Synteza elektrolitów na bazie cieczy jonowych, montaż akumulatorów litowo-jonowych i pomiary wydajności w wysokiej temperaturze
20 grudnia 2016
Tutaj opisujemy protokoły przygotowania elektrolitów z soli jonowej bis(trifluorometanu)sulfonimidu litu na bazie fosfonu i soli bis(trifluorometanu)sulfonimidu, oraz montażu niepalnej i działającej w wysokiej temperaturze baterii litowo-jonowej.
Ogólnym celem tej procedury jest zmontowanie działającej w wysokiej temperaturze baterii litowo-jonowej, która wykorzystuje niepalny, stabilny termicznie ciekły elektrolit jonowy na bazie fosfonii zawierający bis trifluorometanosulfonamid litu. Metoda ta rozwiązuje kluczowe wyzwania w dziedzinie magazynowania energii w wysokiej temperaturze, w szczególności kwestie bezpieczeństwa związane ze stosowaniem konwencjonalnych elektrolitów w akumulatorach litowo-jonowych. Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia ona podejście do syntezy i charakterystyki stabilnych termicznie elektrolitów oraz do konstruowania działających w wysokiej temperaturze akumulatorów litowo-jonowych.
Chociaż metoda ta zapewnia wgląd w racjonalne bioniczne ciekłe elektrolity zoptymalizowane pod kątem akumulatorów litowo-jonowych, można ją również zastosować do superkondensatorów i innych urządzeń do magazynowania energii. Ogólnie rzecz biorąc, osoby początkujące w tej metodzie mają trudności, ponieważ pomiary będą wykonywane w obojętnej atmosferze przy użyciu wyjątkowo suchych materiałów. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ wprowadzenie płynów bionicznych do akumulatorów jest trudne ze względu na ich wysoką lepkość.
W schowku rękawicowym wypełnionym argonem za pomocą szklanych pipet dozować 8,3 grama fosfenu triheksylu i 5,22 grama 1-chlorodekanu do wysuszonego w piekarniku naczynia ciśnieniowego o grubych ściankach zawierającego mieszadło. Zakryj naczynie tuleją z PTFE i mieszaj mieszaninę pod argonem w temperaturze 140 stopni Celsjusza przez 24 godziny. Usunąć substancje lotne w próżni w temperaturze 140 stopni, aby uzyskać surowy mono-hexo-10-chlorek.
Ekstrahować mono-hekse-10-chlorek do DCM trzykrotnie za pomocą dziesięciomililitrowych porcji mieszaniny jeden do jednego DCM i solanki. Usunąć substancje lotne z fazy DCM w celu wyizolowania produktu mono-hekso-10-chlorkowego. Następnie rozpuść 6,25 grama litu TFSI w dziesięciu mililitrach wody dejonizowanej.
Następnie rozpuść 7,75 grama mono-hekse-10-chlorku w dziesięciu mililitrach DCM. Dodaj rozwiązanie TFSI. Zakryj pojemnik i mieszaj mieszaninę w temperaturze pokojowej przez 24 godziny, aby uzyskać surowy mono-hexe-10-TFSI.
Trzykrotnie wyekstrahuj mono-hexe-10-TFSI do 20 mililitrów DCM. Sprawdzić obecność chlorków, dodając jedną do dwóch kropli jednego normalnego roztworu azotanu srebra do jednego mililitra fazy DCM. Powtórzyć ekstrakcję, jeśli chlorek srebra jest obserwowany jako biały osad.
Następnie wysuszyć roztwór mono-hexe-10-TFSI jednym gramem bezwodnego siarczanu magnezu. Zdekantować wysuszony roztwór i usunąć rozpuszczalnik za pomocą wyparki obrotowej w celu wyizolowania produktu. Aby zsyntetyzować analogi di-fosfonii, postępuj zgodnie z tą procedurą przy użyciu 1, 10-dichlorodekanu i odpowiednio dostosuj jego proporcje molowe.
Aby wykonać pomiary lepkości, należy ustawić kontrolowany reometr odkształcający się w wypełnionej azotem torbie rękawicowej. Umieść jeden mililitr cieczy jonowej na stoliku Peltiera reometru, upewniając się, że aluminiowa płytka jest całkowicie zakryta. Ustaw odstęp między próbką a równoległą płytką aluminiową o średnicy 20 milimetrów na jeden do dwóch milimetrów we wszystkich przebiegach testowych.
Wstępnie ścinaj próbkę z szybkością ścinania 100 Hz przez dziesięć sekund, a następnie wykonaj 15-minutowy krok równowagi. Następnie wyznacz liniowy obszar lepkosprężysty lub LVR z oscylacyjnym przemiataniem odkształcenia ze stałą częstotliwością jednego herca z amplitudą odkształcenia od 0,1 do dziesięciu procent. Wybierz szczep w LVR i wykonaj oscylacyjne przemiatanie częstotliwości od 0,1 do dziesięciu Hz.
Określ złożoną lepkość przy wybranej częstotliwości i odkształceniu. Następnie, przy tej częstotliwości i naprężeniu, wykonaj oscylacyjne przemiatanie temperatury od dziesięciu do 95 stopni Celsjusza w krokach co pięć stopni z jedną minutą równowagi w każdej temperaturze. Aby zmierzyć przewodność próbki, najpierw wysusz ciecz jonową w temperaturze 100 stopni Celsjusza w próżni przez 12 godzin.
Umieść około czterech mililitrów cieczy jonowej w probówce. Włóż sondę przewodności i w razie potrzeby dodaj więcej próbki, aby całkowicie zakryć czujnik sondy. Podgrzać próbkę do pierwszej temperatury pomiaru, mieszając.
Równoważyć próbkę w tej temperaturze przez 30 minut, a następnie wykonać odczyt przewodności. Powtórz ten proces dla każdego punktu temperatury. Następnie zainstaluj zespół trójelektrodowej woltamperometrii litowo-platynowej w schowku na rękawiczki.
Umieść ciecz jonową w komorze CV, zanurz elektrody w cieczy i upewnij się, że komora jest szczelna. Równoważyć próbkę w temperaturze pierwszego pomiaru przez 20 minut, a następnie przemiatać potencjał z szybkością jednego miliwolta na sekundę między minus 0,2 wolta a 6,5 wolta. Pierwszym z nich jest potencjał odniesienia litu litowo-jonowego.
Powtórz ten pomiar dla każdej żądanej temperatury. Przed rozpoczęciem produkcji baterii należy wysuszyć lit TFSI przez trzy dni w piecu próżniowym w temperaturze 70 stopni Celsjusza. Suszyć badaną ciecz jonową w wysokiej próżni w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez 24 godziny, energicznie mieszając.
Do schowka na rękawiczki wnieść zarówno suche płyny, jak i wysuszoną w piekarniku kolbę i mieszadło. Umieścić w kolbie po 6,4 milimoli każdej z cieczy jonowej i litu TFSI. Mieszaj mieszaninę przez noc, aby uzyskać jednorodną mieszaninę o stężeniu elektrolitu 1,6 molowego.
Wysuszyć elementy osprzętu ogniwa pastylkowego i elektrodę z tlenku litowo-kobaltowego o średnicy 12,7 milimetra w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez noc przed przeniesieniem ich do schowka na rękawiczki. Umieść jedną sprężynę i dysk ze stali nierdzewnej w dolnej nasadce ogniwa pastylkowego. Umieść elektrodę w stalowym dysku.
Podgrzej mieszaninę elektrolitów do 60 stopni Celsjusza na gorącej płycie i zanurz w niej dwa separatory z membraną polipropylenową, mieszając przez 15 minut. Przykryj powierzchnię katody litowo-kobaltowej około 0,5 mililitra mieszaniny elektrolitów, a następnie umieść oba separatory w środku ogniwa pastylkowego. Umieść kilka kropli mieszaniny elektrolitów na wierzchu separatorów, upewniając się, że wszystkie szczeliny w ogniwie są wypełnione.
Podgrzej katodę pokrytą elektrolitem do 60 stopni Celsjusza przez 15 minut. Wytnij kawałek litu o średnicy 12,7 milimetra z metalu o grubości 0,75 milimetra i umieść metal na separatorach nasączonych elektrolitem. Zakryj baterię monetową i uszczelnij ją zaciskarką.
Wyjmij ogniwo ze schowka na rękawiczki i pozostaw je na 12 godzin. Aby przetestować wydajność baterii w wysokich temperaturach, należy przekręcić ze stacji do testów elektrochemicznych do tylnej ściany piekarnika. Podłącz baterię pastylkową do stacji testowej w piekarniku i pozostaw komórkę w piekarniku na 30 minut, aby zrównoważyć się z temperaturą piekarnika.
Na stanowisku testowym wybierz cykl galwanostatycznego ładowania i wyładowań i ustaw numer cyklu na 500. Ustaw parametry ładowania i rozładowania oraz czasy odpoczynku, a następnie rozpocznij cykl ładowania-rozładowania, aby ocenić moc ładowania w czasie. Cztery ciecze jonowe na bazie fosfonii oceniono pod kątem stosowania w akumulatorach litowo-jonowych w wysokich temperaturach.
Analiza termograwimetryczna wykazała, że temperatury rozkładu wahały się od 340 do 385 stopni Celsjusza. Ciecze jonowe na bazie TFSI były mniej lepkie, dzięki czemu lepiej nadawały się do całkowitego wypełniania porów i szczelin w elementach akumulatora. Cykliczne pomiary woltamperometryczne mono i di-hexC10TFSI z litem-TFSI w obecności katody litowo-kobaltowo-tlenkowej wykazały oczekiwane piki redoks tlenku litowo-kobaltowego.
W przypadku obu cieczy prąd znacznie wzrastał wraz z temperaturą. Mieszanina mono-hexC10TFSI wykazała wyższą reakcję prądową na wszystkie temperatury. Testy cyklicznego ładowania i rozładowania baterii pastylkowych zawierających mono-hexC10TFSI w temperaturze 100 stopni Celsjusza wykazały, że spadek pojemności baterii był szybki przy niskich stężeniach litu TFSI.
Przy stężeniach bliższych punktowi nasycenia zanik pojemności zmniejszył się do około dziesięciu procent po 20 cyklach. Rozszerzony test galwanostatycznych cykli ładowania i rozładowania baterii pastylkowej zawierającej 1,6 mola TFSI i mono-hexC10TFSI przeprowadzono w temperaturze 100 stopni Celsjusza. Pojemność baterii wynosiła początkowo około 135 miliamperogodzin na gram.
Po miesiącu wydajność zmniejszyła się do 70 miliamperogodzin na gram. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby dokładnie wysuszyć wszystkie elementy akumulatora, takie jak elektrolit i elektrody, przed montażem ogniwa. Ponadto podczas montażu ogniwa pastylkowego należy zwrócić uwagę na pokrycie katody i separatora elektrolitami.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś być w stanie zsyntetyzować elektrolity z cieczy jonowej i wyprodukować akumulatory litowo-jonowe. Należy zachować ostrożność podczas obchodzenia się z cieczami jonowymi, ponieważ ich wysoka lepkość stwarza dodatkowe wyzwania w porównaniu ze standardowymi elektrolitami.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W tym artykule przedstawiono protokoły przygotowywania elektrolitów jonowych opartych na fosfonium i soli litowo-bis(trifluorometansulfonianu), mające na celu złożenie ogniwa litowo-jonowego typu coin o wysokiej temperaturze pracy, odpornego na działanie ognia. Metoda ta rozwiązuje problemy bezpieczeństwa związane z konwencjonalnymi elektrolitami w ogniwach litowo-jonowych.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Magazynowanie energii
- Technologia baterii
- Opracowywanie elektrolitów
Tło
- Ogniwa litowo-jonowe o wysokiej temperaturze pracy są niezbędne w różnych zastosowaniach.
- Konwencjonalne elektrolity stanowią zagrożenie dla bezpieczeństwa ze względu na palność.
- Jono ciecze oparte na fosfonium oferują termicznie stabilną alternatywę.
- Zrozumienie syntezy i charakteryzacji tych elektrolitów jest kluczowe.
Cel badania
- Synteza i charakteryzacja termicznie stabilnych elektrolitów do ogniw litowo-jonowych.
- Zbudowanie ogniw litowo-jonowych o wysokiej temperaturze pracy.
- Dostarczenie informacji na temat projektowania jonowych elektrolitów.
Wykorzystane metody
- Przygotowanie jonowych cieczy opartych na fosfonium.
- Wykorzystanie soli litowo-bis(trifluorometansulfonianu).
- Złożenie ogniw litowo-jonowych typu coin.
- Pomiary przeprowadzane w atmosferze obojętnej z użyciem suchych materiałów.
Główne wyniki
- Pomyślne złożenie ogniwa litowo-jonowego odpornego na działanie ognia.
- Demonstracja skuteczności termicznie stabilnego elektrolitu.
- Wgląd w wyzwania związane z wykorzystaniem jonowych cieczy ze względu na wysokie lepkości.
- Potencjalne zastosowania w superkondensatorach i innych urządzeniach do magazynowania energii.
Wnioski
- Ta metoda zapewnia bezpieczną alternatywę dla ogniw litowo-jonowych o wysokiej temperaturze pracy.
- Demonstracje wizualne są kluczowe dla zrozumienia procesu.
- Dalsze badania mogą zoptymalizować jono we cieczach pod kątem szerszych zastosowań.
Najczęściej zadawane pytania
Executive Industry Relevance
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.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of electrolyte thermal stability and electrochemical window as key determinants of battery safety and function.
- Operational Value: Provides standardized synthesis and characterization protocols for phosphonium-based ionic liquids to support reproducible evaluation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of validated electrolyte systems for downstream performance testing in battery assemblies.
- Operational Value: Supports assay standardization through DSC, TGA, CV, and conductivity measurements under controlled inert conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates continuity from electrolyte synthesis to functional battery evaluation at 100°C, enabling translational assessment of high-temperature performance.
- Operational Value: Highlights reproducibility challenges related to material drying and viscous handling, informing process optimization for scalable workflows.
Pipeline & Workflow Integration
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.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of ionic liquid structures for thermal stability and ionic conductivity as key performance determinants.
- Screening: Enables assay readiness through viscosity, conductivity, and electrochemical window measurements under inert, dry conditions.
- Analytics: Generates quantitative outputs including decomposition temperature (TGA), ionic conductivity vs. temperature, and redox peak identification (CV) for comparative electrolyte evaluation.
- Translational Research: Connects electrolyte properties to functional battery outcomes such as capacity retention and cycling stability at elevated temperature.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating diverse ionic liquid electrolytes across energy storage applications including supercapacitors.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in electrolyte thermal stability and electrochemical compatibility reduces mechanistic ambiguity in battery failure modes.
- Operational Value: Standardized synthesis, purification, and characterization workflows enhance reproducibility and cross-team consistency.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions on electrolyte candidates by linking molecular structure to high-temperature performance and safety profiles.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of electrolyte systems based on decomposition thresholds, conductivity, and cycling stability data.
Implementation Considerations
- Expertise in air-sensitive synthesis, electrochemistry, and thermal analysis under inert atmosphere.
- Instrumentation including glove boxes, DSC, TGA, rheometer, conductivity probe, potentiostat, and vacuum drying equipment.
- Standardization of drying protocols for electrolytes, electrodes, and cell components to prevent moisture-induced side reactions.
- Adaptation considerations for varying ionic liquid viscosities and hygroscopicity across phosphonium anion/cation combinations.
- Practical limitations include high viscosity complicating electrode wetting and separator saturation, requiring optimized soaking and heating steps.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:06
Synthesis and Purification of Mono-HexC10Cl and Mono-HexC10TFSI
3:21
Characterization of Phosphonium-based Ionic Liquids
5:56
Fabrication and Evaluation of the Lithium Ion Coin Cell Battery
8:41
Results: Evaluation of Ionic Liquid Electrolytes in Coin Cell Batteries
10:22
Conclusion
