Synthese van ionische vloeistof Based Elektrolyten, Assemblee van Li-ion batterijen, en metingen van de prestaties bij hoge temperatuur

Het algemene doel van deze procedure is het samenstellen van een bij hoge temperaturen functionerende lithium-ionbatterij die gebruikmaakt van een niet-ontvlambaar, thermisch stabiel fosfonium-gebaseerd ionenvloeistofelektrolyt dat lithium-bistrifluoromethaansulfonamide bevat. Deze methode pakt belangrijke uitdagingen aan in het veld van energieopslag bij hoge temperaturen, specifiek de veiligheidsproblemen bij het gebruik van conventionele elektrolyten in lithium-ionbatterijen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het een aanpak biedt om thermisch stabiele elektrolyten te synthetiseren en te karakteriseren en om lithium-ionbatterijen te construeren die bij hoge temperaturen functioneren.

Hoewel deze methode inzicht biedt in het rationele ontwerp van bionische vloeibare elektrolyten die zijn geoptimaliseerd voor lithium-ionbatterijen, kan deze ook worden toegepast op supercondensatoren en andere energieopslagapparaten. Over het algemeen hebben personen die nieuw zijn met deze methode moeite omdat de metingen worden uitgevoerd onder een inerte atmosfeer met extreem droge materialen. Een visuele demonstratie van deze methode is essentieel, aangezien het introduceren van bionische vloeistoffen in de batterijen uitdagend is vanwege hun hoge viscositeit.

Gebruik in een met argon gevulde glovebox glazen pipetten om 8,3 gram trihexylfosfine en 5,22 gram 1-chloordecaan over te brengen in een oven-gedroogd dikwandig drukvat met een roerstaafje. Sluit het vat af met een PTFE-busje en roer het mengsel onder argon bij 140 °C gedurende 24 uur. Verwijder vluchtige stoffen onder vacuüm bij 140 °C om ruw mono-hexe-10-chloride te verkrijgen.

Extraheer het mono-hexe-10-chloride drie keer in DCM met porties van tien milliliter van een een-op-een mengsel van DCM en pekel. Verwijder de vluchtige bestanddelen uit de DCM-fase om het mono-hexe-10-chloride product te isoleren. Los vervolgens 6,25 gram lithium TFSI op in tien milliliter gedeïoniseerd water.

Los vervolgens 7,75 gram mono-hexe-10-chloride op in tien milliliter DCM. Voeg de TFSI-oplossing toe. Sluit de container af en roer het mengsel 24 uur lang bij kamertemperatuur om ruw mono-hexe-10-TFSI te verkrijgen.

Extraheer de mono-hexe-10-TFSI drie keer in 20 milliliter DCM. Test op de aanwezigheid van chloride door één tot twee druppels van een één normale zilvernitraatoplossing toe te voegen aan één milliliter van de DCM-fase. Herhaal de extractie indien zilverchloride wordt waargenomen als een wit neerslag.

Droog vervolgens de mono-hexe-10-TFSI-oplossing met één gram watervrij magnesiumsulfaat. Decanteer de gedroogde oplossing en verwijder het oplosmiddel met een rotatieverdamper om het product te isoleren. Om de di-fosfoniumanalogen te synthetiseren, volgt u deze procedure met 1,10-dichloordecaan en past u de molaire verhoudingen dienovereenkomstig aan.

Voor het uitvoeren van viscositeitsmetingen wordt een gecontroleerde strain-rheometer geplaatst in een met stikstofgas gevulde glove bag. Breng één milliliter van de ionische vloeistof aan op de Peltier-stage van de rheometer, waarbij wordt gewaarborgd dat de aluminium plaat volledig is bedekt. Stel de afstand tussen het monster en een parallelle aluminium plaat van 20 millimeter diameter in op één tot twee millimeter voor alle testruns.

Pas een voorafgaande afschuiving op het monster toe bij een afschuifsnelheid van 100 Hertz gedurende tien seconden en voer vervolgens een equilibratiestap van 15 minuten uit. Bepaal daarna het lineair visco-elastische gebied of LVR met een oscillatoire strain sweep bij een vaste frequentie van één Hertz met een rekamplitude van 0,1 tot tien procent. Selecteer een rek binnen de LVR en voer een oscillatoire frequentiesweep uit van 0,1 tot tien Hertz.

Bepaal de complexe viscositeit bij een gekozen frequentie en rek. Voer vervolgens, bij die frequentie en rek, een oscillerende temperatuursweep uit van 10 tot 95 °C in stappen van 5 graden, met één minuut equilibrium bij elke temperatuur. Om de conductiviteit van het monster te meten, moet de ionische vloeistof eerst 12 uur lang worden gedroogd bij 100 °C onder vacuüm.

Doe ongeveer vier milliliters van de ionische vloeistof in een reageerbuis. Plaats de geleidingssonde en voeg indien nodig meer monster toe om de sensorsensor volledig te bedekken. Verwarm het monster onder stirring tot de eerste meettemperatuur.

Equilibreer het monster gedurende 30 minuten bij die temperatuur en neem vervolgens de geleidingsmeting. Herhaal dit proces voor elk temperatuurpunt. Stel daarna in de glovebox een cyclische voltammetrie-opstelling op met drie elektroden van lithium-lithium platina.

Plaats de ionische vloeistof in de CV-kamer, dompel de elektroden in de vloeistof en zorg ervoor dat de kamer is afgesloten. Laat het monster 20 minuten lang equilibreren bij de eerste meettemperatuur en sweep vervolgens het potentiaal met een snelheid van 1 mV per seconde tussen -0,2 V en 6,5 V. Eerst wordt het lithium-ion lithium-referentiepotentiaal bepaald.

Herhaal deze meting voor elke gewenste temperatuur. Droog het lithium TFSI gedurende drie dagen in een vacuümoven bij 70 °C voordat u begint met de fabricage van de batterij. Droog de te testen ionische vloeistof gedurende 24 uur bij 100 °C onder hoog vacuüm terwijl u krachtig roert.

Breng zowel de droge vloeistoffen als een oven-gedroogde kolf en een roerkolf in een glovebox. Plaats telkens 6,4 millimol van de ionische vloeistof en lithium TFSI in de kolf. Roer het mengsel een nacht lang om een homogeen mengsel met een elektrolytconcentratie van 1,6 molar te verkrijgen.

Droog de componenten van de knoopcel en een lithiumcobaltoxide-elektrode met een diameter van 12,7 millimeter gedurende één nacht bij 70 °C voordat u deze overbrengt naar de glovebox. Plaats één veer en een roestvrijstalen schijf in de bodemkap van de knoopcel. Plaats de elektrode in de stalen schijf.

Verwarm het elektrolytmengsel tot 60 °C op een warmteplaat en laat twee polypropyleen membraanscheiders gedurende 15 minuten onder roering in het mengsel weken. Bedek het oppervlak van de lithiumkobaltoxide-kathode met ongeveer 0,5 ml van het elektrolytmengsel en plaats vervolgens beide scheiders in het midden van de knoopcel. Plaats een paar druppels van het elektrolytmengsel bovenop de scheiders, waarbij wordt gewaarborgd dat alle spleten in de cel zijn gevuld.

Verhit de met elektrolyt bedekte kathode gedurende 15 minuten tot 60 °C. Snijd een stukje lithiummetaal van 0,75 mm dik en 12,7 mm diameter uit en plaats het metaal op de met elektrolyt verzadigde separatoren. Sluit de knoopcel af en verzegel deze met een crimper.

Haal de cel uit de glovebox en laat de cel 12 uur rusten. Om de batterijprestaties bij hoge temperaturen te testen, voert u kabels van een elektrochemisch teststation naar de achterwand van een oven. Sluit de knoopcel aan op het teststation in de oven en laat de cel 30 minuten in de oven staan om te equilibreren naar de oventemperatuur.

Selecteer bij het teststation galvanostatische laad-ontlaadcycli en stel het aantal cycli in op 500. Stel de laad- en ontlaadparameters en de rusttijden in en start vervolgens de laad-ontlaadcycli om de laadopbrengst in de loop van de tijd te evalueren. Vier op fosfonium gebaseerde ionische vloeistoffen werden geëvalueerd voor gebruik in lithium-ionbatterijen bij hoge temperaturen.

Thermogravimetrische analyse toonde aan dat de decompositietemperaturen varieerden van 340 tot 385 °C. De op TFSI gebaseerde ionische vloeistoffen waren minder viskeus, waardoor ze beter geschikt waren voor het volledig vullen van poriën en spleten in de batterijcomponenten. Cyclische voltammetrie-metingen van mono- en di-hexC10TFSI met lithium-TFSI in aanwezigheid van de lithiumcobaltoxide-kathode vertoonden de verwachte redoxpieken van lithiumcobaltoxide.

Voor beide vloeistoffen nam de stroom aanzienlijk toe met de temperatuur. Het mono-hexC10TFSI-mengsel vertoonde een hogere stroomrespons bij alle temperaturen. Oplaad-ontlaadcyclustesten van knoopcelbatterijen die mono-hexC10TFSI bevatten bij 100 °C toonden aan dat het capaciteitsverlies van de batterij snel ging bij lage concentraties lithium TFSI.

Bij concentraties die dichter bij het verzadigingspunt liggen, werd het capaciteitsverlies na 20 cycli gereduceerd tot ongeveer tien procent. Er werd een uitgebreide galvanostatische laad-ontlaadcyclustest uitgevoerd op een knoopcelbatterij die 1,6 molair TFSI en mono-hexC10TFSI bevatte bij 100 °C. De batterijcapaciteit was aanvankelijk ongeveer 135 mAh/g.

Na één maand was de capaciteit afgenomen tot 70 milliampere hours per gram. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om alle componenten van de batterij, zoals het elektrolyt en de elektroden, grondig te drogen vóór de assemblage van de cel. Bovendien moet bij het assembleren van de knoopcel zorgvuldig worden gewaakt over het coaten van de kathode en de separator met de elektrolyten.

Na het bekijken van deze video zou u in staat moeten zijn om ionische vloeistofelektrolyten te synthetiseren en lithium-ionbatterijen te vervaardigen. Er moet voorzichtig worden gewerkt bij het hanteren van de ionische vloeistoffen, aangezien hun hoge viscositeit extra uitdagingen bij de verwerking met zich meebrengt in vergelijking met standaardelektrolyten.