Synteza elektrolitów na bazie cieczy jonowych, montaż akumulatorów litowo-jonowych i pomiary wydajności w wysokiej temperaturze

Ogólnym celem niniejszej procedury jest montaż wysokotemperaturowej baterii litowo-jonowej, która wykorzystuje niepalny, termicznie stabilny elektrolit w postaci cieczy jonowej na bazie fosfoniumu, zawierający bis(trifluormetanosulfonamido)lit. Metoda ta rozwiązuje kluczowe problemy w dziedzinie wysokotemperaturowego magazynowania energii, a w szczególności kwestie bezpieczeństwa związane ze stosowaniem konwencjonalnych elektrolitów w bateriach litowo-jonowych. Główną zaletą tej techniki jest zapewnienie podejścia do syntezy i charakterystyki termicznie stabilnych elektrolitów oraz konstrukcji baterii litowo-jonowych funkcjonujących w wysokich temperaturach.

Chociaż metoda ta pozwala zrozumieć racjonalne projektowanie bionicznych elektrolitów ciekłych zoptymalizowanych dla baterii litowo-jonowych, można ją również zastosować do superkondensatorów i innych urządzeń do magazynowania energii. Zazwyczaj osoby początkujące w tej metodzie napotykają trudności, ponieważ pomiary są wykonywane w atmosferze obojętnej z wykorzystaniem materiałów o ekstremalnie niskiej wilgotności. Wizualna prezentacja tej metody jest kluczowa, ponieważ wprowadzanie cieczy bionicznych do baterii jest wymagające ze względu na ich wysoką lepkość.

W rękawicy laboratoryjnej wypełnionej argonem, za pomocą pipet szklanych, odmierzyć 8,3 gramów trifenylfosfiny i 5,22 gramów 1-chlorodekanu do wysuszonego w piecu, grubościennego naczynia ciśnieniowego zawierającego mieszadło magnetyczne. Zamknąć naczynie tuleją z PTFE i mieszać mieszaninę w atmosferze argonu w temperaturze 140 °C przez 24 godziny. Usunąć substancje lotne w próżni w temperaturze 140 °C, aby otrzymać surowy mono-hekse-10-chlorek.

Ekstrahuj mono-heks-10-chlorek do DCM trzykrotnie, używając dziesięciomililitrowych porcji mieszaniny DCM i solanki w stosunku jeden do jednego. Usuń lotne składniki z fazy DCM, aby wyizolować produkt w postaci mono-heks-10-chlorku. Następnie rozpuść 6,25 g TFSI litu w dziesięciu mililitrach wody dejonizowanej.

Następnie rozpuścić 7,75 g mono-heksenu-10-chlorku w dziesięciu mililitrach DCM. Dodać roztwór TFSI. Zamknąć naczynie i mieszać mieszaninę w temperaturze pokojowej przez 24 godziny, aby otrzymać surowy mono-heksen-10-TFSI.

Wyodrębnić mono-hexe-10-TFSI do 20 mililitrów DCM w trzech powtórzeniach. Przetestować obecność chlorków, dodając jedną do dwóch kropli roztworu azotanu srebra o stężeniu 1 normalnego do jednego mililitra fazy DCM. Powtórzyć ekstrakcję, jeśli zaobserwowano wytrącenie białego osadu chlorku srebra.

Następnie osusz roztwór mono-heksy-10-TFSI za pomocą jednego grama bezwodnego siarczanu magnezu. Zlej osuszony roztwór i usuń rozpuszczalnik za pomocą ewaporatora rotacyjnego, aby wyizolować produkt. W celu syntezy analogów difosfoniowych postępuj zgodnie z tą procedurą, stosując 1, 10-dichlorodekan i odpowiednio dostosowując proporcje molowe.

Aby przeprowadzić pomiary lepkości, należy ustawić reometr sterowany odkształceniem w worku rękawiczkowym wypełnionym azotem. Nanieś jeden mililitr cieczy jonowej na moduł Peltiera reometru, upewniając się, że płyta aluminiowa jest całkowicie pokryta. W każdej z serii pomiarowych ustaw przerwę między próbką a równoległą aluminiową płytą o średnicy 20 milimetrów na wartość od jednego do dwóch milimetrów.

Przedwstępnie poddaj próbkę ścinaniu przy częstotliwości 100 Hertz przez dziesięć sekund, a następnie przeprowadź 15-minutowy etap równoważenia. Następnie wyznacz obszar liniowej lepkosprężystości (LVR) za pomocą oscylacyjnego skanowania odkształcenia przy stałej częstotliwości 1 Hertz i amplitudzie odkształcenia od 0,1 do dziesięciu procent. Wybierz wartość odkształcenia w obrębie LVR i przeprowadź oscylacyjne skanowanie częstotliwości od 0,1 do dziesięciu Hertz.

Wyznacz lepkość zespoloną przy wybranej częstotliwości i odkształceniu. Następnie, przy tej częstotliwości i odkształceniu, przeprowadź oscylacyjny pomiar temperatury w zakresie od 10 do 95 °C z przyrostami co 5 °C, z zachowaniem jednej minuty czasu wyrównania przy każdej temperaturze. Aby zmierzyć przewodnictwo próbki, najpierw wysusz ciecz jonową w temperaturze 100 °C w próżni przez 12 godzin.

Nalać około czterech mililitrów cieczy jonowej do probówki. Wprowadzić sondę konduktometryczną i dodać więcej próbki w razie potrzeby, aby całkowicie zanurzyć czujnik sondy. Podgrzewać próbkę do pierwszej temperatury pomiaru podczas mieszania.

Równoważ próbkę w tej temperaturze przez 30 minut, a następnie zmierz przewodność. Powtórz ten proces dla każdego punktu temperatury. Następnie, w rękawicy laboratoryjnej, przygotuj układ do woltamperometrii cyklicznej z trzema elektrodami: litową, litową i platynową.

Umieść ciecz jonową w komorze CV, zanurz elektrody w cieczy i upewnij się, że komora jest szczelnie zamknięta. Równoważ próbkę w pierwszej temperaturze pomiaru przez 20 minut, a następnie przeprowadź sweep potencjału z szybkością 1 mV/s w zakresie od -0,2 V do 6,5 V. Pierwszą wartością jest potencjał odniesienia jonu litu.

Powtórz ten pomiar dla każdej pożądanej temperatury. Przed rozpoczęciem procesu wytwarzania baterii, wysusz TFSI litu przez trzy dni w piecu próżniowym w temperaturze 70 °C. Wysusz ciecz jonową przeznaczoną do badań w wysokiej próżni w temperaturze 100 °C przez 24 godziny, intensywnie mieszając.

Przenieść obie suche ciecze oraz wysuszoną w piecu kolbę i mieszadło magnetyczne do komory glove box. Do kolby wprowadzić po 6,4 milimola cieczy jonowej i TFSI litu. Mieszaninę mieszać przez noc, aby uzyskać jednorodny roztwór o stężeniu elektrolitu 1,6 mola.

Wysuszyć elementy zestawu do ogniwa guzikowego oraz elektrodę z tlenku litu i kobaltu o średnicy 12,7 mm w temperaturze 70 °C przez noc, przed przeniesieniem ich do rękawicy laboratoryjnej. Umieścić jedną sprężynę i dysk ze stali nierdzewnej w dolnej obudowie ogniwa guzikowego. Umieścić elektrodę na dysku stalowym.

Podgrzać mieszaninę elektrolitu do 60°C na płytce grzejnej i namoczyć dwa separatory z membrany polipropylenowej w mieszaninie, mieszając przez 15 minut. Przykryć powierzchnię katody z tlenku litu i kobaltu około 0,5 ml mieszaniny elektrolitu, a następnie umieścić oba separatory w centrum ogniwa guzikowego. Nanieść kilka kropel mieszaniny elektrolitu na wierzch separatorów, upewniając się, że wszystkie szczeliny w ogniwie zostały wypełnione.

Podgrzewaj katodę pokrytą elektrolitem do 60 °C przez 15 minut. Wytnij kawałek litu metalicznego o średnicy 12,7 mm i grubości 0,75 mm, a następnie umieść metal na nasączonych elektrolitem separatorach. Zamknij ogniwo pastylkowe i zaciśnij je praską.

Wyjmij ogniwo z komory rękawicowej i pozostaw je na 12 godzin. Aby przetestować wydajność baterii w wysokich temperaturach, przeprowadź kable ze stacji testów elektrochemicznych przez tylną ścianę pieca. Podłącz ogniwo guzikowe do stacji testowej w piecu i pozostaw ogniwo w piecu na 30 minut, aby wyrównało temperaturę z temperaturą pieca.

Na stanowisku testowym wybierz cykle ładowania-rozładowania galwanostatycznego i ustaw liczbę cykli na 500. Skonfiguruj parametry ładowania i rozładowania oraz czasy odpoczynku, a następnie rozpocznij cykle ładowania-rozładowania, aby ocenić wydajność ładunku w czasie. Ewaluowano cztery ciecze jonowe na bazie fosfoniu pod kątem zastosowania w bateriach litowo-jonowych w wysokich temperaturach.

Analiza termograwimetryczna wykazała, że temperatury rozkładu mieściły się w zakresie od 340 do 385 °C. Ciecze jonowe oparte na TFSI charakteryzowały się niższą lepkością, co sprawiło, że lepiej nadawały się do całkowitego wypełniania porów i szczelin w komponentach baterii. Pomiary woltamperometrii cyklicznej mono- i di-hexC10TFSI z TFSI litu w obecności katody z tlenku litu i kobaltu wykazały oczekiwane piki redoks tlenku litu i kobaltu.

W przypadku obu cieczy natężenie prądu znacznie wzrosło wraz z temperaturą. Mieszanina mono-hexC10TFSI wykazała wyższą odpowiedź prądową w całym zakresie temperatur. Testy cykli ładowania i rozładowania baterii guzikowych zawierających mono-hexC10TFSI w temperaturze 100 °C wykazały, że spadek pojemności baterii był gwałtowny przy niskich stężeniach TFSI litu.

Przy stężeniach bliższych punktowi nasycenia spadek pojemności został zredukowany do około dziesięciu procent po 20 cyklach. Przeprowadzono rozszerzony test cyklicznego ładowania i rozładowania galwanostatycznego baterii guzikowej zawierającej 1,6 molar TFSI oraz mono-hexC10TFSI w temperaturze 100 °C. Pojemność baterii wynosiła początkowo około 135 mAh/g.

Po jednym miesiącu pojemność spadła do 70 mAh/g. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest dokładne wysuszenie wszystkich komponentów baterii, takich jak elektrolit i elektrody, przed montażem ogniwa. Ponadto podczas montażu ogniwa guzikowego należy zadbać o pokrycie katody i separatora elektrolitami.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś być w stanie zsyntetyzować elektrolity na bazie cieczy jonowych oraz zbudować baterie litowo-jonowe. Należy zachować ostrożność podczas pracy z cieczami jonowymi, ponieważ ich wysoka lepkość stwarza dodatkowe trudności w obchodzeniu się z nimi w porównaniu z typowymi elektrolitami.