方法文章

离子液体基电解质的合成，装配锂离子电池，并在高温性能的测量

DOI：

10.3791/54864

⸱

2016年12月20日

 ,  , 
1Department of Chemistry, Boston University, 2Department of Biomedical Engineering, Boston University, 3Department of Medicine, Boston University

本文内容

摘要

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在这里，我们描述了制备鏻基离子液体和双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂盐电解质的方案，并组装不易燃且具有高温功能的锂离子纽扣电池。

摘要

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传统电解质的化学不稳定性仍然是广泛使用的能量存储设备，例如锂离子电池的安全问题。用于在升高的温度下工作的设备使用的锂离子电池要求热稳定的和不可燃的电解质。离子液体（离子液体），它们是不可燃的，非挥发性，热稳定的熔融盐，是今天目前使用易燃，低沸点有机溶剂的电解质的理想替代品。这里我们描述的程序:1）合成具有氯或双（三氟甲烷）磺酰亚胺（TFSI）阴离子配对单 - 和二 - 鏻离子液体; 2）测量通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）这些离子液体的热性能和稳定性; 3）测量由循环伏安（CV）的离子液体的电化学性能; 4）制备含锂双（三氟甲烷）磺酰胺电解质; 5）测量合作电解质作为温度的函数的nductivity; 6）装配有两个与锂金属阳极和钴酸锂正极2沿着电解质的纽扣电池;和7）评价在100℃下的电池性能。此外，我们还描述了从执行这些实验获得了执行中的挑战和洞察力。

引言

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锂离子电池是一种将电能与化学能之间变换的能量，并提供一个方便的装置来存储和按需和在这去传递能量的设备。今天，锂离子电池支配便携式电子市场，因为它们的高能量密度和再充电能力，并且是用于大规模和专业应用，如井下钻孔和汽车的兴趣。 1-5电池是由四个主要部分组成:阴极，阳极，隔板和电解质。而在两电极的化学决定了电池的理论能量密度，安全性和工作温度主要由电解质材料的限制。基于6-9碳酸酯类有机溶剂的电解质（ 例如 ，碳酸二甲酯（DMC）和碳酸亚乙酯（EC））被广泛应用于锂离子电池由于它们的低粘度，高导电性，高的锂盐的溶解度。此外，某些combina碳酸酯溶剂（DMC / EC）的系统蒸发散也形成稳定的固体电解质界面（SEI），从而防止了电解质和电极，并延长电池寿命之间的降解反应。然而，碳酸酯溶剂从低沸点和闪蒸点挨，限制的锂离子电池的工作温度，以在55℃以下，具有潜在的严重的安全问题时，有一个短路。 10,11

离子液体是一类的盐的具有低于100℃熔化温度。 12相反典型无机盐，离子液体具有宽液体范围，并且可以是在室温下为液体。离子液体由一个或多个有机阳离子中心，如咪唑鎓，鏻，吡啶鎓或铵中并用无机或有机阴离子配对，如甲磺酸盐，六氟磷酸盐，或卤化物。 13,14的各种各样的可能的阳离子和阴离子组合允许大量具有可调性质的组合物的。另外，离子液体中的强离子相互作用导....

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方案

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与氯化物（CL）和双（三氟甲烷）磺酰亚胺（TFSI）阴离子配对单和二磷离子液体的1.Synthesis

注:对于具有3己基和围绕所述鏻阳离子中有一个癸烷基链的单 - 鏻离子液体的步骤中描述的，这离子液体缩写为单HexC10Cl。相同的方法，用1,10-二氯癸烷，以获得高产率的二 - 鏻离子液体重复，并且这离子液体缩写为二 - HexC10Cl。

  1. 而在氩气氛下的手套箱中，称出使用玻璃吸管三己（8.3克，29毫摩尔），并分装到一厚壁压力容器中。接下来，添加使用玻璃吸管同一船只1 chlorodecane（5.22克，29.6毫摩尔）。帽含有的PTFE衬套混合物的容器中。
  2. 在氩气下将所得混合物加热至140℃24小时，同时混合，得到单 - HexC10Cl。该混合物将是来粘稠。
  3. 放置在高真空下将混合物在140℃搅拌的同时，以除去任何残留的挥发性起始物质，得到粗制的单HexC10Cl。
    1. 为了纯化，用大约10毫升1从粗制混合物中提取单HexC10Cl:在250毫升的分液漏斗1二氯甲烷（DCM），以饱和氯化钠溶液（盐水）。收集DCM相。重复提取过程三次。
    2. 结合15ml含有收集产物的DCM溶液，并使用旋转蒸发器，以获得单 - HexC10Cl产物蒸发溶剂。
  4. 溶解该单HexC10Cl（7.75克，16.74毫摩尔）在10ml DCM中并加入的LiTFSI（6.2....

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结果

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离子液体，单HexC10Cl和二HexC10Cl，分别经由亲核反应而制备，和随后卤化交换反应，得到单- HexC10TFSI和二HexC10TFSI离子液体，分别为（ 图1A）。 14所有四种离子液体为无色，略粘性液体（ 图1B）。单- HexC10TFSI离子液体的代表性1 H NMR示于图1C中 ，并用质谱和元素分析数据一起证实了结构。

接着，四个离子液体的热稳定性进行了测定（ 表1）。作为代表性的离子型液体中，二HexC10TFSI将详细说明。首先，DSC进行，以确定是否有至150℃（ 图2A）-70之间的任何相变。没有玻璃化转变temperatu没有观察到二 - HexC10TFSI离子液体再或熔融温度，这表明在该温度范围内的宽的液.......

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讨论

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我们开发非易燃，高温功能的锂离子电池的方法包括新的离子液体电解质的原型纽扣电池的合成及后续评估。具体地，单HexC10TFSI和二HexC10TFSI基电解质中具有一个锂金属阳极和的LiCoO 2阴极的钮扣电池进行了测试。这种方法中的关键步骤是:1）根据一组设计规范确定的引线电解质; 2）保持干燥，并确保水不会进入细胞; 3）开发提供了一个工作电池单元组装过程。

由于大量的可用的和给定的阳离子和阴离子的不同组合的离子液体中，反复处理进行涉及的离子液体的选择，性能评价，然后优化或离子液体组合物的改变。理想的电解质材料应POSSESS以下特点:1）宽的电化学窗口，在其中电解质是稳定的; 2）高的离子电导率和低的电子传导性，以促进在电极之间离子迁移，抑制自放电; 3）化学和热稳定性，以使电解质与其它细胞组分如隔板，电极和它们的底物等兼容，并增加细胞安全性; 4）非易燃性和低的蒸气压，以避免细胞衰竭在细胞压力积聚和火灾;和5）低毒性和成本低。电解液的热稳定性高的安全运行和温度高于25°C时电池运行高循环次数的关键。传统的电解质材料是基于碳酸酯溶剂它们.......

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披露

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提交人声明，他们没有竞争的经济利益。

致谢

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本文得到了 BU 和 Advanced Energy Consortium 的部分支持：

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
硅油Sigma-Aldrich85409
氢氧化钾Sigma-Aldrich221473腐蚀性
旋转蒸发器BuchiR-124
高真空泵Welch8907
氮气，超高纯度AirgasNI UHP300压缩气体
四氢呋喃，稳定含 BHTPharmco-Aaper346000易燃。使用前干燥。
二氯甲烷Pharmco-Aaper313000易燃，有毒。
分液漏斗 （1 L）Fisher Scientific13-678-606
硫酸钠Sigma-Aldrich239313
乙醇，无水Pharmco-Aaper111USP200易燃、有毒。
布赫纳漏斗Fisher ScientificFB-966-F
甲醇Pharmco-Aaper339000ACS易燃、有毒。
三乙胺（无水）Sigma-Aldrich471283有毒、易燃、对环境有害
玻璃注射器汉密尔顿公司1700 系列
氘代氯仿Cambridge Isotopes Laboratories， Inc.DLM-29-10有毒
核磁共振仪瓦里安V400
氢气空气气HY HP300高度易燃。
己烷Pharmco-Aaper359000ACS有毒，易燃。
差示扫描量热仪TA InstrumentsQ100
N，N-二甲基甲酰胺Sigma-Aldrich227056有毒，易燃。
TrihexylphosphoneTCI America有毒，易燃。
1-氯癸烷Sigma-Aldrich有毒，易燃。
双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂盐Sigma-Aldrich亲水性
1,10-二氯癸烷Sigma-Aldrich有毒，易燃。
热重力分析仪 （TGA）TA Q50TA 仪器
差示扫描量热仪 （DSC）TA Q100TA 仪器
受控应变流变仪AR 1000 
电导率仪 ConsortK9124 电极
电池恒电位仪/恒电流仪普林斯顿应用研究 VersaStat MC4 电化学测试
分隔片Celgard C480 聚丙烯/聚乙烯
CR2032 纽扣电池MTI Corp.EQ-CR2032-CASE
LiCoO2 电极 MTI 公司EQ-CR2032正极材料
锂金属 Alfa Aesar10769阳极材料
不锈钢垫片MTI Corp.EQ-CR20-Spacer304-0215.5 mm 直径 x 0.2 mm
波形弹簧MTI Corp.EQ-CR20WS-Spring304
电纽扣电池压接机MTI Corp.MSK-160D
手套箱Mbraun无水、无氧作

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Armand, M., Tarascon, J. -M. Building better batteries. Nature (London). 451, 652-657 (2008).
  2. Linden, D., Reddy, T. B. Handbook of batteries. , 3rd edn, McGraw-Hill Education. (2002).
  3. Scrosati, B., Garche, J.

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