Synthèse du liquide ionique à base de Electrolytes, Assemblée des batteries Li-ion, et des mesures de performance à haute température

L'objectif général de cette procédure est d'assembler une batterie au lithium fonctionnant à haute température, utilisant un électrolyte liquide ionique à base de phosphonium non inflammable et thermiquement stable, contenant du bis(trifluorométhanesulfonamide) de lithium. Cette méthode répond aux défis clés dans le domaine du stockage d'énergie à haute température, en particulier aux problèmes de sécurité liés à l'utilisation d'électrolytes conventionnels dans les batteries au lithium. Le principal avantage de cette technique réside dans son approche permettant de synthétiser et de caractériser des électrolytes thermiquement stables, ainsi que de concevoir des batteries au lithium fonctionnant à haute température.

Bien que cette méthode offre des aperçus sur la conception rationnelle d'électrolytes liquides biomimétiques optimisés pour les batteries lithium-ion, elle peut également être appliquée aux supercondensateurs et à d'autres dispositifs de stockage d'énergie. En général, les personnes novices dans cette méthode éprouvent des difficultés, car les mesures doivent être effectuées sous atmosphère inerte avec des matériaux extrêmement secs. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car l'introduction de liquides biomimétiques dans les batteries est complexe en raison de leur forte viscosité.

Dans une boîte à gants remplie d'argon, utiliser des pipettes en verre pour verser 8,3 grammes de trihexylphosphène et 5,22 grammes de 1-chlorodécane dans un récipient en verre épais préalablement séché au four et muni d'un barreau aimanté. Boucher le récipient avec un joint en PTFE et agiter une heure sous argon à 140 degrés Celsius pendant 24 heures. Éliminer les composés volatils sous vide à 140 degrés pour obtenir le chlorure de mono-hexé-10 brut.

Extraire le mono-hexe-10-chlorure dans le DCM trois fois avec des portions de dix millilitres d'un mélange un pour un de DCM et de saumure. Éliminer les composés volatils de la phase DCM afin d'isoler le produit mono-hexe-10-chlorure. Ensuite, dissoudre 6,25 grammes de TFSI de lithium dans dix millilitres d'eau déionisée.

Ensuite, dissoudre 7,75 grammes de mono-hexe-10-chlorure dans dix millilitres de DCM. Ajouter la solution de TFSI. Boucher le récipient et agiter le mélange à température ambiante pendant 24 heures pour obtenir le mono-hexe-10-TFSI brut.

Extraire le mono-hexe-10-TFSI dans 20 millilitres de DCM trois fois. Vérifier la présence de chlorure en ajoutant une à deux gouttes d'une solution normale de nitrate d'argent à un millilitre de la phase DCM. Répéter l'extraction si du chlorure d'argent est observé sous forme de précipité blanc.

Ensuite, séchez la solution de mono-hexe-10-TFSI avec un gramme de sulfate de magnésium anhydre. Décantez la solution sèche et éliminez le solvant à l'aide d'un évaporateur rotatif pour isoler le produit. Pour synthétiser les analogues di-phosphonium, suivez cette procédure en utilisant le 1,10-dichlorodécane et ajustez proportionnellement ses rapports molaires.

Pour effectuer des mesures de viscosité, installez un rhéomètre à contrainte contrôlée dans une enceinte à gants remplie d'azote. Déposez un millilitre du liquide ionique sur le plateau Peltier du rhéomètre en veillant à ce que la plaque d'aluminium soit entièrement recouverte. Réglez l'écart entre l'échantillon et une plaque d'aluminium parallèle de 20 millimètres de diamètre à un à deux millimètres pour tous les essais.

Pré-cisaillez l'échantillon à une vitesse de cisaillement de 100 hertz pendant dix secondes, puis effectuez une étape d'équilibre de 15 minutes. Déterminez ensuite la région linéaire viscoélastique ou LVR par une analyse oscillatoire en déformation à fréquence fixe de un hertz, avec une amplitude de déformation variant de 0,1 à 10 %. Sélectionnez une déformation comprise dans la LVR et effectuez une analyse oscillatoire en fréquence allant de 0,1 à 10 hertz.

Déterminez la viscosité complexe à une fréquence et une déformation choisies. Ensuite, à cette fréquence et cette déformation, effectuez un balayage oscillatoire en température de 10 à 95 degrés Celsius par incréments de cinq degrés, avec une minute d'équilibre à chaque température. Pour mesurer la conductivité de l'échantillon, commencez par sécher le liquide ionique à 100 degrés Celsius sous vide pendant 12 heures.

Placer environ quatre millilitres du liquide ionique dans un tube à essai. Insérer la sonde de conductivité et ajouter davantage d'échantillon au besoin pour recouvrir complètement le capteur de la sonde. Chauffer l'échantillon jusqu'à la première température de mesure tout en agitant.

Équilibrez l'échantillon à cette température pendant 30 minutes, puis relevez la conductivité. Répétez ce processus pour chaque point de température. Ensuite, mettez en place un dispositif à trois électrodes au lithium-lithium platine pour une voltampérométrie cyclique dans la boîte à gants.

Placer le liquide ionique dans la chambre de voltampérométrie cyclique, immerger les électrodes dans le liquide et s'assurer que la chambre est hermétiquement fermée. Équilibrer l'échantillon à la première température de mesure pendant 20 minutes, puis balayer le potentiel à une vitesse d'un millivolt par seconde entre -0,2 volt et 6,5 volts. Le premier correspond au potentiel de référence de l'ion lithium.

Répétez cette mesure pour chaque température souhaitée. Avant de commencer la fabrication de la batterie, séchez le TFSI de lithium pendant trois jours dans une étuve sous vide à 70 degrés Celsius. Séchez le liquide ionique à tester sous vide poussé à 100 degrés Celsius pendant 24 heures en agitant vigoureusement.

Introduire dans une boîte à gants les liquides secs, un ballon préalablement séché au four et une barre d'agitation. Placer dans le ballon 6,4 millimoles de liquide ionique et 6,4 millimoles de TFSI de lithium. Agiter le mélange toute la nuit afin d'obtenir un mélange homogène à une concentration d'électrolyte de 1,6 molaire.

Séchez les composants du boîtier de la pile bouton et une électrode d'oxyde de cobalt de lithium de 12,7 millimètres de diamètre à 70 degrés Celsius pendant toute une nuit avant de les transférer dans la boîte à gants. Placez un ressort et un disque en acier inoxydable dans le capuchon inférieur de la pile bouton. Placez l'électrode sur le disque en acier.

Chauffer le mélange d'électrolyte à 60 degrés Celsius sur un bloc chauffant et y faire tremper deux séparateurs en membrane de polypropylène sous agitation pendant 15 minutes. Recouvrir la surface de la cathode à base d'oxyde de cobalt et de lithium d'environ 0,5 millilitre de mélange d'électrolyte, puis placer les deux séparateurs au centre de la pile bouton. Déposer quelques gouttes de mélange d'électrolyte sur le dessus des séparateurs, en veillant à ce que toutes les interstices de la pile soient bien remplis.

Chauffer la cathode recouverte d'électrolyte à 60 degrés Celsius pendant 15 minutes. Découper un morceau de métal lithium de 12,7 millimètres de diamètre et d'une épaisseur de 0,75 millimètre, puis placer le métal sur les séparateurs imprégnés d'électrolyte. Fermer la pile bouton et l'hermétiser à l'aide d'une presse à sceller.

Retirer la pile du boîtier à gants et laisser reposer la pile pendant 12 heures. Pour tester les performances de la batterie à haute température, faire passer des câbles provenant d'une station d'essai électrochimique à travers le mur arrière d'un four. Connecter la pile bouton à la station d'essai située dans le four et laisser la pile dans le four pendant 30 minutes afin qu'elle s'équilibre à la température du four.

À la station de test, sélectionnez le cyclage galvanostatique de charge-décharge et réglez le nombre de cycles sur 500. Réglez les paramètres de charge et de décharge ainsi que les durées de repos, puis lancez le cyclage charge-décharge afin d'évaluer le rendement en charge en fonction du temps. Quatre liquides ioniques à base de phosphonium ont été évalués pour une utilisation dans des batteries lithium-ion à haute température.

L'analyse thermogravimétrique a montré que les températures de décomposition variaient entre 340 et 385 degrés Celsius. Les liquides ioniques à base de TFSI étaient moins visqueux, ce qui les rend plus adaptés au remplissage complet des pores et des interstices des composants de la batterie. Les mesures de voltammétrie cyclique du mono- et di-hexC10TFSI avec du TFSI de lithium en présence de la cathode d'oxyde de cobalt de lithium ont révélé les pics redox attendus de l'oxyde de cobalt de lithium.

Pour les deux liquides, le courant a augmenté significativement avec la température. Le mélange mono-hexC10TFSI a présenté une réponse en courant plus élevée à toutes les températures. Les tests de cyclage de charge-décharge de batteries bouton contenant le mono-hexC10TFSI à 100 degrés Celsius ont montré que la décroissance de la capacité de la batterie était rapide à faible concentration de TFSI de lithium.

À des concentrations plus proches du point de saturation, la décroissance de capacité a été réduite à environ dix pour cent après 20 cycles. Un test prolongé de cyclage galvanostatique en charge-décharge d'une pile bouton contenant du TFSI 1,6 molaire et du mono-hexC10TFSI a été effectué à 100 degrés Celsius. La capacité de la pile était initialement d'environ 135 milliampères-heures par gramme.

Après un mois, la capacité avait diminué à 70 milliampères-heures par gramme. Lors de la mise en œuvre de cette procédure, il est important de bien sécher tous les composants de la batterie, tels que l'électrolyte et les électrodes, avant l'assemblage de la cellule. En outre, lors de l'assemblage de la pile bouton, il faut veiller à bien recouvrir la cathode et le séparateur avec l'électrolyte.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez être en mesure de synthétiser des électrolytes à base de liquides ioniques et de fabriquer des batteries lithium-ion. Une attention particulière doit être portée lors de la manipulation des liquides ioniques, car leur forte viscosité pose des défis supplémentaires par rapport aux électrolytes standards.