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

L'obiettivo generale di questa procedura è assemblare una batteria agli ioni di litio funzionante ad alta temperatura che utilizza un elettrolita liquido ionico a base di fosfonio non infiammabile e termicamente stabile contenente trifluorometano sulfonammide di litio bis. Questo metodo affronta le sfide chiave nel campo dell'accumulo di energia ad alta temperatura, in particolare i problemi di sicurezza con l'uso di elettroliti convenzionali nelle batterie agli ioni di litio. Il vantaggio principale di questa tecnica è che fornisce un approccio per sintetizzare e caratterizzare elettroliti termicamente stabili e per costruire batterie agli ioni di litio funzionanti ad alta temperatura.

Sebbene questo metodo fornisca informazioni sulla progettazione razionale di elettroliti liquidi bionici ottimizzati per le batterie agli ioni di litio, può essere applicato anche a supercondensatori e altri dispositivi di accumulo di energia. In generale, le persone che non conoscono questo metodo hanno difficoltà perché le misurazioni saranno effettuate in atmosfera inerte con materiali estremamente secchi. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale in quanto l'introduzione di liquidi bionici nelle batterie è impegnativa a causa della loro elevata viscosità.

In una scatola a guanti piena di argon, utilizzare pipette di vetro per erogare 8,3 grammi di triesil fosfene e 5,22 grammi di 1-clorodecano in un recipiente a pressione a parete pesante essiccato in forno contenente una barra di agitazione. Tappare il recipiente con una boccola in PTFE e mescolare la miscela sotto l'argon a 140 gradi Celsius per 24 ore. Rimuovere i volatili sotto vuoto a 140 gradi per ottenere mono-esagono-10-cloruro grezzo.

Estrarre il mono-esagono-10-cloruro in DCM tre volte con porzioni da dieci millilitri di una miscela uno a uno di DCM e salamoia. Rimuovere i volatili dalla fase DCM per isolare il prodotto mono-esagono-10-cloruro. Successivamente, sciogliere 6,25 grammi di litio TFSI in dieci millilitri di acqua deionizzata.

Quindi, sciogliere 7,75 grammi di mono-esagono-10-cloruro in dieci millilitri di DCM. Aggiungere la soluzione TFSI. Tappare il contenitore e mescolare il composto a temperatura ambiente per 24 ore per ottenere un mono-hexe-10-TFSI grezzo.

Estrarre il mono-hexe-10-TFSI in 20 millilitri di DCM tre volte. Verificare la presenza di cloruro aggiungendo una o due gocce di una normale soluzione di nitrato d'argento a un millilitro della fase DCM. Ripetere l'estrazione se si osserva che il cloruro d'argento è un precipitato bianco.

Quindi, asciugare la soluzione mono-esadecimale-10-TFSI con un grammo di solfato di magnesio anidro. Decantare la soluzione essiccata e rimuovere il solvente con un evaporatore rotante per isolare il prodotto. Per sintetizzare gli analoghi del di-fosfonio seguire questa procedura utilizzando 1, 10-diclorodecano e regolare opportunamente i suoi rapporti molari.

Per eseguire le misure di viscosità, è necessario installare un reometro a deformazione controllata in una borsa a guanti riempita di azoto gassoso. Posizionare un millilitro di liquido ionico sul tavolino di Peltier del reometro assicurandosi che la piastra di alluminio sia completamente coperta. Impostare lo spazio tra il campione e una piastra parallela di alluminio di 20 millimetri di diametro in modo che sia di uno o due millimetri in tutte le esecuzioni del test.

Pre-tranciare il campione a una velocità di taglio di 100 Hertz per dieci secondi, quindi eseguire una fase di equilibrio di 15 minuti. Quindi, determinare la regione viscoelastica lineare o LVR con uno sweep di deformazione oscillatorio a una frequenza fissa di un Hertz con un'ampiezza di deformazione compresa tra lo 0,1 e il dieci percento. Selezionare una deformazione all'interno dell'LVR ed eseguire uno sweep di frequenza oscillatoria da 0,1 a dieci Hertz.

Determinare la viscosità complessa a una frequenza e una deformazione scelte. Quindi, a quella frequenza e deformazione, eseguire uno sweep oscillatorio della temperatura da dieci a 95 gradi Celsius con incrementi di cinque gradi con un minuto di equilibrio ad ogni temperatura. Per misurare la conducibilità del campione, asciugare prima il liquido ionico a 100 gradi Celsius sotto vuoto per 12 ore.

Mettere circa quattro millilitri di liquido ionico in una provetta. Inserire la sonda di conducibilità e aggiungere altro campione se necessario per coprire completamente il sensore della sonda. Riscaldare il campione alla prima temperatura di misurazione mentre si mescola.

Equilibrare il campione a quella temperatura per 30 minuti e quindi eseguire la lettura della conducibilità. Ripetere questo processo per ogni punto di temperatura. Quindi, impostare un gruppo di voltammetria ciclica a tre elettrodi litio-litio platino nel vano portaoggetti.

Posizionare il liquido ionico nella camera CV, immergere gli elettrodi nel liquido e assicurarsi che la camera sia sigillata. Equilibrare il campione alla prima temperatura di misurazione per 20 minuti, quindi spazzare il potenziale a una velocità di un millivolt al secondo tra 0,2 volt e 6,5 volt negativi. Il primo è il potenziale di riferimento del litio agli ioni di litio.

Ripetere questa misurazione per ogni temperatura desiderata. Prima di iniziare la fabbricazione della batteria, asciugare il litio TFSI per tre giorni in un forno sottovuoto a 70 gradi Celsius. Asciugare il liquido ionico da testare sotto vuoto alto a 100 gradi Celsius per 24 ore mescolando energicamente.

Portare sia i liquidi secchi che un pallone essiccato in forno e mescolare la barretta in una scatola a guanti. Mettere 6,4 millimoli di liquido ionico e TFSI di litio nel pallone. Mescolare la miscela per una notte per ottenere una miscela omogenea con una concentrazione di elettroliti di 1,6 molari.

Asciugare i componenti hardware della pila a bottone e un elettrodo di ossido di cobalto di litio da 12,7 millimetri di diametro a 70 gradi Celsius durante la notte prima di trasferirli nel vano portaoggetti. Posizionare una molla e un disco in acciaio inossidabile nel tappo inferiore della pila a bottone. Posizionare l'elettrodo nel disco di acciaio.

Riscaldare la miscela di elettroliti a 60 gradi Celsius su una piastra calda e immergere due separatori a membrana in polipropilene nella miscela mescolando per 15 minuti. Coprire la superficie del catodo di ossido di litio cobalto con circa 0,5 millilitri della miscela elettrolitica e quindi posizionare entrambi i separatori al centro della pila a bottone. Posizionare alcune gocce della miscela elettrolitica sopra i separatori, assicurandosi che tutte le fessure della cella siano riempite.

Riscaldare il catodo ricoperto di elettrolito a 60 gradi Celsius per 15 minuti. Ritaglia un pezzo di litio metallico di 12,7 millimetri di diametro e 0,75 millimetri di spessore e posiziona il metallo sui separatori imbevuti di elettrolita. Tappate la pila a bottone e sigillatela con una pinzatrice.

Rimuovi la cella dal vano portaoggetti e lascia riposare la cella per 12 ore. Per testare le prestazioni della batteria ad alte temperature, infilare i cavi da una stazione di test elettrochimici alla parete posteriore di un forno. Collegare la pila a bottone alla stazione di prova del forno e lasciare la cella nel forno per 30 minuti per equilibrarla alla temperatura del forno.

Alla stazione di prova, selezionare il ciclo di carica-scarica galvanostatica e impostare il numero di ciclo su 500. Impostare i parametri di carica e scarica e i tempi di riposo, quindi avviare il ciclo di carica-scarica per valutare l'uscita di carica nel tempo. Quattro liquidi ionici a base di fosfonio sono stati valutati per l'uso in batterie agli ioni di litio ad alte temperature.

L'analisi termogravimetrica ha mostrato che le temperature di decomposizione variavano da 340 a 385 gradi Celsius. I liquidi ionici a base di TFSI erano meno viscosi, il che li rendeva più adatti a riempire completamente i pori e le fessure dei componenti della batteria. Le misure di voltammetria ciclica di mono e di-esadecimaleC10TFSI con litio-TFSI in presenza del catodo di ossido di litio cobalto hanno mostrato i picchi redox attesi di ossido di litio cobalto.

Per entrambi i liquidi, la corrente aumentava significativamente con la temperatura. La miscela mono-hexC10TFSI ha mostrato una risposta di corrente più elevata a tutte le temperature. I test di ciclo di carica-scarica delle batterie a bottone contenenti mono-esagono C10TFSI a 100 gradi Celsius hanno mostrato che il decadimento della capacità della batteria era rapido a basse concentrazioni di litio TFSI.

A concentrazioni più vicine al punto di saturazione, il decadimento della capacità si è ridotto a circa il dieci percento dopo 20 cicli. A 100 gradi Celsius è stato eseguito un test esteso del ciclo di carica-scarica galvanostatica di una batteria a bottone contenente 1,6 molari TFSI e mono-esagono C10TFSI. La capacità della batteria era inizialmente di circa 135 milliampere ora per grammo.

Dopo un mese, la capacità era scesa a 70 milliampere ora per grammo. Durante il tentativo di questa procedura, è importante asciugare accuratamente tutti i componenti della batteria, come l'elettrolita e gli elettrodi, prima dell'assemblaggio della cella. Inoltre, durante l'assemblaggio della pila a bottone, è necessario prestare attenzione a rivestire il catodo e il separatore con gli elettroliti.

Dopo aver visto questo video, dovresti essere in grado di sintetizzare elettroliti liquidi ionici e fabbricare batterie agli ioni di litio. È necessario prestare attenzione quando si maneggiano i liquidi ionici poiché le loro elevate viscosità pongono ulteriori sfide di manipolazione rispetto agli elettroliti standard.