이온 성 액체 기반 전해질의 합성 리튬 이온 배터리의 조립 및 고온에서의 성능 측정

이 절차의 전반적인 목적은 lithium bis trifluoromethane sulfonamide를 포함하며 비인화성이고 열적으로 안정적인 포스포늄 기반 이온 액체 전해질을 이용하는 고온 작동 리튬 이온 배터리를 조립하는 것입니다. 이 방법은 고온 에너지 저장 분야의 주요 과제, 특히 리튬 이온 배터리에서 기존 전해질 사용 시 발생하는 안전 문제를 해결합니다. 이 기술의 주요 장점은 열적으로 안정적인 전해질을 합성 및 특성화하고 고온 작동 리튬 이온 배터리를 제작하는 접근 방식을 제공한다는 점입니다.

이 방법은 리튬 이온 배터리에 최적화된 바이오닉 액체 전해질의 합리적 설계에 대한 통찰을 제공하지만, 슈퍼 커패시터 및 기타 에너지 저장 장치에도 적용할 수 있습니다. 일반적으로 이 방법에 익숙하지 않은 연구자들은 극도로 건조한 재료를 사용하여 불활성 분위기에서 측정을 수행해야 하므로 어려움을 겪습니다. 바이오닉 액체는 점도가 높기 때문에 배터리에 주입하는 과정이 까다로우며, 따라서 이 방법의 시각적 시연이 매우 중요합니다.

아르곤으로 채워진 글로브 박스 내에서, 유리 피펫을 사용하여 8.3 g의 trihexyl phosphene과 5.22 g의 1-chlorodecane을 교반자가 들어있는 오븐 건조된 두꺼운 벽의 가압 용기에 분주합니다. PTFE 부싱으로 용기를 밀폐하고 아르곤 분위기 하에 140 °C에서 24시간 동안 혼합물을 교반합니다. 140 °C에서 진공 상태로 휘발성 성분을 제거하여 조 생성물인 mono-hexe-10-chloride를 얻습니다.

DCM과 brine을 1:1 비율로 혼합한 용액 10 mL를 사용하여 mono-hexe-10-chloride를 DCM 층으로 3회 추출합니다. DCM 층에서 휘발성 성분을 제거하여 mono-hexe-10-chloride 생성물을 분리합니다. 그다음, 6.25 g의 lithium TFSI를 10 mL의 탈이온수에 녹입니다.

그 다음, 7.75 g의 mono-hexe-10-chloride를 10 mL의 DCM에 녹입니다. TFSI 용액을 첨가합니다. 용기 뚜껑을 닫고 실온에서 24시간 동안 혼합물을 교반하여 조-mono-hexe-10-TFSI를 얻습니다.

mono-hexe-10-TFSI를 20 mL의 DCM으로 3회 추출합니다. DCM 층 1 mL에 1 N 질산은 용액을 1~2방울 첨가하여 염화물이 존재하는지 테스트합니다. 흰색 침전물로 염화은이 관찰되면 추출 과정을 반복합니다.

그 후, 무수 황산마그네슘 1g으로 mono-hexe-10-TFSI 용액을 건조시킵니다. 건조된 용액을 데칸테이션하여 옮기고, 회전 증발기로 용매를 제거하여 생성물을 분리합니다. di-phosphonium 유사체를 합성하려면 1, 10-dichlorodecane을 사용하여 이 절차를 따르고 몰 비를 적절하게 조절하십시오.

점도 측정을 위해, 질소 가스가 충전된 글로브 백 내에 제어 변형 레오미터를 설치하십시오. 이온 액체 1 mL를 레오미터의 펠티어 스테이지 위에 올려놓아 알루미늄 플레이트가 완전히 덮이도록 합니다. 모든 테스트 실행 시 시료와 직경 20 mm의 평행 알루미늄 플레이트 사이의 간격을 1~2 mm로 설정하십시오.

샘플을 100 Hertz의 전단 속도로 10초 동안 사전 전단한 후, 15분간의 평형 단계를 수행합니다. 그 다음, 1 Hertz의 고정 주파수에서 0.1% 내지 10%의 변형 진폭으로 진동 변형 스윕을 실시하여 선형 점탄성 영역(LVR)을 결정합니다. LVR 내의 변형률을 선택하고 0.1 내지 10 Hertz 범위에서 진동 주파수 스윕을 수행합니다.

선택한 주파수와 변형률에서 복소 점도를 측정합니다. 그다음, 해당 주파수와 변형률에서 10°C부터 95°C까지 5°C 간격으로 진동 온도 소인(oscillatory temperature sweep)을 수행하며, 각 온도에서 1분간 평형 상태를 유지합니다. 시료의 전도도를 측정하려면, 먼저 이온성 액체를 진공 상태의 100°C에서 12시간 동안 건조시킵니다.

시험관에 이온성 액체를 약 4 mL 넣습니다. 전도도 프로브를 삽입하고, 프로브 센서가 완전히 잠길 때까지 필요에 따라 샘플을 더 추가합니다. 교반하면서 샘플을 첫 번째 측정 온도까지 가열합니다.

해당 온도에서 샘플을 30분 동안 평형화한 후 전도도를 측정합니다. 각 온도 지점에 대해 이 과정을 반복합니다. 다음으로, 글로브 박스 내에 리튬-리튬 백금 3전극 순환 전압전류법 장치를 설치합니다.

이온 액체를 CV 챔버에 넣고, 전극을 액체에 담근 후 챔버가 밀폐되었는지 확인합니다. 첫 번째 측정 온도에서 샘플을 20분 동안 평형화한 다음, -0.2 V에서 6.5 V 사이의 전위를 초당 1 mV의 속도로 스캔합니다. 기준 전위는 리튬 이온 리튬 기준 전위입니다.

원하는 각 온도에 대해 이 측정을 반복하십시오. 배터리 제작을 시작하기 전, 리튬 TFSI를 70 °C의 진공 오븐에서 3일 동안 건조하십시오. 테스트할 이온성 액체는 격렬하게 교반하면서 100 °C의 고진공 상태에서 24시간 동안 건조하십시오.

두 종류의 건조 액체와 오븐 건조된 플라스크 및 마그네틱 바를 글로브 박스로 옮깁니다. 이온성 액체와 리튬 TFSI를 각각 6.4 millimoles씩 플라스크에 넣습니다. 혼합물을 하룻밤 동안 교반하여 1.6 molar 전해질 농도의 균질한 혼합물을 얻습니다.

글러브 박스로 옮기기 전, 코인 셀 하드웨어 부품과 직경 12.7 millimeter의 리튬 코발트 산화물 전극을 70 °C에서 하룻밤 동안 건조합니다. 코인 셀 하단 캡에 스프링 하나와 스테인리스 스틸 디스크를 넣습니다. 전극을 스틸 디스크 위에 배치합니다.

전해질 혼합물을 핫플레이트에서 60 °C로 가열하고, 교반하면서 두 개의 폴리프로필렌 멤브레인 분리막을 혼합물에 15분 동안 담급니다. 리튬 코발트 산화물 양극 표면에 전해질 혼합물 약 0.5 mL를 덮은 다음, 두 분리막을 코인 셀 중앙에 배치합니다. 분리막 위에 전해질 혼합물을 몇 방울 떨어뜨려 셀 내부의 모든 틈새가 채워지도록 합니다.

전해질이 도포된 양극을 60 °C에서 15분 동안 가열합니다. 두께 0.75 mm의 리튬 금속을 직경 12.7 mm 크기로 잘라 전해질이 적셔진 분리막 위에 올립니다. 코인 셀의 캡을 씌운 후 크림퍼로 밀봉합니다.

글러브 박스에서 셀을 꺼내 12시간 동안 그대로 둡니다. 고온에서 배터리 성능을 테스트하려면, 전기화학 테스트 스테이션의 케이블을 오븐 뒷벽으로 연결합니다. 코인 셀을 오븐 내의 테스트 스테이션에 연결하고, 셀이 오븐 온도와 평형을 이룰 수 있도록 오븐 안에 30분 동안 둡니다.

테스트 스테이션에서 정전류 충방전 사이클링을 선택하고 사이클 횟수를 500회로 설정하십시오. 충전 및 방전 매개변수와 휴지 시간을 설정한 다음, 충방전 사이클링을 시작하여 시간에 따른 충전 출력량을 평가하십시오. 고온 리튬 이온 배터리에 사용하기 위해 네 가지 포스포늄 기반 이온 액체를 평가하였습니다.

열중량 분석 결과 분해 온도는 340에서 385 °C 범위인 것으로 나타났습니다. TFSI 기반 이온성 액체는 점도가 더 낮아 배터리 구성 요소의 기공과 틈새를 완전히 채우기에 더 적합했습니다. 리튬 코발트 산화물 양극 존재 하에 리튬-TFSI와 함께 mono 및 di-hexC10TFSI를 대상으로 순환 전압전류법 측정을 수행한 결과, 예상된 리튬 코발트 산화물 산화환원 피크가 확인되었습니다.

두 액체 모두 온도에 따라 전류가 크게 증가하였습니다. mono-hexC10TFSI 혼합물은 모든 온도에서 더 높은 전류 응답을 보였습니다. 100 °C에서 mono-hexC10TFSI가 포함된 코인 셀 배터리의 충방전 사이클 테스트 결과, 리튬 TFSI 농도가 낮을 때 배터리 용량 감소가 빠르게 나타났습니다.

포화점에 가까운 농도에서 용량 감소는 20 사이클 후 약 10%로 줄어들었습니다. 1.6 molar TFSI 및 mono-hexC10TFSI가 포함된 코인 셀 배터리의 연장된 정전류 충방전 사이클 테스트가 100 °C에서 수행되었습니다. 배터리 용량은 초기에 약 135 mAh/g이었습니다.

한 달 후, 용량은 70 mAh/g로 감소했습니다. 이 절차를 수행할 때, 셀 조립 전 전해질 및 전극과 같은 배터리의 모든 구성 요소를 충분히 건조시키는 것이 중요합니다. 또한, 코인 셀을 조립할 때 양극과 분리막에 전해질이 잘 도포되도록 주의해야 합니다.

이 영상을 시청한 후, 여러분은 이온성 액체 전해질을 합성하고 리튬 이온 배터리를 제작할 수 있게 될 것입니다. 이온성 액체는 표준 전해질에 비해 점도가 높아 취급 시 어려움이 있을 수 있으므로 주의해서 다뤄야 합니다.