Síntesis de líquidos iónicos electrolitos basados, Montaje de baterías de ion-litio, y mediciones de rendimiento a temperaturas elevadas

El objetivo general de este procedimiento es ensamblar una batería de iones de litio que funcione a alta temperatura y que utilice un electrolito líquido de iones a base de fosfonio no inflamable y térmicamente estable que contenga litio bis trifluorometano sulfonamida. Este método aborda los desafíos clave en un campo de almacenamiento de energía a alta temperatura, específicamente los problemas de seguridad con el uso de electrolitos convencionales en baterías de iones de litio. La principal ventaja de esta técnica es que proporciona un enfoque para sintetizar y caracterizar electrolitos térmicamente estables y para construir baterías de iones de litio que funcionen a alta temperatura.

Aunque este método proporciona información sobre el diseño racional de electrolitos líquidos biónicos optimizados para baterías de iones de litio, también se puede aplicar a supercondensadores y otros dispositivos de almacenamiento de energía. Generalmente, las personas nuevas en este método tienen dificultades porque las mediciones se tomarán en atmósfera inerte con materiales extremadamente secos. La demostración visual de este método es fundamental, ya que la introducción de líquidos biónicos en las baterías es un desafío debido a sus altas viscosidades.

En una guantera llena de argón, use pipetas de vidrio para dispensar 8,3 gramos de trihexilo fosfeno y 5,22 gramos de 1-clorodecano en un recipiente a presión de pared gruesa secado al horno que contenga una barra agitadora. Tape el recipiente con un casquillo de PTFE y revuelva la mezcla bajo argón a 140 grados centígrados durante 24 horas. Elimine los volátiles al vacío a 140 grados para obtener cloruro de mono-hexáx-10 crudo.

Extraiga el cloruro mono-hexáxe-10 en DCM tres veces con porciones de diez mililitros de una mezcla uno a uno de DCM y salmuera. Elimine los volátiles de la fase DCM para aislar el producto de cloruro mono-hexa-10. A continuación, disuelva 6,25 gramos de litio TFSI en diez mililitros de agua desionizada.

A continuación, disuelva 7,75 gramos de cloruro mono-hexáxe-10 en diez mililitros de DCM. Agregue la solución TFSI. Tape el recipiente y revuelva la mezcla a temperatura ambiente durante 24 horas para obtener mono-hexágo-10-TFSI crudo.

Extraiga el mono-hexágono-10-TFSI en 20 mililitros de DCM tres veces. Pruebe la presencia de cloruro agregando una o dos gotas de una solución normal de nitrato de plata a un mililitro de la fase DCM. Repita la extracción si se observa cloruro de plata como precipitado blanco.

A continuación, seque la solución mono-hexáxe-10-TFSI con un gramo de sulfato de magnesio anhidro. Decantar la solución seca y eliminar el disolvente con un evaporador rotativo para aislar el producto. Para sintetizar los análogos de di-fosfonio, siga este procedimiento utilizando 1,10-diclorodecano y ajuste adecuadamente sus proporciones molares.

Para realizar mediciones de viscosidad, coloque un reómetro de deformación controlada en una bolsa de guantes llena de gas nitrógeno. Coloque un mililitro del líquido iónico en la etapa Peltier del reómetro, asegurándose de que la placa de aluminio esté completamente cubierta. Ajuste el espacio entre la muestra y una placa de aluminio paralela de 20 milímetros de diámetro para que sea de uno a dos milímetros en todas las ejecuciones de prueba.

Pre-corte la muestra a una velocidad de cizallamiento de 100 hercios durante diez segundos y luego realice un paso de equilibrio de 15 minutos. A continuación, determine la región viscoelástica lineal o LVR con un barrido de deformación oscilatoria a una frecuencia fija de un hercio con una amplitud de deformación del 0,1 al diez por ciento. Seleccione una deformación dentro del LVR y realice un barrido de frecuencia oscilatoria de 0,1 a diez hercios.

Determine la viscosidad compleja a una frecuencia y deformación elegidas. Luego, a esa frecuencia y tensión, realice un barrido de temperatura oscilatoria de diez a 95 grados Celsius en incrementos de cinco grados con un minuto de equilibrio a cada temperatura. Para medir la conductividad de la muestra, primero seque el líquido iónico a 100 grados Celsius al vacío durante 12 horas.

Coloque unos cuatro mililitros del líquido iónico en un tubo de ensayo. Inserte la sonda de conductividad y agregue más muestra según sea necesario para cubrir completamente el sensor de la sonda. Calentar la muestra a la primera temperatura de medición mientras se agita.

Equilibre la muestra a esa temperatura durante 30 minutos y luego tome la lectura de conductividad. Repita este proceso para cada punto de temperatura. A continuación, configure un conjunto de voltamperometría cíclica de tres electrodos de litio-litio platino en la guantera.

Coloque el líquido iónico en la cámara CV, sumerja los electrodos en el líquido y asegúrese de que la cámara esté sellada. Equilibre la muestra a la primera temperatura de medición durante 20 minutos y luego barra el potencial a una velocidad de un milivoltio por segundo entre 0,2 voltios negativos y 6,5 voltios. El primero es el potencial de referencia de litio de iones de litio.

Repita esta medición para cada temperatura deseada. Antes de comenzar la fabricación de la batería, seque el TFSI de litio durante tres días en un horno de vacío a 70 grados centígrados. Seque el líquido iónico que se va a probar a alto vacío a 100 grados centígrados durante 24 horas mientras se agita vigorosamente.

Lleve los líquidos secos y un matraz secado al horno y la barra para revolver a una guantera. Coloque 6,4 milimoles de líquido iónico y litio TFSI en el matraz. Remover la mezcla durante la noche para obtener una mezcla homogénea con una concentración de electrolitos de 1,6 molares.

Seque los componentes del hardware de la pila de botón y un electrodo de óxido de litio y cobalto de 12,7 milímetros de diámetro a 70 grados centígrados durante la noche antes de transferirlos a la guantera. Coloque un resorte y un disco de acero inoxidable en la tapa inferior de la celda de monedas. Coloque el electrodo en el disco de acero.

Caliente la mezcla de electrolitos a 60 grados centígrados en una placa caliente y remoje dos separadores de membrana de polipropileno en la mezcla mientras revuelve durante 15 minutos. Cubra la superficie del cátodo de óxido de litio y cobalto con aproximadamente 0,5 mililitros de la mezcla de electrolitos y luego coloque ambos separadores en el centro de la celda de moneda. Coloque unas gotas de la mezcla de electrolitos encima de los separadores, asegurándose de que todas las grietas de la celda estén llenas.

Caliente el cátodo cubierto de electrolito a 60 grados centígrados durante 15 minutos. Corte una pieza de litio metálico de 0,75 milímetros de espesor de 12,7 milímetros de diámetro y colóquela en los separadores empapados de electrolitos. Tape la celda de la moneda y séllela con una engarza.

Retire la celda de la guantera y deje que la celda se asiente durante 12 horas. Para probar el rendimiento de la batería a altas temperaturas, pase los cables de una estación de pruebas electroquímicas a la pared posterior de un horno. Conecte la pila de monedas a la estación de prueba en el horno y deje la celda en el horno durante 30 minutos para que se equilibre a la temperatura del horno.

En la estación de prueba, seleccione el ciclo de carga-descarga galvanostático y ajuste el número de ciclo a 500. Configure los parámetros de carga y descarga y los tiempos de descanso y, a continuación, inicie el ciclo de carga-descarga para evaluar la salida de carga a lo largo del tiempo. Se evaluaron cuatro líquidos iónicos a base de fosfonio para su uso en baterías de iones de litio a altas temperaturas.

El análisis termogravimétrico mostró que las temperaturas de descomposición oscilaron entre 340 y 385 grados Celsius. Los líquidos iónicos basados en TFSI eran menos viscosos, lo que los hacía más adecuados para llenar completamente los poros y las grietas de los componentes de la batería. Las mediciones de voltamperometría cíclica de mono y di-hexC10TFSI con litio-TFSI en presencia del cátodo de óxido de litio y cobalto mostraron los picos redox esperados de óxido de litio y cobalto.

Para ambos líquidos, la corriente aumentó significativamente con la temperatura. La mezcla mono-hexadecimal C10TFSI mostró una mayor respuesta de corriente a todas las temperaturas. Las pruebas de ciclo de carga y descarga de baterías de celda de botón que contenían mono-hexC10TFSI a 100 grados Celsius mostraron que la disminución de la capacidad de la batería era rápida a bajas concentraciones de litio TFSI.

A concentraciones más cercanas al punto de saturación, la disminución de la capacidad se redujo a aproximadamente el diez por ciento después de 20 ciclos. Se realizó una prueba de ciclo de carga-descarga galvanostática extendida de una batería de celda de botón que contenía TFSI de 1,6 molar y TFSI monohexadecimal 10TFSI a 100 grados Celsius. La capacidad de la batería era inicialmente de unos 135 miliamperios hora por gramo.

Después de un mes, la capacidad había disminuido a 70 miliamperios hora por gramo. Al intentar este procedimiento, es importante secar completamente todos los componentes de la batería, como el electrolito y los electrodos, antes del ensamblaje de la celda. Además, al ensamblar la celda de botón, se debe tener cuidado de recubrir el cátodo y el separador con los electrolitos.

Después de ver este vídeo, debería ser capaz de sintetizar electrolitos líquidos iónicos y fabricar baterías de iones de litio. Se debe tener cuidado al manipular los líquidos iónicos, ya que sus altas viscosidades plantean desafíos de manejo adicionales en comparación con los electrolitos estándar.