Síntese de líquidos iónicos baseados eletrólitos, Assembléia de baterias de iões de lítio, e as medições de desempenho em alta temperatura

O objetivo geral deste procedimento é montar uma bateria de íon de lítio em funcionamento de alta temperatura que utilize um eletrólito líquido à base de fosfônio não inflamável e termicamente estável contendo lítio bis trifluorometano sulfonamida. Este método aborda os principais desafios em um campo de armazenamento de energia de alta temperatura, especificamente as questões de segurança com o uso de eletrólitos convencionais em baterias de íon de lítio. A principal vantagem dessa técnica é que ela fornece uma abordagem para sintetizar e caracterizar eletrólitos termicamente estáveis e para construir baterias de íon de lítio com funcionamento em alta temperatura.

Embora esse método forneça informações sobre eletrólitos líquidos biônicos de design racional otimizados para baterias de íon de lítio, ele também pode ser aplicado a supercapacitores e outros dispositivos de armazenamento de energia. Geralmente, os indivíduos novos neste método lutam porque as medições serão feitas em atmosfera inerte com materiais extremamente secos. A demonstração visual desse método é crítica, pois a introdução de líquidos biônicos nas baterias é um desafio devido às suas altas viscosidades.

Em um porta-luvas cheio de argônio, use pipetas de vidro para dispensar 8,3 gramas de trihexil fosfeno e 5,22 gramas de 1-clorodecano em um vaso de pressão de parede pesada seco no forno contendo uma barra de agitação. Tampe o recipiente com uma bucha de PTFE e mexa a mistura sob argônio a 140 graus Celsius por 24 horas. Remova os voláteis sob vácuo a 140 graus para obter cloreto de mono-hexágono-10 bruto.

Extrair o cloreto de mono-hexágono-10 para o DCM três vezes com porções de dez mililitros de uma mistura de um para um de DCM e salmoura. Remova os voláteis da fase DCM para isolar o produto mono-hexágono-10-cloreto. Em seguida, dissolva 6,25 gramas de lítio TFSI em dez mililitros de água deionizada.

Em seguida, dissolva 7,75 gramas de cloreto de mono-hexágono-10 em dez mililitros de DCM. Adicione a solução TFSI. Tampe o recipiente e mexa a mistura em temperatura ambiente por 24 horas para obter o mono-hexe-10-TFSI bruto.

Extraia o mono-hexe-10-TFSI em 20 mililitros de DCM três vezes. Testar a presença de cloreto adicionando uma a duas gotas de uma solução normal de nitrato de prata a um mililitro da fase DCM. Repetir a extracção se for observado cloreto de prata como precipitado branco.

Em seguida, secar a solução mono-hexe-10-TFSI com um grama de sulfato de magnésio anidro. Transvasar a solução seca e remover o solvente com um evaporador rotativo para isolar o produto. Para sintetizar os análogos de difosfônio, siga este procedimento usando 1,10-diclorodecano e ajuste adequadamente suas proporções molares.

Para realizar medições de viscosidade, instale um reômetro de tensão controlada em um porta-luvas cheio de gás nitrogênio. Coloque um mililitro do líquido iônico no estágio Peltier do reômetro, certificando-se de que a placa de alumínio esteja totalmente coberta. Defina a folga entre a amostra e uma placa de alumínio paralela de 20 milímetros de diâmetro em um a dois milímetros em todos os testes.

Pré-corte a amostra a uma taxa de cisalhamento de 100 Hertz por dez segundos e, em seguida, execute uma etapa de equilíbrio de 15 minutos. Em seguida, determine a região viscoelástica linear ou LVR com uma varredura de deformação oscilatória a uma frequência fixa de um Hertz com uma amplitude de deformação de 0,1 a dez por cento. Selecione uma deformação dentro do LVR e execute uma varredura de frequência oscilatória de 0,1 a dez Hertz.

Determine a viscosidade complexa em uma frequência e tensão escolhidas. Em seguida, nessa frequência e tensão, execute uma varredura oscilatória de temperatura de dez a 95 graus Celsius em incrementos de cinco graus com um minuto de equilíbrio em cada temperatura. Para medir a condutividade da amostra, primeiro seque o líquido iônico a 100 graus Celsius sob vácuo por 12 horas.

Coloque cerca de quatro mililitros do líquido iônico em um tubo de ensaio. Insira a sonda de condutividade e adicione mais sample conforme necessário para cobrir completamente o sensor da sonda. Aqueça a amostra até a primeira temperatura de medição enquanto agita.

Equilibre a amostra nessa temperatura por 30 minutos e, em seguida, faça a leitura de condutividade. Repita este processo para cada ponto de temperatura. Em seguida, configure um conjunto de voltametria cíclica de três eletrodos de lítio-platina de lítio-lítio no porta-luvas.

Coloque o líquido iônico na câmara CV, mergulhe os eletrodos no líquido e certifique-se de que a câmara esteja selada. Equilibre a amostra na primeira temperatura de medição por 20 minutos e, em seguida, varra o potencial a uma taxa de um milivolt por segundo entre 0,2 volts negativos e 6,5 volts. O primeiro é o potencial de referência de lítio de íon de lítio.

Repita esta medição para cada temperatura desejada. Antes de iniciar a fabricação da bateria, seque o TFSI de lítio por três dias em um forno a vácuo a 70 graus Celsius. Seque o líquido iônico a ser testado sob alto vácuo a 100 graus Celsius por 24 horas, mexendo vigorosamente.

Traga os líquidos secos e um frasco seco no forno e mexa a barra para um porta-luvas. Colocar 6,4 milimoles de cada um dos líquidos iónicos e de lítio TFSI no balão. Agite a mistura durante a noite para obter uma mistura homogênea com uma concentração de eletrólito molar de 1,6.

Seque os componentes de hardware da célula tipo moeda e um eletrodo de óxido de lítio-cobalto de 12,7 milímetros de diâmetro a 70 graus Celsius durante a noite antes de transferi-los para o porta-luvas. Coloque uma mola e um disco de aço inoxidável na tampa inferior da célula tipo moeda. Coloque o eletrodo no disco de aço.

Aqueça a mistura de eletrólitos a 60 graus Celsius em uma placa quente e mergulhe dois separadores de membrana de polipropileno na mistura, mexendo por 15 minutos. Cubra a superfície do cátodo de óxido de lítio-cobalto com cerca de 0,5 mililitros da mistura eletrolítica e, em seguida, coloque os dois separadores no centro da célula tipo moeda. Coloque algumas gotas da mistura de eletrólitos em cima dos separadores, garantindo que todas as fendas da célula sejam preenchidas.

Aqueça o cátodo coberto de eletrólitos a 60 graus Celsius por 15 minutos. Corte um pedaço de metal de lítio de 12,7 milímetros de diâmetro com 0,75 milímetro de espessura e coloque o metal nos separadores embebidos em eletrólitos. Tampe a célula tipo moeda e sele-a com um crimpador.

Remova a célula do porta-luvas e deixe-a descansar por 12 horas. Para testar o desempenho da bateria em altas temperaturas, passe os cabos de uma estação de teste eletroquímico na parede traseira de um forno. Conecte a célula tipo moeda à estação de teste no forno e deixe a célula no forno por 30 minutos para equilibrar a temperatura do forno.

Na estação de teste, selecione o ciclo de carga-descarga galvanostático e defina o número do ciclo para 500. Defina os parâmetros de carga e descarga e os tempos de descanso e, em seguida, inicie o ciclo de carga-descarga para avaliar a saída de carga ao longo do tempo. Quatro líquidos iônicos à base de fosfônio foram avaliados para uso em baterias de íon de lítio em altas temperaturas.

A análise termogravimétrica mostrou que as temperaturas de decomposição variaram de 340 a 385 graus Celsius. Os líquidos iônicos à base de TFSI eram menos viscosos, tornando-os mais adequados para preencher completamente os poros e fendas nos componentes da bateria. Medições de voltametria cíclica de mono e di-hexC10TFSI com lítio-TFSI na presença do cátodo de óxido de lítio-cobalto mostraram os picos redox esperados de óxido de lítio-cobalto.

Para ambos os líquidos, a corrente aumentou significativamente com a temperatura. A mistura mono-hexágono C10TFSI apresentou uma resposta de corrente mais alta a todas as temperaturas. Testes de ciclo de carga e descarga de baterias de célula tipo moeda contendo mono-hexC10TFSI a 100 graus Celsius mostraram que a queda da capacidade da bateria foi rápida em baixas concentrações de lítio TFSI.

Em concentrações mais próximas do ponto de saturação, o decaimento da capacidade foi reduzido para cerca de dez por cento após 20 ciclos. Um teste de ciclo de carga-descarga galvanostático estendido de uma bateria de célula tipo moeda contendo TFSI de 1,6 molar e mono-hexC10TFSI foi realizado a 100 graus Celsius. A capacidade da bateria era inicialmente de cerca de 135 miliamperes-hora por grama.

Após um mês, a capacidade diminuiu para 70 miliamperes-hora por grama. Ao tentar este procedimento, é importante secar completamente todos os componentes da bateria, como o eletrólito e os eletrodos, antes da montagem da célula. Além disso, ao montar a célula tipo moeda, deve-se tomar cuidado para revestir o cátodo e o separador com os eletrólitos.

Depois de assistir a este vídeo, você poderá sintetizar eletrólitos líquidos iônicos e fabricar baterias de íon de lítio. Deve-se ter cuidado ao manusear os líquidos iônicos, pois suas altas viscosidades representam desafios adicionais de manuseio em comparação com os eletrólitos padrão.