر دورات الشحن والتفريغ الغلفانوستاتية وحدد عدد الدورات بـ 500 دورة. اضبط معلمات الشحن والتفريغ وأوقات الراحة، ثم ابدأ دورات الشحن والتفريغ لتقييم مخرج الشحن بمرور الوقت. تم تقييم أربعة سوائل أيونية قائمة على الفسفونيوم لاستخدامها في بطاريات ليثيوم أيون عند درجات حرارة مرتفعة.

أظهر التحليل الحراري الوزني أن درجات حرارة التحلل تراوحت بين 340 و 385 درجة مئوية. وكانت السوائل الأيونية القائمة على TFSI أقل لزوجة، مما جعلها أكثر ملاءمة لملء المسام والشقوق في مكونات البطارية بشكل كامل. وأظهرت قياسات الفولتاميتري الحلقية لمركبات mono و di-hexC10TFSI مع lithium-TFSI في وجود كاثود أكسيد كوبالت الليثيوم قمم الأكسدة والاختزال المتوقعة لأكسيد كوبالت الليثيوم.

بالنسبة لكلا السائلين، زاد التيار بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة. وأظهر خليط mono-hexC10TFSI استجابة تيار أعلى عند جميع درجات الحرارة. كما أظهرت اختبارات دورات الشحن والتفريغ لبطاريات الخلايا القرصية التي تحتوي على mono-hexC10TFSI عند 100 درجة مئوية أن تدهور سعة البطارية كان سريعاً عند التركيزات المنخفضة من lithium TFSI.

عند تركيزات أقرب إلى نقطة التشبع، انخفض تدهور السعة إلى حوالي عشرة بالمئة بعد 20 دورة. أُجري اختبار تدوير شحن وتفريغ غلفانوسيتاتي ممتد لبطارية خلية عملة تحتوي على 1.6 molar TFSI و mono-hexC10TFSI عند 100 درجة Celsius. كانت سعة البطارية في البداية حوالي 135 milliampere hours per gram.

بعد مرور شهر واحد، انخفضت السعة إلى 70 milliampere hours per gram. وأثناء تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تجفيف جميع مكونات البطارية تماماً، مثل الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية، قبل تجميع الخلية. علاوة على ذلك، يجب توخي الحذر عند تجميع الخلية القرصية لضمان تغطية الكاثود والفاصل بالإلكتروليتات.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون قادراً على تخليق إلكتروليتات السوائل الأيونية وتصنيع بطاريات ليثيوم أيون. يجب توخي الحذر عند التعامل مع السوائل الأيونية نظراً لأن لزوجتها العالية تفرض تحديات إضافية في المناولة مقارنة بالإلكتروليتات القياسية.