2016年12月20日
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。
该程序的总体目标是组装一个高温功能的锂离子电池,该电池利用含有锂双三氟甲烷磺酰胺的不易燃、热稳定的鏻基离子液体电解质。该方法解决了高温储能领域的关键挑战,特别是在锂离子电池中使用传统电解质的安全问题。该技术的主要优点是它提供了一种合成和表征热稳定电解质以及构建高温功能锂离子电池的方法。
虽然这种方法提供了对针对锂离子电池优化的仿生液体电解质的合理设计见解,但它也可以应用于超级电容器和其他储能设备。通常,刚接触这种方法的人会很困难,因为测量将在惰性气氛中使用极其干燥的材料进行。这种方法的视觉演示至关重要,因为由于它们的高粘度,在电池中引入仿生液体具有挑战性。
在充满氩气的手套箱中,使用玻璃移液器将 8.3 克三海索膦和 5.22 克 1-氯癸烷分配到装有搅拌棒的烘箱干燥的重壁压力容器中。用 PTFE 衬套盖住容器,并在 140 摄氏度的氩气下搅拌混合物 24 小时。在 140 度真空下除去挥发物,得到粗的一己烯-10-氯化物。
将一己烯-10-氯化物提取到 DCM 中 3 次,加入 10 毫升的 DCM 和盐水的一对一混合物。从 DCM 固定相中去除挥发物以分离单六氯乙烯-10-氯化物产物。接下来,将 6.25 克锂 TFSI 溶解在 10 毫升去离子水中。
然后,将 7.75 克单己烯-10-氯化物溶解在 10 毫升 DCM 中。添加 TFSI 解决方案。盖上容器盖,在室温下搅拌混合物 24 小时,得到粗的单己烯-10-TFSI。
将单己烯-10-TFSI 提取到 20 毫升 DCM 中 3 次。将 1 至 2 滴一种正常硝酸银溶液加入 1 毫升 DCM 固定相中,以测试氯离子的存在。如果观察到氯化银为白色沉淀,则重复提取。
然后,用 1 克无水硫酸镁干燥单己烯-10-TFSI 溶液。倒出干燥的溶液,并用旋转蒸发器去除溶剂以分离产品。为了合成二鏻类似物,使用 1,10-二氯癸烷遵循此程序并适当调整其摩尔比。
要进行粘度测量,请在充满氮气的手套袋中设置受控应变流变仪。将 1 毫升离子液体放在流变仪的 Peltier 载物台上,确保铝板被完全覆盖。在所有测试运行中,将样品与平行直径为 20 毫米的铝板之间的间隙设置为 1 到 2 毫米。
以 100 赫兹的剪切速率对样品进行预剪切 10 秒,然后执行 15 分钟的平衡步骤。然后,以 1 赫兹的固定频率和应变幅值从 0.1% 到 10% 的应变扫描确定线性粘弹性区域或 LVR。在 LVR 中选择一个应变,并执行 0.1 到 10 赫兹的振荡频率扫描。
确定所选频率和应变下的复粘度。然后,在该频率和应变下,以 5 度的增量从 10 摄氏度到 95 摄氏度进行振荡温度扫描,每个温度保持 1 分钟的平衡。要测量样品电导率,首先在 100 摄氏度的真空下干燥离子液体 12 小时。
将约 4 毫升离子液体放入试管中。插入电导率探头并根据需要添加更多样品,以完全覆盖探头传感器。搅拌的同时将样品加热至第一个测量温度。
在该温度下平衡样品 30 分钟,然后读取电导率读数。对每个温度点重复此过程。接下来,在手套箱中设置锂-锂铂三电极循环伏安法组件。
将离子液体放入 CV 室中,将电极浸入液体中,并确保腔室密封。在第一次测量温度下平衡样品 20 分钟,然后以每秒 1 毫伏的速率在负 0.2 伏和 6.5 伏之间扫描电位。首先是锂离子锂参考电位。
对每个所需的温度重复此测量。在开始制造电池之前,将锂 TFSI 在 70 摄氏度的真空烘箱中干燥三天。将待测离子液体在 100 摄氏度的高真空下干燥 24 小时,同时剧烈搅拌。
将干燥液体和烘箱干燥的烧瓶和搅拌棒放入手套箱中。将离子液体和锂 TFSI 各 6.4 毫摩尔放入烧瓶中。将混合物搅拌过夜,以获得电解质浓度为 1.6 摩尔的均匀混合物。
将纽扣电池硬件组件和直径为 12.7 毫米的钴酸锂电极在 70 摄氏度下干燥过夜,然后再将它们转移到手套箱中。将一个弹簧和不锈钢盘放入纽扣电池底盖中。将电极放入钢盘中。
在热板上将电解质混合物加热至 60 摄氏度,并在搅拌 15 分钟的同时将两个聚丙烯膜分离器浸泡在混合物中。用约 0.5 毫升的电解质混合物覆盖钴酸锂阴极的表面,然后将两个隔板放在纽扣电池的中心。在隔板顶部滴几滴电解质混合物,确保电池中的所有缝隙都被填满。
将电解液覆盖的阴极加热至 60 摄氏度 15 分钟。切出一块直径为 12.7 毫米的 0.75 毫米厚的锂金属,并将金属放在浸有电解液的隔膜上。盖上纽扣电池并用压接器密封。
从手套箱中取出细胞,让细胞静置 12 小时。为了测试电池在高温下的性能,将电缆从电化学测试站穿到烤箱的后壁。将纽扣电池连接到烘箱中的测试站,并将电池在烘箱中放置 30 分钟以平衡至烘箱温度。
在测试站,选择恒电流充放电循环并将循环编号设置为 500。设置充电和放电参数以及休息时间,然后开始充放电循环以评估一段时间内的充电输出。评估了四种基于鏻的离子液体在高温下用于锂离子电池。
热重分析表明,分解温度在 340 至 385 摄氏度之间。基于 TFSI 的离子液体粘度较低,因此更适合完全填充电池组件中的孔隙和缝隙。在钴酸锂阴极存在下,使用锂 TFSI 对单十六进制和二己 C10TFSI 进行循环伏安法测量,显示预期的钴酸锂氧化还原峰。
对于这两种液体,电流都随着温度的增加而显著增加。mono-hexC10TFSI 混合物对所有温度都显示出更高的电流响应。含有单六角 C10TFSI 的纽扣电池在 100 摄氏度下的充放电循环测试表明,在低浓度锂 TFSI 下,电池容量衰减迅速。
在接近饱和点的浓度下,20 次循环后容量衰减减少到约 10%。在 100 摄氏度下对包含 1.6 摩尔 TFSI 和单六角 C10TFSI 的纽扣电池进行了扩展恒流充放电循环测试。电池容量最初约为每克 135 毫安小时。
一个月后,产能下降到每克 70 毫安小时。在尝试此程序时,请务必在电池组装前彻底干燥电池的所有组件,例如电解液和电极。此外,在组装纽扣电池时,必须注意在阴极和隔膜上涂上电解液。
看完这个视频后,你应该能够合成离子液体电解质并制造锂离子电池。处理离子液体时必须小心,因为与标准电解质相比,它们的高粘度会带来额外的处理挑战。
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本文介绍了制备基于膦的离子液体和锂双(三氟甲磺酰)亚胺盐电解质的协议,旨在组装一种非易燃、高温锂离子硬币电池。该方法解决了锂离子电池中常规电解质相关的安全挑战。
Developing thermally stable, non-flammable electrolytes addresses critical safety and performance limitations in high-temperature energy storage applications. This approach enables predictive evaluation of electrolyte stability and battery function under extreme conditions, supporting risk-adjusted decisions in energy storage portfolio development. The method provides a mechanistic foundation for de-risking next-generation battery technologies prior to scale-up.
This method integrates into the energy storage development continuum from electrolyte synthesis and characterization to functional battery assembly and performance evaluation, enabling iterative design-refinement cycles.