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 íons de lítio que funcione em alta temperatura, utilizando um eletrólito líquido iônico à base de fosfônio, não inflamável e termicamente estável, contendo bis(trifluormetanosulfonil)amida de lítio. Este método aborda desafios fundamentais no campo do armazenamento de energia em alta temperatura, especificamente os problemas de segurança associados ao uso de eletrólitos convencionais em baterias de íons de lítio. A principal vantagem desta técnica é que ela oferece uma abordagem para sintetizar e caracterizar eletrólitos termicamente estáveis e para construir baterias de íons de lítio que funcionem em alta temperatura.

Embora este método forneça subsídios para o projeto racional de eletrólitos líquidos biónicos otimizados para baterias de íons de lítio, ele também pode ser aplicado a supercapacitores e outros dispositivos de armazenamento de energia. Geralmente, indivíduos novos neste método enfrentam dificuldades porque as medições serão realizadas sob atmosfera inerte, com materiais extremamente secos. A demonstração visual deste método é essencial, pois a introdução de líquidos biónicos nas baterias é desafiadora devido à sua alta viscosidade.

Em uma caixa de luvas preenchida com argônio, utilize pipetas de vidro para dispensar 8,3 gramas de trifexila fosfina e 5,22 gramas de 1-clorodecano em um vaso de pressão com parede grossa, previamente secado em estufa e contendo um bastão de agitação. Tampe o vaso com uma bucha de PTFE e agite a mistura sob argônio a 140 graus Celsius por 24 horas. Remova os voláteis sob vácuo a 140 graus para obter o mono-hexe-10-cloreto bruto.

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

Em seguida, dissolva 7,75 gramas de mono-hexe-10-cloreto em dez mililitros de DCM. Adicione a solução de TFSI. Tampe o recipiente e agite a mistura à 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. Teste a presença de cloreto adicionando uma a duas gotas de solução de nitrato de prata um normal a um mililitro da fase DCM. Repita a extração se cloreto de prata for observado como um precipitado branco.

Em seguida, seque a solução de mono-hexe-10-TFSI com um grama de sulfato de magnésio anidro. Decante a solução seca e remova o solvente com um evaporador rotativo para isolar o produto. Para sintetizar os análogos di-fosfônio, siga este procedimento utilizando 1,10-diclorodecano e ajuste adequadamente suas proporções molares.

Para realizar medições de viscosidade, configure um reômetro de deformação controlada dentro de uma câmara de gás nitrogênio. Coloque um mililitro do líquido iônico sobre a platina Peltier do reômetro, garantindo que a placa de alumínio esteja completamente coberta. Ajuste a distância entre a amostra e uma placa paralela de alumínio com diâmetro de 20 milímetros para um a dois milímetros em todos os ensaios.

Pré-cisalhe a amostra a uma taxa de cisalhamento de 100 hertz por dez segundos e, em seguida, realize um passo de equilíbrio de 15 minutos. Em seguida, determine a região viscoelástica linear ou LVR com um varrimento oscilatório de deformação a uma frequência fixa de um hertz e amplitude de deformação entre 0,1 e dez por cento. Selecione uma deformação dentro da LVR e realize um varrimento oscilatório de frequência entre 0,1 e dez hertz.

Determine a viscosidade complexa em uma frequência e deformação escolhidas. Em seguida, nessa frequência e deformação, realize 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 amostra conforme necessário para cobrir completamente o sensor da sonda. Aqueça a amostra até a primeira temperatura de medição sob agitação.

Equilibre a amostra naquela temperatura por 30 minutos e, em seguida, realize a leitura de condutividade. Repita este processo para cada ponto de temperatura. Em seguida, monte uma célula de voltametria cíclica com eletrodo de três eletrodos de lítio-lítio e platina na caixa de luvas.

Coloque o líquido iônico na câmara de voltametria cíclica, mergulhe os eletrodos no líquido e certifique-se de que a câmara esteja vedada. Estabilize 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 e 6,5 volts. O primeiro é o potencial de referência do íon lítio em relação ao lítio.

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

Leve ambos os líquidos secos e um frasco e barra de agitação previamente secos em estufa para uma caixa de luvas. Adicione 6,4 milimoles de líquido iônico e de TFSI de lítio ao frasco. Agite a mistura durante a noite para obter uma mistura homogênea com concentração de eletrólito de 1,6 molar.

Seque os componentes do hardware da célula tipo moeda e um eletrodo de óxido de cobalto-lítio com diâmetro de 12,7 milímetros a 70 graus Celsius durante a noite antes de transferi-los para a caixa de luvas. Coloque uma mola e um disco de aço inoxidável na tampa inferior da célula tipo moeda. Posicione o eletrodo sobre o disco de aço.

Aqueça a mistura de eletrólito a 60 graus Celsius em uma placa aquecedora e mergulhe dois separadores de membrana de polipropileno na mistura sob agitação por 15 minutos. Cubra a superfície do cátodo de óxido de lítio-cobalto com cerca de 0,5 mililitros da mistura de eletrólito e, em seguida, coloque ambos os separadores no centro da célula tipo moeda. Adicione algumas gotas da mistura de eletrólito sobre os separadores, garantindo que todas as frestas da célula sejam preenchidas.

Aqueça o cátodo coberto com eletrólito a 60 graus Celsius por 15 minutos. Recorte um pedaço de metal de lítio com diâmetro de 12,7 milímetros e espessura de 0,75 milímetro e coloque o metal sobre os separadores embebidos com eletrólito. Tampe a célula tipo moeda e feche-a com um prensador.

Remova a célula da caixa de luvas e deixe a célula em repouso por 12 horas. Para testar o desempenho da bateria em altas temperaturas, passe cabos de uma estação de teste eletroquímico até a parede traseira de uma estufa. Conecte a célula tipo moeda à estação de teste dentro da estufa e deixe a célula na estufa por 30 minutos para equilibrar à temperatura da estufa.

No posto de teste, selecione o ciclo galvanostático de carga e descarga e defina o número de ciclos como 500. Configure os parâmetros de carga e descarga e os tempos de repouso 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 quanto ao uso em baterias de íon lítio em altas temperaturas.

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

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

Em concentrações mais próximas do ponto de saturação, a degradação da capacidade foi reduzida a cerca de dez por cento após 20 ciclos. Foi realizado um teste prolongado de ciclagem galvanostática de carga-descarga em uma bateria de botão contendo TFSI 1,6 molar e mono-hexC10TFSI a 100 graus Celsius. A capacidade da bateria foi inicialmente de cerca de 135 miliampere-horas por grama.

Após um mês, a capacidade havia diminuído 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 ter cuidado para revestir o cátodo e o separador com o eletrólito.

Após assistir a este vídeo, você deverá ser capaz de sintetizar eletrólitos de líquidos iônicos e fabricar baterias de íon lítio. É necessário ter cuidado ao manipular os líquidos iônicos, pois suas altas viscosidades representam desafios adicionais na manipulação em comparação com eletrólitos padrão.