2016年12月20日
ここでは、ホスホニウムベースのイオン液体とリチウムビス(トリフルオロメタン)スルホンイミド塩電解質を調製し、不燃性で高温で機能するリチウムイオンコイン電池を組み立てるためのプロトコルについて説明します。
この手順の全体的な目標は、不燃性で熱的に安定したホスホニウムベースのイオン液体電解質、リチウムビストリフルオロメタンスルホンアミドを含む、高温機能リチウムイオン電池を組み立てることです。この方法は、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の使用に関する安全性の問題に対処します。この技術の主な利点は、熱的に安定した電解質を合成して特性評価し、高温で機能する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です。
この手法は、リチウムイオン電池に最適化された合理的な設計のバイオニック液体電解質に関する洞察を提供しますが、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できます。一般に、この方法に不慣れな個人は、測定が極端に乾燥した材料を含む不活性雰囲気下で行われるため、苦労します。この方法の視覚的なデモンストレーションは、高粘度のためにバッテリーへのバイオニック液体の導入が困難であるため
、非常に重要です。アルゴンを充填したグローブボックス内で、ガラスピペットを使用して、8.3グラムのトリヘキシルホスフェンと5.22グラムの1-クロロデカンを、攪拌棒が入ったオーブン乾燥重壁圧力容器に分注します。PTFEブッシングで容器をキャップし、混合物をアルゴン下で摂氏140度で24時間攪拌します。140°Cの真空下で揮発性物質を除去し、粗のモノヘキサ-10-塩化物を得ます。
モノヘキサ-10-塩化物をDCMに3回抽出し、DCMとブラインの1対1の混合物を10ミリリットルで抽出します。DCM相から揮発性物質を除去し、モノヘキサ-10-塩化物を単離します。次に、6.25グラムのリチウムTFSIを10ミリリットルの脱イオン水に溶解します。
次に、7.75グラムのモノヘキサ-10-塩化物を10ミリリットルのDCMに溶解します。TFSI ソリューションを追加します。容器にキャップをし、室温で24時間攪拌して、粗いモノヘキサ-10-TFSIを得ます。
mono-hexe-10-TFSI を 20 ミリリットルの DCM に 3 回抽出します。DCM相の1ミリリットルに1つの通常の硝酸銀溶液を1〜2滴加えることにより、塩化物の存在をテストします。塩化銀が白い沈殿物として観察された場合は、抽出を繰り返します。
次に、モノヘキサ-10-TFSI溶液を1グラムの無水硫酸マグネシウムで乾燥させます。乾燥した溶液をデカントし、ロータリーエバポレーターで溶媒を除去して製品を分離します。ジホスホニウム類似体を合成するには、1,10-ジクロロデカンを使用してこの手順に従い、そのモル比を適切に調整します。
粘度測定を行うには、窒素ガスを充填したグローブバッグに制御されたひずみレオメータをセットアップします。レオメータのペルチェステージに1ミリリットルのイオン液体を置き、アルミニウムプレートが完全に覆われていることを確認します。サンプルと平行な直径20mmのアルミニウム板との間のギャップを、すべてのテスト実行で1〜2mmに設定します。
サンプルを100ヘルツのせん断速度で10秒間事前にせん断し、その後15分間の平衡ステップを実行します。次に、ひずみ振幅が 0.1 から 10% の 1 ヘルツの固定周波数で振動ひずみスイープを行う線形粘弾性領域 (LVR) を決定します。LVR内のひずみを選択し、0.1〜10ヘルツの振動周波数スイープを実行します。
選択した周波数とひずみでの複素粘度を決定します。次に、その周波数とひずみで、摂氏10度から95度まで5度刻みで振動温度スイープを実行し、各温度で1分間の平衡状態を保ちます。サンプルの導電率を測定するには、まずイオン液体を摂氏100度で真空下で12時間乾燥させます。
約4ミリリットル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、必要に応じてサンプルを追加して、プローブセンサーを完全に覆います。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。
その温度でサンプルを30分間平衡化してから、導電率を読み取ります。各温度ポイントについてこのプロセスを繰り返します。次に、グローブボックスにリチウム-リチウムプラチナ3電極サイクリックボルタンメトリーアセンブリを取り付けます。
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。最初の測定温度でサンプルを20分間平衡化し、次にマイナス0.2ボルトから6.5ボルトの間で毎秒1ミリボルトの速度で電位をスイープします。1つ目はリチウムイオンリチウムの参照電位です。
必要な温度ごとにこの測定を繰り返します。バッテリーの製造を開始する前に、リチウムTFSIを70°Cの真空オーブンで3日間乾燥させます。試験するイオン液体を100°Cの高真空下で24時間乾燥させ、激しく攪拌します。
乾燥液とオーブンで乾燥させたフラスコと攪拌棒の両方をグローブボックスに入れます。イオン液体とリチウムTFSIをそれぞれ6.4ミリモルフラスコに入れます。混合物を一晩攪拌して、電解質濃度が1.6モルの均質な混合物を得る。
コイン電池のハードウェアコンポーネントと直径12.7mmのコバルト酸リチウム電極を摂氏70度で一晩乾燥させてから、グローブボックスに移します。1つのスプリングとステンレス鋼のディスクをコインセルのボトムキャップに入れます。電極をスチールディスクに入れます。
電解質混合物をホットプレート上で摂氏60度に加熱し、2つのポリプロピレンメンブレンセパレーターを混合物に浸し、15分間攪拌します。コバルト酸リチウムカソードの表面を約0.5ミリリットルの電解質混合物で覆い、次に両方のセパレーターをコイン電池の中央に配置します。電解質混合物をセパレーターの上に数滴垂らし、セル内のすべての隙間が満たされていることを確認します。
電解質で覆われたカソードを摂氏60度に15分間加熱します。直径12.7mmの0.75mm厚のリチウム金属を切り取り、電解液を染み込ませたセパレーターに載せます。コイン電池にキャップをし、クリンパーで密封します。
グローブボックスからセルを取り出し、セルを12時間放置します。高温でのバッテリー性能をテストするには、電気化学試験ステーションからオーブンの後壁にケーブルを通します。コインセルをオーブン内のテストステーションに接続し、セルをオーブンに30分間放置してオーブンの温度に平衡化します。
テストステーションで、ガルバノスタティック充放電サイクルを選択し、サイクル番号を500に設定します。充電と放電のパラメータと休息時間を設定してから、充放電サイクルを開始して、時間の経過に伴う充電出力を評価します。4種類のホスホニウム系イオン液体を、リチウムイオン電池の高温での使用について評価しました。
熱重量分析により、分解温度は摂氏340度から385度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性が低いため、バッテリーコンポーネントの細孔や隙間を完全に埋めるのに適しています。リチウムコバルト酸化物カソードの存在下でモノラルおよびジ-hexC10TFSIとリチウムTFSIのサイクリックボルタンメトリー測定では、期待されるコバルト酸リチウム酸化還元ピークが示されました。
どちらの液体でも、電流は温度とともに大幅に増加しました。モノ-hexC10TFSI混合物は、すべての温度に対してより高い電流応答を示しました。mono-hexC10TFSIを含有するコイン型電池の100°Cでの充放電サイクル試験では、低濃度のリチウムTFSIで電池容量の減衰が急速であることが示されました。
飽和点に近い濃度では、容量減衰は20サイクル後に約10%に減少しました。1.6モルTFSIとmono-hexC10TFSIを含むコイン型電池の延長ガルバノスタティック充放電サイクル試験を摂氏100度で実施しました。バッテリー容量は当初、グラムあたり約135ミリアンペア時でした。
1か月後、容量はグラムあたり70ミリアンペア時間に減少しました。この手順を試みるときは、セルを組み立てる前に、電解質や電極など、バッテリーのすべてのコンポーネントを完全に乾燥させることが重要です。また、コイン電池を組み立てる際には、カソードとセパレーターを電解質でコーティングする注意が必要です。
このビデオを見れば、イオン性液体電解質を合成し、リチウムイオン電池を作製できるようになるはずです。イオン液体は粘度が高いため、標準的な電解質に比べて取り扱いが難しくなるため、取り扱いには注意が必要です。
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この記事では、ホスホニウムベースのイオン液体とリチウムビス(トリフルオロメタン)スルホニミド塩電解質を準備するためのプロトコルを提示し、これらを使用して発火しない高温リチウムイオンコイン電池バッテリーを組み立てることを目的としています。この方法は、リチウムイオン電池における従来の電解質に関連する安全性課題に対処します。
Developing thermally stable, non-flammable electrolytes addresses critical safety and performance limitations in high-temperature energy storage applications. This approach enables predictive evaluation of electrolyte stability and battery function under extreme conditions, supporting risk-adjusted decisions in energy storage portfolio development. The method provides a mechanistic foundation for de-risking next-generation battery technologies prior to scale-up.
This method integrates into the energy storage development continuum from electrolyte synthesis and characterization to functional battery assembly and performance evaluation, enabling iterative design-refinement cycles.