סינתזה של אלקטרוליטים מבוססים נוזלים יוניים, הרכבה של סוללות Li-ion, ומדידות של ביצועים בטמפרטורה גבוהה

המטרה הכוללת של הליך זה היא להרכיב סוללת ליתיום יון מתפקדת בטמפרטורה גבוהה המשתמשת באלקטרוליט נוזלי יונים מבוסס פוספוניום שאינו דליק ויציב תרמית המכיל ליתיום ביס טריפלואורומתאן סולפונמיד. שיטה זו נותנת מענה לאתגרים מרכזיים בתחום אחסון אנרגיה בטמפרטורה גבוהה, במיוחד בעיות הבטיחות בשימוש באלקטרוליטים קונבנציונליים בסוללות ליתיום-יון. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא מספקת גישה לסנתז ולאפיין אלקטרוליטים יציבים תרמית ולבניית סוללות ליתיום יון המתפקדות בטמפרטורה גבוהה.

למרות ששיטה זו מספקת תובנה לגבי אלקטרוליטים נוזליים ביוניים בעיצוב רציונלי המותאמים לסוללות ליתיום-יון, ניתן ליישם אותה גם על קבלי-על והתקני אחסון אנרגיה אחרים. בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה זו נאבקים מכיוון שהמדידות יילקחו באטמוספירה אינרטית עם חומרים יבשים במיוחד. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שהכנסת נוזלים ביוניים לסוללות היא מאתגרת בשל הצמיגות הגבוהה שלהן.

בתא כפפות מלא ארגון, השתמש בפיפטות זכוכית כדי להוציא 8.3 גרם של טריהקסיל פוספן ו-5.22 גרם של 1-כלורודקן לתוך כלי לחץ קיר כבד מיובש בתנור המכיל מוט ערבוב. מכסים את הכלי בתותב PTFE ומערבבים את התערובת מתחת לארגון בחום של 140 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות. הסר חומרים נדיפים בוואקום ב-140 מעלות כדי להשיג מונו-הקס-10-כלוריד גולמי.

חלץ את המונו-הקס-10-כלוריד לתוך DCM שלוש פעמים עם עשרה מנות מיליליטר של תערובת אחד לאחד של DCM ומי מלח. הסר חומרים נדיפים משלב ה-DCM כדי לבודד את תוצר המונו-הקס-10-כלוריד. לאחר מכן, ממיסים 6.25 גרם ליתיום TFSI בעשרה מיליליטר מים נטולי יונים.

לאחר מכן, ממיסים 7.75 גרם מונו-הקס-10-כלוריד בעשרה מיליליטר DCM. הוסף את פתרון TFSI. מכסים את המיכל ומערבבים את התערובת בטמפרטורת החדר למשך 24 שעות לקבלת מונו-הקס-10-TFSI גולמי.

חלץ את ה-mono-hexe-10-TFSI ל-20 מיליליטר של DCM שלוש פעמים. בדוק נוכחות של כלוריד על ידי הוספת טיפה אחת עד שתיים של תמיסת כסף חנקתית רגילה אחת למיליליטר אחד של שלב ה-DCM. חזור על המיצוי אם נצפה כלוריד כסף כמשקע לבן.

לאחר מכן, יבש את תמיסת mono-hexe-10-TFSI עם גרם אחד של מגנזיום גופרתי נטול מים. רוקנים את התמיסה המיובשת ומסירים את הממס בעזרת מאייד סיבובי כדי לבודד את המוצר. כדי לסנתז את האנלוגים של די-פוספוניום, בצע הליך זה באמצעות 1, 10-דיכלורודקן והתאם כראוי את היחסים המולאריים שלו.

כדי לבצע מדידות צמיגות, הגדר ריאומטר מתח מבוקר בשקית כפפות מלאה בגז חנקן. הנח מיליליטר אחד של הנוזל היוני על שלב פלטייר של הריאומטר וודא שלוחית האלומיניום מכוסה במלואה. הגדר את הפער בין הדגימה ללוח אלומיניום מקביל בקוטר 20 מילימטר להיות מילימטר עד שני מילימטר בכל ריצות הבדיקה.

גזור מראש את הדגימה בקצב גזירה של 100 הרץ למשך עשר שניות ולאחר מכן בצע שלב שיווי משקל של 15 דקות. לאחר מכן, קבע את האזור הויסקו-אלסטי הליניארי או LVR עם טאטא מתח תנודתי בתדר קבוע של הרץ אחד עם משרעת מתח בין 0.1 לעשרה אחוזים. בחר זן בתוך ה-LVR ובצע סריקת תדרים תנודתית מ-0.1 עד עשרה הרץ.

קבע את הצמיגות המורכבת בתדר ובמתח שנבחרו. לאחר מכן, בתדר ובמתח זה, בצע סריקת טמפרטורה תנודתית מעשר עד 95 מעלות צלזיוס במרווחים של חמש מעלות עם דקה אחת של שיווי משקל בכל טמפרטורה. כדי למדוד את מוליכות הדגימה, יבש תחילה את הנוזל היוני ב-100 מעלות צלזיוס בוואקום למשך 12 שעות.

מניחים כארבעה מיליליטר מהנוזל היוני במבחנה. הכנס את בדיקת המוליכות והוסף דגימה נוספת לפי הצורך כדי לכסות את חיישן הבדיקה לחלוטין. מחממים את הדגימה לטמפרטורת המדידה הראשונה תוך כדי ערבוב.

אזנו את הדגימה בטמפרטורה זו למשך 30 דקות ולאחר מכן קחו את קריאת המוליכות. חזור על תהליך זה עבור כל נקודת טמפרטורה. לאחר מכן, הגדר מכלול וולטמטריה מחזורית של ליתיום-ליתיום פלטינה שלוש אלקטרודות בתא הכפפות.

הנח את הנוזל היוני בתא קורות החיים, טבל את האלקטרודות בנוזל וודא שהתא אטום. אזנו את הדגימה בטמפרטורת המדידה הראשונה למשך 20 דקות ולאחר מכן טאטו את הפוטנציאל בקצב של מילי-וולט אחד לשנייה בין שלילי 0.2 וולט ל-6.5 וולט. הראשון הוא פוטנציאל הייחוס של ליתיום יון

חזור על מדידה זו עבור כל טמפרטורה רצויה. לפני תחילת ייצור הסוללה, יבש את הליתיום TFSI במשך שלושה ימים בתנור ואקום בחום של 70 מעלות צלזיוס. יבש את הנוזל היוני לבדיקה בוואקום גבוה ב-100 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות תוך ערבוב נמרץ.

הכניסו גם נוזלים יבשים וגם בקבוק מיובש בתנור וערבבו אותו לתא כפפות. מניחים 6.4 מילימול כל אחד מהנוזל היוני והליתיום TFSI בבקבוק. ערבבו את התערובת למשך הלילה לקבלת תערובת הומוגנית עם ריכוז אלקטרוליטים של 1.6 מולארי.

יבש את רכיבי החומרה של תא המטבע ואלקטרודת תחמוצת ליתיום קובלט בקוטר 12.7 מילימטר ב-70 מעלות צלזיוס למשך הלילה לפני העברתם לתא הכפפות. הנח קפיץ אחד ודיסק נירוסטה במכסה התחתון של תא המטבע. הנח את האלקטרודה בדיסק הפלדה.

מחממים את תערובת האלקטרוליטים ל-60 מעלות צלזיוס על פלטה חמה ומשרים בתערובת שני מפרידי ממברנות פוליפרופילן תוך כדי ערבוב במשך 15 דקות. מכסים את פני השטח של קתודה תחמוצת ליתיום קובלט בכ- 0.5 מיליליטר מתערובת האלקטרוליטים ולאחר מכן מניחים את שני המפרידים במרכז תא המטבע. הניחו כמה טיפות מתערובת האלקטרוליטים על גבי המפרידים, וודאו שכל הסדקים בתא מלאים.

מחממים את הקתודה המכוסה באלקטרוליטים ל 60 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות. גזרו חתיכה בקוטר 12.7 מילימטר של מתכת ליתיום בעובי 0.75 מילימטר והניחו את המתכת על המפרידים הספוגים באלקטרוליטים. כסו את תא המטבע ואטמו אותו בעזרת מלחץ.

הסר את התא מתא הכפפות ואפשר לתא לשבת במשך 12 שעות. כדי לבדוק את ביצועי הסוללה בטמפרטורות גבוהות, השחילו כבלים מתחנת בדיקה אלקטרוכימית לקיר האחורי של תנור. חבר את תא המטבע לתחנת הבדיקה בתנור והשאיר את התא בתנור למשך 30 דקות כדי להתייצב לטמפרטורת התנור.

בתחנת הבדיקה, בחר רכיבה על אופניים לפריקת מטען גלוונוסטטי והגדר את מספר המחזור ל-500. הגדר את פרמטרי הטעינה והפריקה וזמני המנוחה ולאחר מכן התחל את מחזור פריקת הטעינה כדי להעריך את תפוקת הטעינה לאורך זמן. ארבעה נוזלים יוניים מבוססי פוספוניום הוערכו לשימוש בסוללות ליתיום-יון בטמפרטורות גבוהות.

ניתוח תרמוגרבימטרי הראה כי טמפרטורות הפירוק נעו בין 340 ל-385 מעלות צלזיוס. הנוזלים היונים מבוססי TFSI היו פחות צמיגים, מה שהופך אותם למתאימים יותר למילוי מלא של נקבוביות וסדקים ברכיבי הסוללה. מדידות וולטמטריה מחזוריות של מונו ו-di-hexC10TFSI עם ליתיום-TFSI בנוכחות קתודה תחמוצת ליתיום קובלט הראו את שיאי החמצון הצפויים של תחמוצת ליתיום קובלט

עבור שני הנוזלים, הזרם גדל משמעותית עם הטמפרטורה. תערובת mono-hexC10TFSI הראתה תגובת זרם גבוהה יותר לכל הטמפרטורות. בדיקות רכיבה על אופניים של סוללות תאי מטבע המכילות mono-hexC10TFSI ב-100 מעלות צלזיוס הראו כי דעיכת קיבולת הסוללה הייתה מהירה בריכוזים נמוכים של ליתיום TFSI.

בריכוזים קרובים יותר לנקודת הרוויה, דעיכת הקיבולת הצטמצמה לכעשרה אחוזים לאחר 20 מחזורים. בדיקת רכיבה מורחבת של פריקת מטען גלוונוסטטי של סוללת תא מטבע המכילה 1.6 TFSI מולארי ומונו-hexC10TFSI בוצעה ב-100 מעלות צלזיוס. קיבולת הסוללה הייתה בתחילה כ-135 מיליאמפר שעה לגרם.

לאחר חודש, הקיבולת ירדה ל-70 מיליאמפר שעות לגרם. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לייבש היטב את כל רכיבי הסוללה כגון האלקטרוליט והאלקטרודות לפני הרכבת התא. יתר על כן, בעת הרכבת תא המטבע, יש להקפיד על ציפוי הקתודה והמפריד באלקטרוליטים.

לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות מסוגל לסנתז אלקטרוליטים נוזליים יוניים ולייצר סוללות ליתיום יון. יש לנקוט בזהירות בעת הטיפול בנוזלים היונים מכיוון שהצמיגות הגבוהה שלהם מציבה אתגרי טיפול נוספים בהשוואה לאלקטרוליטים סטנדרטיים.