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

L’objectif global de cette procédure est d’assembler une batterie lithium-ion fonctionnant à haute température qui utilise un électrolyte liquide ionique à base de phosphonium ininflammable et thermiquement stable contenant du sulfonamide de lithium bis trifluorométhane. Cette méthode répond à des défis clés dans un domaine de stockage d’énergie à haute température, en particulier les problèmes de sécurité liés à l’utilisation d’électrolytes conventionnels dans les batteries lithium-ion. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet de synthétiser et de caractériser des électrolytes thermiquement stables et de construire des batteries lithium-ion fonctionnant à haute température.

Bien que cette méthode donne un aperçu de la conception rationnelle d’électrolytes liquides bioniques optimisés pour les batteries lithium-ion, elle peut également être appliquée aux supercondensateurs et autres dispositifs de stockage d’énergie. Généralement, les personnes novices dans cette méthode ont du mal car les mesures seront prises sous atmosphère inerte avec des matériaux extrêmement secs. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle car l’introduction de liquides bioniques dans les batteries est difficile en raison de leur viscosité élevée.

Dans une boîte à gants remplie d’argon, utilisez des pipettes en verre pour distribuer 8,3 grammes de phosphène de trihexyle et 5,22 grammes de 1-chlorodécane dans un récipient sous pression à paroi épaisse séché au four contenant une barre d’agitation. Fermez le récipient avec une douille en PTFE et mélangez le mélange sous l’argon à 140 degrés Celsius pendant 24 heures. Éliminer les substances volatiles sous vide à 140 degrés pour obtenir du chlorure de mono-hexe-10 brut.

Extrayez le chlorure de mono-hexe-10 dans le DCM trois fois avec des portions de dix millilitres d’un mélange de DCM et de saumure. Éliminer les substances volatiles de la phase DCM pour isoler le produit mono-hexe-10-chlorure. Ensuite, dissolvez 6,25 grammes de lithium TFSI dans dix millilitres d’eau déminéralisée.

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

Extrayez le mono-hexe-10-TFSI dans 20 millilitres de DCM trois fois. Testez la présence de chlorure en ajoutant une à deux gouttes d’une solution normale de nitrate d’argent à un millilitre de phase DCM. Répétez l’extraction si le 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 séchée et éliminez le solvant à l’aide d’un évaporateur rotatif pour isoler le produit. Pour synthétiser les analogues du diphosphonium, suivez cette procédure à l’aide du 1,10-dichlorodécane et ajustez correctement ses rapports molaires.

Pour effectuer des mesures de viscosité, installez un rhéomètre de contrainte contrôlée dans un sac à gants rempli d’azote gazeux. Placez un millilitre de liquide ionique sur la platine 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 dans toutes les séries d’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. Ensuite, déterminez la région viscoélastique linéaire ou LVR avec un balayage de déformation oscillatoire à une fréquence fixe de un Hertz avec une amplitude de déformation de 0,1 à dix pour cent. Sélectionnez une souche dans le LVR et effectuez un balayage de fréquence oscillatoire de 0,1 à dix Hertz.

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

Placez environ quatre millilitres de liquide ionique dans un tube à essai. Insérez la sonde de conductivité et ajoutez plus d’échantillon si nécessaire pour couvrir complètement le capteur de sonde. Chauffez l’échantillon à la première température de mesure tout en agitant.

Équilibrez l’échantillon à cette température pendant 30 minutes, puis prenez la mesure de conductivité. Répétez ce processus pour chaque point de température. Ensuite, installez un ensemble de voltampérométrie cyclique lithium-lithium platine à trois électrodes dans la boîte à gants.

Placez le liquide ionique dans la chambre CV, immergez les électrodes dans le liquide et assurez-vous que la chambre est scellée. Équilibrez l’échantillon à la première température de mesure pendant 20 minutes, puis balayez le potentiel à une vitesse d’un millivolt par seconde entre moins 0,2 volts et 6,5 volts. Le premier est le potentiel de référence lithium-ion.

Répétez cette mesure pour chaque température souhaitée. Avant de commencer la fabrication de la batterie, faites sécher le lithium TFSI pendant trois jours dans un four sous vide à 70 degrés Celsius. Faites sécher le liquide ionique à tester sous vide poussé à 100 degrés Celsius pendant 24 heures en remuant vigoureusement.

Apportez les liquides secs et une fiole séchée au four et remuez la barre dans une boîte à gants. Placez 6,4 millimoles de liquide ionique et de lithium TFSI dans la fiole. Remuez le mélange pendant la nuit pour obtenir un mélange homogène avec une concentration molaire d’électrolytes de 1,6

Faites sécher les composants de la pile bouton et une électrode d’oxyde de lithium et de cobalt de 12,7 millimètres de diamètre à 70 degrés Celsius pendant la 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 dans le disque d’acier.

Chauffez le mélange d’électrolytes à 60 degrés Celsius sur une plaque chauffante et trempez deux séparateurs à membrane en polypropylène dans le mélange tout en remuant pendant 15 minutes. Couvrez la surface de la cathode d’oxyde de lithium et de cobalt avec environ 0,5 millilitre du mélange d’électrolytes, puis placez les deux séparateurs au centre de la pile bouton. Placez quelques gouttes du mélange d’électrolytes sur les séparateurs, en vous assurant que toutes les crevasses de la cellule sont remplies.

Chauffez la cathode recouverte d’électrolyte à 60 degrés Celsius pendant 15 minutes. Découpez un morceau de lithium métal de 12,7 millimètres de diamètre et de 0,75 millimètre d’épaisseur et placez le métal sur les séparateurs imbibés d’électrolyte. Boucher la pile bouton et la sceller à l’aide d’une pince à sertir.

Retirez la cellule de la boîte à gants et laissez-la reposer pendant 12 heures. Pour tester les performances de la batterie à haute température, enfilez les câbles d’une station d’essai électrochimique à la paroi arrière d’un four. Connectez la pile bouton à la station de test dans le four et laissez la cellule dans le four pendant 30 minutes pour s’équilibrer avec la température du four.

Sur la station d’essai, sélectionnez le cycle de charge-décharge galvanostatique et réglez le numéro de cycle sur 500. Réglez les paramètres de charge et de décharge et les temps de repos, puis démarrez le cycle de charge-décharge pour évaluer la sortie de charge au fil 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 de 340 à 385 degrés Celsius. Les liquides ioniques à base de TFSI étaient moins visqueux, ce qui les rendait mieux adaptés pour remplir complètement les pores et les crevasses des composants de la batterie. Les mesures de voltampérométrie cyclique de mono et di-hexC10TFSI avec lithium-TFSI en présence de la cathode d’oxyde de lithium et de cobalt ont montré les pics redox attendus d’oxyde de lithium et de cobalt.

Pour les deux liquides, le courant augmentait considérablement avec la température. Le mélange mono-hexC10TFSI a montré une réponse de courant plus élevée à toutes les températures. Des tests de cycles de charge-décharge de batteries à pile bouton contenant du mono-hexC10TFSI à 100 degrés Celsius ont montré que la décroissance de la capacité de la batterie était rapide à de faibles concentrations de lithium TFSI.

À des concentrations proches du point de saturation, la décroissance de la capacité a été réduite à environ 10 % après 20 cycles. Un test prolongé de cycle de charge-décharge galvanostatique d’une pile bouton contenant 1,6 molaire TFSI et mono-hexC10TFSI a été effectué à 100 degrés Celsius. La capacité de la batterie était initialement d’environ 135 milliampères-heures par gramme.

Au bout d’un mois, la capacité était tombée à 70 milliampères-heures par gramme. Lors 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. De plus, lors de l’assemblage de la pile bouton, il faut prendre soin d’enrober la cathode et le séparateur avec les électrolytes.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez être capable de synthétiser des électrolytes liquides ioniques et de fabriquer des batteries lithium-ion. Des précautions doivent être prises lors de la manipulation des liquides ioniques, car leurs viscosités élevées posent des défis de manipulation supplémentaires par rapport aux électrolytes standard.