イオン液体系電解質、リチウムイオン電池の組立、および高温でのパフォーマンスの測定の合成

本手順の目的は、リチウムビス（トリフルオロメチルスルホンアミド）を含む、不燃性で熱的に安定なホスホニウム系イオン液体電解質を用いた、高温動作リチウムイオン電池を組み立てることです。この手法は、高温エネルギー貯蔵分野における主要な課題、特にリチウムイオン電池における従来の電解質使用に伴う安全性上の問題に対処するものです。本技術の主な利点は、熱的に安定な電解質の合成と特性評価、および高温動作リチウムイオン電池を構築するためのアプローチを提供することにあります。

この手法は、リチウムイオン電池向けに最適化されたバイオニック液体電解質の合理的設計に知見をもたらすものですが、スーパーキャパシタやその他のエネルギー貯蔵デバイスにも適用可能です。一般的に、この手法に不慣れな方は、不活性雰囲気下で極めて乾燥した材料を用いて測定を行うため、困難に直面することがあります。バイオニック液体は粘度が高いため、電池への導入が困難であり、本手法の視覚的なデモンストレーションが極めて重要となります。

アルゴン充填グローブボックス内で、ガラスピペットを用いて、撹拌子を入れたオーブン乾燥済みの厚壁圧力容器に、トリヘキシルホスフィン 8.3 g と 1-クロロデカン 5.22 g を分注します。容器を PTFE ブッシングで密閉し、アルゴン雰囲気下、140 °C で 24 時間撹拌します。140 °C で真空下にて揮発分を除去し、粗 mono-hexe-10-chloride を得ます。

mono-hexe-10-chlorideを、DCMと飽和食塩水の1:1混合液10 mLを用いて3回DCMに抽出します。DCM相から揮発成分を除去し、mono-hexe-10-chloride生成物を単離します。次に、6.25 gのリチウムTFSIを10 mLの脱イオン水に溶解させます。

次に、7.75 gのmono-hexe-10-chlorideを10 mLのDCMに溶解します。そこにTFSI溶液を加えます。容器に蓋をし、室温で24時間撹拌して、粗々のmono-hexe-10-TFSIを得ます。

mono-hexe-10-TFSIを20 millilitersのDCMで3回抽出します。DCM相1 milliliterに1 normal硝酸銀溶液を1〜2滴加え、塩化物の存在を確認してください。塩化銀が白色沈殿として観察された場合は、抽出を繰り返します。

次に、mono-hexe-10-TFSI溶液を1 gの無水硫酸マグネシウムで乾燥させます。乾燥させた溶液をデカンテーションで移し、エバポレーターで溶媒を除去して生成物を単離します。ジホスホニウム誘導体を合成する場合は、1,10-ジクロロデカンを用い、モル比を適切に調整してこの手順に従ってください。

粘度測定を行うため、窒素ガス充填グローブバッグ内に制御歪みレオメーターを設置します。イオン液体を1 mL、レオメーターのペルチェステージ上に滴下し、アルミニウムプレート全体が完全に覆われていることを確認します。すべての試験において、試料と直径20 mmの平行アルミニウムプレートとのギャップを1〜2 mmに設定します。

サンプルをせん断速度100 Hertzで10秒間プレシェアし、その後15分間の平衡化ステップを行います。次に、周波数を1 Hertzに固定し、ひずみ振幅を0.1から10%まで変化させる振動ひずみスイープにより、線形粘弾性領域（LVR）を決定します。LVR内のひずみを選択し、0.1から10 Hertzまで振動周波数スイープを実施します。

選択した周波数および歪みにおける複素粘度を測定します。次に、その周波数および歪みにおいて、10°Cから95°Cまで5°C刻みで振動温度スイープを行い、各温度で1分間の平衡時間を設けます。試料の導電率を測定するために、まずイオン液体を100°Cの真空下で12時間乾燥させます。

約4 mLのイオン液体を試験管に入れます。導電率プローブを挿入し、プローブのセンサーが完全に浸るまで必要に応じてサンプルを追加します。攪拌しながら、サンプルを最初の測定温度まで加熱します。

サンプルをその温度で30分間平衡化し、その後、導電率を測定します。この工程を各温度点について繰り返します。次に、グローブボックス内でリチウム-リチウム白金の3電極サイクリックボルタンメトリー装置をセットアップします。

イオン液体をCVチャンバーに入れ、電極を液体に浸し、チャンバーが密閉されていることを確認します。サンプルを最初の測定温度で20分間平衡化し、その後、-0.2 Vから6.5 Vの間で1 mV/sの走査速度で電位をスイープします。基準電位はリチウムイオンリチウム参照電極です。

この測定を、目的とする各温度について繰り返します。バッテリー作製を開始する前に、リチウムTFSIを真空乾燥機にて70 °Cで3日間乾燥させます。テストに使用するイオン液体は、激しく攪拌しながら、100 °Cの高真空下で24時間乾燥させます。

2種類の乾燥液体、およびオーブン乾燥させたフラスコと撹拌子をグローブボックス内に搬入する。イオン液体とリチウムTFSIをそれぞれ6.4 millimolesずつフラスコに入れる。混合物を一晩撹拌し、電解質濃度1.6 molarの均質な混合物を得る。

コインセルのハードウェア部品と直径12.7 millimeterのリチウムコバルト酸化物電極を70 degrees Celsiusで一晩乾燥させた後、グローブボックスに移動させます。コインセルの底面キャップに、スプリング1本とステンレス製ディスクを配置します。電極をスチールディスクの中に配置してください。

電解質混合物をホットプレートで60°Cに加熱し、撹拌しながら2枚のポリプロピレン膜セパレーターを15分間浸漬させます。コバルト酸リチウム正極の表面に電解質混合物を約0.5 mL滴下し、その後、両方のセパレーターをコインセルの中心に配置します。セパレーターの上に電解質混合物を数滴滴下し、セル内の隙間がすべて充填されるようにします。

電解液で覆われたカソードを60°Cで15分間加熱します。厚さ0.75 mmのリチウム金属を直径12.7 mmに切り出し、電解液を浸したセパレーターの上に配置します。コインセルにキャップをし、クリンパーで密封します。

セルをグローブボックスから取り出し、12時間静置します。高温下でのバッテリー性能を試験するため、電気化学試験装置からのケーブルをオーブンの背面壁に配線します。コインセルをオーブン内の試験装置に接続し、オーブンの温度に的にするために、セルをオーブン内に30分間放置します。

試験ステーションで定電流充放電サイクルを選択し、サイクル数を500回に設定します。充電および放電のパラメータと休止時間を設定し、充放電サイクルを開始して、時間経過に伴う充電出力（charge output）を評価します。高温下のリチウムイオン電池への適用について、4種類のホスホニウム系イオン液体を評価しました。

熱重量分析により、分解温度は340から385 °Cの範囲であることが示されました。TFSIベースのイオン液体は粘度が低いため、電池コンポーネントの細孔や隙間を完全に充填するのに適しています。コバルト酸リチウム正極存在下で、リチウムTFSIを含むモノおよびジ-hexC10TFSIのサイクリックボルタンメトリー測定を行ったところ、期待通りのコバルト酸リチウムの酸化還元ピークが確認されました。

どちらの液体においても、電流は温度の上昇とともに大幅に増加しました。mono-hexC10TFSI混合物は、すべての温度においてより高い電流応答を示しました。100 °Cにおいてmono-hexC10TFSIを含むコインセル電池の充放電サイクル試験を行ったところ、リチウムTFSIの低濃度において電池容量の衰退が急速に進むことが示されました。

飽和点に近い濃度では、20サイクルの後の容量低下は約10%まで抑制されました。1.6 MのTFSIおよびmono-hexC10TFSIを含むコインセル電池を用いて、100 °Cで長期の定電流充放電サイクル試験を実施しました。電池容量は初期状態で約135 mAh/gでした。

1ヶ月後、容量は70 milliampere hours per gramまで低下しました。この手順を行う際は、セルを組み立てる前に、電解質や電極などのバッテリーのすべての構成要素を十分に乾燥させることが重要です。さらに、コインセルを組み立てる際は、正極とセパレーターに電解質を塗布するように注意してください。

このビデオを視聴することで、イオン液体電解質の合成およびリチウムイオン電池の作製ができるようになります。イオン液体は標準的な電解質に比べて粘度が高いため、取り扱いには十分な注意が必要です。