Articolo metodologico

Sintesi di ionici liquido a base di elettroliti, Assemblea delle batterie agli ioni di litio, e le misure di prestazioni ad alta temperatura

DOI:

10.3791/54864

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20 dicembre 2016

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1Department of Chemistry, Boston University, 2Department of Biomedical Engineering, Boston University, 3Department of Medicine, Boston University

In questo articolo

Sommario

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Qui, descriviamo i protocolli per preparare elettroliti di liquido ionico a base di fosfonio e di sale di litio bis(trifluorometano)sulsommide e assemblare una batteria a bottone agli ioni di litio non infiammabile e funzionante ad alta temperatura.

Abstract

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L'instabilità chimica della elettrolita tradizionale rimane un problema di sicurezza nei dispositivi di accumulo di energia ampiamente usato come le batterie agli ioni di litio. Le batterie al litio per l'impiego in dispositivi che funzionano a temperature elevate richiedono elettroliti termicamente stabili e non infiammabili. I liquidi ionici (ILS), che sono non infiammabili, non volatile, termicamente stabili sali fusi, sono un sostituto ideale per infiammabili e basso punto di ebollizione elettroliti di solventi organici attualmente utilizzati oggi. Descriviamo qui le procedure: 1) sintetizzare liquidi ionici mono e di-fosfonio in coppia con cloruro o bis (trifluorometano) sulfonimide TFSI) anioni (; 2) misurare le proprietà termiche e della stabilità di questi liquidi ionici di calorimetria differenziale a scansione (DSC) e analisi gravimetrica termica (TGA); 3) misurare le proprietà elettrochimiche dei liquidi ionici di voltammetria ciclica (CV); 4) preparare gli elettroliti contenenti bis litio (trifluorometano) sulfamidico; 5) misurare la conductivity degli elettroliti in funzione della temperatura; 6) montare una batteria a moneta con due degli elettroliti oltre ad anodo metallico Li e LiCoO 2 catodo; e 7) valutare le prestazioni della batteria a 100 ° C. Abbiamo inoltre descrivono le sfide in esecuzione, nonché le conoscenze acquisite da eseguire questi esperimenti.

Introduzione

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batterie Li-ion sono dispositivi che trasformano l'energia tra energia elettrica e energia chimica e forniscono un mezzo conveniente per memorizzare e per fornire energia on demand e on-the-go. Oggi, le batterie agli ioni di litio dominano il mercato dell'elettronica portatile a causa della loro alta densità di energia e ri-esigibilità, e sono di interesse per le applicazioni su larga scala e speciali, come ad esempio il drill-down-hole e automotive. 1-5 batterie sono composte da quattro componenti principali: catodo, anodo, il separatore, e l'elettrolita. Mentre la chimica dei due elettrodi determina la densità di energia teorica della batteri....

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Protocollo

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1.Synthesis di mono- e di-fosfonio Liquidi ionici associati con cloruro (Cl) e Bis sulfonimide anioni (Trifluorometano) (TFSI)

NOTA: La procedura per la mono-fosfonio liquido ionico possedere tre esile e una catena alchilica decile circonda il catione di fosfonio è descritto, e questo liquido ionico è abbreviato come mono-HexC10Cl. La stessa procedura viene ripetuta usando 1,10-dichlorodecane avere la liquido ionico di-fosfonio con resa elevata, e questo liquido ionico è abbreviato come di-HexC10Cl.

  1. Mentre in un vano portaoggetti sotto argon, pesare trihexylphosphine (8,3 g, 29 mmol) utilizzando una pipetta di vetro, ed erogare....

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Risultati

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I liquidi ionici, mono-HexC10Cl e di-HexC10Cl, sono stati preparati mediante una reazione nucleofila, e una successiva reazione di scambio alogenuro concede il mono-HexC10TFSI e di-HexC10TFSI liquidi ionici, rispettivamente (Figura 1A). 14 Tutti e quattro i liquidi ionici sono liquidi incolori e leggermente viscoso (Figura 1B). Un rappresentante 1 H NMR del liquido ionico mono-HexC10TFSI è mostrato in Figura 1C, e c.......

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Discussione

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Il nostro approccio per sviluppare batterie Li-ion funzionali temperatura non infiammabile e ad alto comporta la sintesi di nuovi elettroliti liquidi ionici e la loro successiva valutazione nelle cellule della moneta prototipo. In particolare, mono-HexC10TFSI e di-HexC10TFSI elettroliti basati sono stati testati in una cella di monete in possesso di un anodo metallico Li e LiCoO 2 catodo. I passaggi critici all'interno di questo approccio sono: 1) identificare l'elettrolita piombo secondo un insieme d.......

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

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Questo articolo è stato supportato in parte da BU e dall'Advanced Energy Consortium:

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Olio siliconicoSigma-Aldrich85409
Idrossido di potassioSigma-Aldrich221473Corrosivo
Evaporatore rotanteBuchiR-124
Pompa per alto vuotoWelch8907
Azoto, purezza ultra elevata AirgasNI UHP300Gas compresso
Tetraidrofurano, stabilizzato con BHTPharmco-Aaper346000Infiammabile. Asciugato prima dell'uso.
DiclorometanoPharmco-Aaper313000Infiammabile, tossico.
Imbuto separatore (1 L)Fisher Scientific13-678-606
Solfato di sodioSigma-Aldrich239313
Etanolo, assolutoPharmco-Aaper111USP200Infiammabile, tossico.
Imbuto BuchnerFisher ScientificFB-966-F
MetanoloPharmco-Aaper339000ACSInfiammabile, tossico.
Trietilammina (anidra)Sigma-Aldrich471283Tossico, infiammabile, dannoso per l'ambiente
Siringa di vetroHamilton Company1700-series
Cloroformio deuteratoCambridge Isotopes Laboratories, Inc.DLM-29-10Tossico
Strumento di risonanza magnetica nucleareVarianV400
IdrogenoAirgasHY HP300Altamente infiammabile.
HexanesPharmco-Aaper359000ACSTossico, infiammabile.
Calorimetro differenziale a scansioneTA InstrumentsQ100
N,N-dimetilformammideSigma-Aldrich227056Tossico, infiammabile.
TrihexylphosphoneTCI AmericaTossico, infiammabile.
1-ClorodecanoSigma-AldrichTossico, infiammabile.
Bis(trifluorometano)sulfonimide sale di litioSigma-AldrichIdrofilo
1,10-diclorodecanoSigma-AldrichTossico, infiammabile.
Analisi Termo Gravemetrica (TGA)Strumenti TA Q50TA
Calorimetro a scansione differenziale (DSC)Strumenti TA Q100TA
Reometro a Deformazione ControllataAR 1000 
Misuratore di conducibilità ConsortK912
Potenziostato/Galvanostato a 4 elettrodiPrinceton Applied Research VersaStat MC4 Controlli elettrochimici
SeparatoriCelgard C480 polipropilene/polietilene
Celle a bottone CR2032MTI Corp.EQ-CR2032-CASE
Elettrodo LiCoO2 MTI Corp.EQ-CR2032Materiale catodico
litio metallo Alfa Aesar10769Materiale dell'anodo
Distanziatore in acciaio inossidabileMTI Corp.EQ-CR20-Spacer304-0215,5 mm diametro x 0,2 mm
MTI Corp.EQ-CR20WS-Spring304
Crimpatrice elettrica a bottoneMTI Corp.MSK-160D
Scatola a guantiMbraunFunzionamento senza acqua e ossigeno
Molla ondulata

Riferimenti

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  1. Armand, M., Tarascon, J. -M. Building better batteries. Nature (London). 451, 652-657 (2008).
  2. Linden, D., Reddy, T. B. Handbook of batteries. , 3rd edn, McGraw-Hill Education. (2002).
  3. Scrosati, B., Garche, J.

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Ionic Liquid ElectrolytesLithium Ion BatteriesHigh Temperature PerformanceDifferential Scanning CalorimetryThermal Gravimetric AnalysisCyclic VoltammetryConductivity MeasurementsCoin Cell AssemblyCharge Discharge CyclingThermal Stability Analysis

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