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 iónico a base de fosfonio, no inflamable y térmicamente estable, que contenga bis(trifluorometanosulfonamida) de litio. Este método aborda los desafíos clave en el campo del almacenamiento de energía a alta temperatura, específicamente los problemas de seguridad asociados 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 puede aplicarse a supercondensadores y otros dispositivos de almacenamiento de energía. En general, las personas nuevas en este método tienen dificultades porque las mediciones se realizan bajo 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 complicada debido a su alta viscosidad.

En una caja de guantes llena de argón, use pipetas de vidrio para dispensar 8,3 gramos de trifosfeno hexilo y 5,22 gramos de 1-clorodecano en un recipiente de presión de pared gruesa secado en horno que contiene una barra de agitación. Tape el recipiente con una brida de PTFE y agite la mezcla bajo argón a 140 grados Celsius durante 24 horas. Elimine los volátiles bajo vacío a 140 grados para obtener el mono-hexe-10-cloruro crudo.

Extraiga el mono-hexe-10-cloruro 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 de DCM para aislar el producto de mono-hexe-10-cloruro. A continuación, disuelva 6,25 gramos de TFSI de litio en diez mililitros de agua desionizada.

Luego, disuelva 7,75 gramos de mono-hexe-10-cloruro en diez mililitros de DCM. Añada la solución de TFSI. Tape el recipiente y agite la mezcla a temperatura ambiente durante 24 horas para obtener el producto crudo mono-hexe-10-TFSI.

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

Luego, seque la solución de mono-hexe-10-TFSI con un gramo de sulfato de magnesio anhidro. Decante la solución seca y elimine el disolvente mediante un evaporador rotatorio para aislar el producto. Para sintetizar los análogos di-fosfonio, siga este procedimiento utilizando 1,10-diclorodecano y ajuste adecuadamente sus relaciones molares.

Para realizar mediciones de viscosidad, configure un reómetro de deformación controlada dentro de una bolsa de guantes llenada con gas nitrógeno. Coloque un mililitro del líquido iónico sobre la platina Peltier del reómetro asegurándose de que la placa de aluminio quede completamente cubierta. Establezca la separación entre la muestra y una placa paralela de aluminio de 20 milímetros de diámetro en uno a dos milímetros en todos los ensayos.

Someta la muestra a una pre-cizalladura 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 mediante un barrido oscilatorio de deformación a una frecuencia fija de un hercio con una amplitud de deformación del 0,1 al 10 por ciento. Seleccione una deformación dentro de la LVR y realice un barrido oscilatorio de frecuencia desde 0,1 hasta diez hercios.

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

Coloque aproximadamente cuatro mililitros del líquido iónico en un tubo de ensayo. Introduzca la sonda de conductividad y agregue más muestra según sea necesario para cubrir completamente el sensor de la sonda. Caliente la muestra hasta la primera temperatura de medición mientras 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, prepare un montaje de voltametría cíclica con electrodos de litio-litio y platino en la caja de guantes.

Coloque el líquido iónico en la cámara de voltametría cíclica, 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 varíe el potencial a una velocidad de un milivoltio por segundo entre -0,2 voltios y 6,5 voltios. El primero es el potencial de referencia del ion litio 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 al vacío a 70 grados Celsius. Seque el líquido iónico que se va a probar bajo alto vacío a 100 grados Celsius durante 24 horas mientras agita vigorosamente.

Lleve ambos líquidos secos y un matraz y barra de agitación secos en horno al interior de una caja de guantes. Coloque 6,4 milimoles de cada uno, el líquido iónico y el TFSI de litio, en el matraz. Agite la mezcla durante la noche para obtener una mezcla homogénea con una concentración de electrolito de 1,6 molar.

Seque los componentes del hardware de la celda tipo moneda y un electrodo de óxido de cobalto y litio de 12,7 milímetros de diámetro a 70 grados Celsius durante la noche antes de transferirlos a la caja de guantes. Coloque un resorte y un disco de acero inoxidable en la tapa inferior de la celda tipo moneda. Coloque el electrodo sobre el disco de acero.

Caliente la mezcla de electrolito a 60 grados Celsius en una placa calefactora y sumerja dos separadores de membrana de polipropileno en la mezcla mientras agita durante 15 minutos. Cubra la superficie del cátodo de óxido de litio y cobalto con aproximadamente 0,5 mililitros de la mezcla de electrolito y luego coloque ambos separadores en el centro de la celda tipo moneda. Añada unas gotas de la mezcla de electrolito sobre los separadores, asegurándose de que todas las hendiduras de la celda queden llenas.

Caliente el cátodo cubierto con electrolito a 60 grados Celsius durante 15 minutos. Corte un trozo de metal de litio de 12,7 milímetros de diámetro y 0,75 milímetros de espesor y coloque el metal sobre los separadores impregnados con electrolito. Coloque la tapa en la celda tipo moneda y séllela con una prensa.

Retire la celda del box de guantes y deje que repose durante 12 horas. Para probar el rendimiento de la batería a altas temperaturas, pase cables desde una estación de pruebas electroquímicas hasta la pared trasera de un horno. Conecte la celda tipo moneda a la estación de pruebas dentro del horno y deje la celda en el horno durante 30 minutos para que se equilibre a la temperatura del horno.

En la estación de pruebas, seleccione ciclado galvanostático de carga-descarga y configure el número de ciclos en 500. Establezca los parámetros de carga y descarga, así como los tiempos de reposo, y luego inicie el ciclado de carga-descarga para evaluar la salida de carga a lo largo del tiempo. Se evaluaron cuatro líquidos iónicos basados en 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 fueron menos viscosos, lo que los hace más adecuados para llenar completamente los poros y grietas en los componentes de la batería. Las mediciones de voltametría cíclica de mono y di-hexC10TFSI con TFSI de litio en presencia del cátodo de óxido de cobalto de litio mostraron los picos redox esperados del óxido de cobalto de litio.

Para ambos líquidos, la corriente aumentó significativamente con la temperatura. La mezcla de mono-hexC10TFSI mostró una respuesta de corriente más alta a todas las temperaturas. Las pruebas de ciclado de carga-descarga en baterías de botón que contenían mono-hexC10TFSI a 100 grados Celsius mostraron que la disminución de la capacidad de la batería fue rápida a bajas concentraciones de TFSI de litio.

En concentraciones más cercanas al punto de saturación, la degradación de la capacidad se redujo a aproximadamente un diez por ciento después de 20 ciclos. Se realizó una prueba prolongada de ciclado galvanostático de carga-descarga en una batería de botón que contenía TFSI 1,6 molar y mono-hexC10TFSI a 100 grados Celsius. Inicialmente, la capacidad de la batería fue de aproximadamente 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 tipo moneda, debe tenerse cuidado de recubrir el cátodo y el separador con el electrolito.

Después de ver este video, usted debería ser capaz de sintetizar electrolitos de líquidos iónicos y fabricar baterías de iones de litio. Se debe tener cuidado al manipular los líquidos iónicos, ya que su alta viscosidad representa desafíos adicionales en su manejo en comparación con los electrolitos estándar.