Synthese von ionischen Flüssigkeiten Elektrolyte auf Basis, Montage von Li-Ionen-Batterien, und Messungen der Leistung bei hohen Temperaturen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine hochtemperaturtaugliche Lithium-Ionen-Batterie zusammenzubauen, die einen nicht brennbaren, thermisch stabilen Ionen-Flüssigelektrolyten auf Phosphoniumbasis verwendet, der Lithium-bis-Trifluormethansulfonamid enthält. Diese Methode adressiert die wichtigsten Herausforderungen im Bereich der Hochtemperatur-Energiespeicherung, insbesondere die Sicherheitsprobleme bei der Verwendung konventioneller Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie einen Ansatz zur Synthese und Charakterisierung thermisch stabiler Elektrolyte und zum Bau von Hochtemperatur-funktionierenden Lithium-Ionen-Batterien bietet.

Obwohl diese Methode Einblicke in bionische Flüssigelektrolyte mit rationellem Design bietet, die für Lithium-Ionen-Batterien optimiert sind, kann sie auch auf Superkondensatoren und andere Energiespeicher angewendet werden. Im Allgemeinen haben Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten, da die Messungen unter inerter Atmosphäre mit extrem trockenen Materialien durchgeführt werden. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da das Einbringen bionischer Flüssigkeiten in die Batterien aufgrund ihrer hohen Viskosität eine Herausforderung darstellt.

Geben Sie in einem mit Argon gefüllten Handschuhfach mit Glaspipetten 8,3 Gramm Trihexylphosphen und 5,22 Gramm 1-Chlordecan in einen ofengetrockneten, dickwandigen Druckbehälter mit einem Rührstab. Verschließen Sie das Gefäß mit einer PTFE-Buchse und rühren Sie das Gemisch 24 Stunden lang bei 140 Grad Celsius unter Argon. Entfernen Sie flüchtige Bestandteile unter Vakuum bei 140 Grad, um rohes Monohex-10-chlorid zu erhalten.

Extrahieren Sie das Mono-Hex-10-chlorid dreimal in DCM mit zehn Millilitern einer Eins-zu-Eins-Mischung aus DCM und Sole. Entfernen Sie flüchtige Bestandteile aus der DCM-Phase, um das Mono-Hex-10-chlorid-Produkt zu isolieren. Als nächstes lösen Sie 6,25 Gramm Lithium-TFSI in zehn Millilitern entionisiertem Wasser.

Lösen Sie dann 7,75 Gramm Mono-Hex-10-chlorid in zehn Millilitern DCM auf. Fügen Sie die TFSI-Lösung hinzu. Verschließen Sie den Behälter und rühren Sie die Mischung 24 Stunden lang bei Raumtemperatur um, um rohes Mono-Hex-10-TFSI zu erhalten.

Extrahieren Sie das Mono-Hexe-10-TFSI dreimal in 20 Milliliter DCM. Testen Sie auf das Vorhandensein von Chlorid, indem Sie ein bis zwei Tropfen einer normalen Silbernitratlösung zu einem Milliliter der DCM-Phase hinzufügen. Wiederholen Sie die Extraktion, wenn Silberchlorid als weißer Niederschlag beobachtet wird.

Trocknen Sie dann die Mono-Hex-10-TFSI-Lösung mit einem Gramm wasserfreiem Magnesiumsulfat. Dekantieren Sie die getrocknete Lösung und entfernen Sie das Lösungsmittel mit einem Rotationsverdampfer, um das Produkt zu isolieren. Um die Di-Phosphonium-Analoga zu synthetisieren, befolgen Sie dieses Verfahren mit 1,10-Dichlordecan und passen Sie seine molaren Verhältnisse entsprechend an.

Um Viskositätsmessungen durchzuführen, richten Sie ein kontrolliertes Dehnungsrheometer in einem mit Stickstoffgas gefüllten Handschuhbeutel ein. Geben Sie einen Milliliter der ionischen Flüssigkeit auf den Peltier-Tisch des Rheometers und stellen Sie sicher, dass die Aluminiumplatte vollständig bedeckt ist. Der Abstand zwischen der Probe und einer parallelen Aluminiumplatte mit einem Durchmesser von 20 Millimetern ist bei allen Testläufen auf ein bis zwei Millimeter einzustellen.

Scheren Sie die Probe zehn Sekunden lang mit einer Scherrate von 100 Hertz vor und führen Sie dann einen 15-minütigen Gleichgewichtsschritt durch. Anschließend wird der lineare viskoelastische Bereich (LVR) mit einem oszillatorischen Dehnungssweep bei einer festen Frequenz von einem Hertz mit einer Dehnungsamplitude von 0,1 bis zehn Prozent bestimmt. Wählen Sie eine Dehnung innerhalb des LVR und führen Sie einen oszillatorischen Frequenz-Sweep von 0,1 bis zehn Hertz durch.

Bestimmen Sie die komplexe Viskosität bei einer gewählten Frequenz und Dehnung. Führen Sie dann bei dieser Frequenz und Dehnung einen oszillatorischen Temperatursweep von zehn bis 95 Grad Celsius in Fünf-Grad-Schritten mit einer Minute Gleichgewicht bei jeder Temperatur durch. Um die Leitfähigkeit der Probe zu messen, trocknen Sie die ionische Flüssigkeit zunächst 12 Stunden lang bei 100 Grad Celsius unter Vakuum

Geben Sie etwa vier Milliliter der ionischen Flüssigkeit in ein Reagenzglas. Führen Sie die Leitfähigkeitssonde ein und fügen Sie bei Bedarf weitere Proben hinzu, um den Sondensensor vollständig abzudecken. Erhitzen Sie die Probe unter Rühren auf die erste Messtemperatur.

Äquilibrieren Sie die Probe 30 Minuten lang bei dieser Temperatur und messen Sie dann die Leitfähigkeit. Wiederholen Sie diesen Vorgang für jeden Temperaturpunkt. Richten Sie als Nächstes eine zyklische Lithium-Lithium-Platin-Voltammetrie-Baugruppe mit drei Elektroden im Handschuhfach ein.

Legen Sie die ionische Flüssigkeit in die CV-Kammer, tauchen Sie die Elektroden in die Flüssigkeit und stellen Sie sicher, dass die Kammer verschlossen ist. Äquilibrieren Sie die Probe 20 Minuten lang bei der ersten Messtemperatur und schwenken Sie dann das Potential mit einer Geschwindigkeit von einem Millivolt pro Sekunde zwischen minus 0,2 Volt und 6,5 Volt. Das erste ist das Lithium-Ionen-Referenzpotenzial.

Wiederholen Sie diese Messung für jede gewünschte Temperatur. Bevor Sie mit der Batterieherstellung beginnen, trocknen Sie das Lithium-TFSI drei Tage lang in einem Vakuumschrank bei 70 Grad Celsius. Trocknen Sie die zu testende ionische Flüssigkeit unter Hochvakuum bei 100 Grad Celsius 24 Stunden lang unter kräftigem Rühren.

Bringen Sie sowohl trockene Flüssigkeiten als auch eine ofengetrocknete Flasche und einen Rührstab in eine Handschuhbox. Jeweils 6,4 Millimol der ionischen Flüssigkeit und des Lithium-TFSI werden in den Kolben gegeben. Rühren Sie die Mischung über Nacht, um eine homogene Mischung mit einer Elektrolytkonzentration von 1,6 molaren zu erhalten.

Trocknen Sie die Hardware-Komponenten der Knopfzelle und eine Lithium-Kobaltoxid-Elektrode mit einem Durchmesser von 12,7 Millimetern über Nacht bei 70 Grad Celsius, bevor Sie sie in das Handschuhfach umfüllen. Setzen Sie eine Feder und eine Edelstahlscheibe in die Bodenkappe der Knopfzelle ein. Platzieren Sie die Elektrode in der Stahlscheibe.

Erhitzen Sie das Elektrolytgemisch auf einer Heizplatte auf 60 Grad Celsius und tränken Sie zwei Polypropylen-Membranseparatoren unter Rühren 15 Minuten lang in der Mischung. Bedecken Sie die Oberfläche der Lithium-Kobaltoxid-Kathode mit etwa 0,5 Millilitern des Elektrolytgemisches und platzieren Sie dann beide Separatoren in der Mitte der Knopfzelle. Geben Sie einige Tropfen des Elektrolytgemisches auf die Separatoren und stellen Sie sicher, dass alle Spalten in der Zelle gefüllt sind.

Erhitzen Sie die mit Elektrolyt bedeckte Kathode 15 Minuten lang auf 60 Grad Celsius. Schneiden Sie ein Stück aus 0,75 Millimeter dickem Lithiummetall mit einem Durchmesser von 12,7 Millimetern aus und legen Sie das Metall auf die elektrolytgetränkten Separatoren. Verschließen Sie die Knopfzelle und verschließen Sie sie mit einer Crimpzange.

Nehmen Sie die Zelle aus dem Handschuhfach und lassen Sie die Zelle 12 Stunden lang ruhen. Um die Leistung der Batterie bei hohen Temperaturen zu testen, verlegen Sie Kabel von einer elektrochemischen Prüfstation an die Rückwand eines Ofens. Schließen Sie die Knopfzelle an die Prüfstation im Ofen an und lassen Sie die Zelle 30 Minuten lang im Ofen, um sie auf die Ofentemperatur auszugleichen.

Wählen Sie an der Prüfstation den galvanostatischen Lade-Entlade-Zyklus und stellen Sie die Zyklusnummer auf 500 ein. Stellen Sie die Lade- und Entladeparameter sowie die Ruhezeiten ein und starten Sie dann den Lade-Entlade-Zyklus, um die Ladeleistung im Laufe der Zeit zu bewerten. Vier ionische Flüssigkeiten auf Phosphoniumbasis wurden für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien bei hohen Temperaturen evaluiert.

Die thermogravimetrische Analyse zeigte, dass die Zersetzungstemperaturen zwischen 340 und 385 Grad Celsius lagen. Die ionischen Flüssigkeiten auf TFSI-Basis waren weniger viskos und eignen sich daher besser, um Poren und Spalten in den Batteriekomponenten vollständig zu füllen. Zyklische Voltammetrie-Messungen von Mono- und Di-HexC10TFSI mit Lithium-TFSI in Gegenwart der Lithium-Kobaltoxid-Kathode zeigten die erwarteten Lithium-Kobaltoxid-Redox-Peaks.

Bei beiden Flüssigkeiten stieg der Strom mit der Temperatur deutlich an. Das Mono-HexC10TFSI-Gemisch zeigte ein höheres Stromverhalten bei allen Temperaturen. Lade-Entlade-Zyklustests von Knopfzellenbatterien, die Mono-HexC10TFSI bei 100 Grad Celsius enthielten, zeigten, dass der Kapazitätsabfall der Batterie bei niedrigen Konzentrationen von Lithium-TFSI schnell war.

Bei Konzentrationen, die näher am Sättigungspunkt lagen, reduzierte sich der Kapazitätsabfall nach 20 Zyklen auf etwa zehn Prozent. Ein erweiterter galvanostatischer Lade-Entlade-Zyklustest einer Knopfzellenbatterie mit 1,6 molaren TFSI und Mono-hexC10TFSI wurde bei 100 Grad Celsius durchgeführt. Die Batteriekapazität lag anfangs bei etwa 135 Milliamperestunden pro Gramm.

Nach einem Monat war die Kapazität auf 70 Milliamperestunden pro Gramm gesunken. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, alle Komponenten der Batterie, wie z. B. den Elektrolyten und die Elektroden, vor dem Zusammenbau der Zellen gründlich zu trocknen. Darüber hinaus muss bei der Montage der Knopfzelle darauf geachtet werden, dass Kathode und Separator mit den Elektrolyten beschichtet werden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie in der Lage sein, ionische flüssige Elektrolyte zu synthetisieren und Lithium-Ionen-Batterien herzustellen. Beim Umgang mit den ionischen Flüssigkeiten ist Vorsicht geboten, da ihre hohen Viskositäten im Vergleich zu Standardelektrolyten zusätzliche Herausforderungen bei der Handhabung darstellen.