Синтез Ионные электролиты жидкость, основанная, Сборка литий-ионных батарей, и измерения производительности при высокой температуре

Общая цель данной процедуры заключается в сборке высокотемпературного литий-ионного аккумулятора, в котором используется негорючий термостабильный электролит на основе фосфониевой ионной жидкости, содержащей бис(трифторметансульфонамид) лития. Данный метод позволяет решить ключевые задачи в области высокотемпературного хранения энергии, в частности, проблемы безопасности, связанные с использованием традиционных электролитов в литий-ионных аккумуляторах. Основным преимуществом данной методики является то, что она предлагает подход к синтезу и характеристике термостабильных электролитов, а также к созданию литий-ионных аккумуляторов, функционирующих при высоких температурах.

Хотя данный метод позволяет понять принципы рационального дизайна бионических жидких электролитов, оптимизированных для литий-ионных аккумуляторов, он также может быть применен к суперконденсаторам и другим устройствам хранения энергии. Как правило, специалисты, впервые использующие этот метод, сталкиваются с трудностями, поскольку измерения проводятся в инертной атмосфере с использованием экстремально сухих материалов. Визуальная демонстрация данного метода имеет критическое значение, так как введение бионических жидкостей в аккумуляторы затруднено из-за их высокой вязкости.

В перчаточном боксе, заполненном аргоном, с помощью стеклянных пипеток перенесите 8,3 грамма тригексилфосфина и 5,22 грамма 1-хлородекана в высушенный в печи автоклав с толстыми стенками, содержащий магнитный якорь. Закройте сосуд затычкой из ПТФЭ и перемешивайте смесь в атмосфере аргона при 140 °C в течение 24 часов. Удалите летучие вещества под вакуумом при 140 °C для получения неочищенного моно-гекс-10-хлорида.

Экстрагируйте моно-гекс-10-хлорид в DCM трижды порциями по 10 мл смеси DCM и насыщенного раствора NaCl в соотношении один к одному. Удалите летучие компоненты из фазы DCM для выделения продукта моно-гекс-10-хлорида. Затем растворите 6,25 г литиевого TFSI в 10 мл деионизированной воды.

Затем растворите 7,75 г моно-гекс-10-хлорида в десяти миллилитрах DCM. Добавьте раствор TFSI. Закройте контейнер и перемешивайте смесь при комнатной температуре в течение 24 часов для получения неочищенного моно-гекс-10-TFSI.

Экстрагируйте mono-hexe-10-TFSI в 20 миллилитров DCM трижды. Проверьте наличие хлорида, добавив одну-две капли 1N раствора нитрата серебра к одному миллилитру фазы DCM. Повторите экстракцию, если в виде белого осадка наблюдается хлорид серебра.

Затем осушите раствор mono-hexe-10-TFSI с помощью одного грамма безводного сульфата магния. Слейте осушенный раствор и удалите растворитель с помощью роторного испарителя для выделения продукта. Для синтеза дифосфониевых аналогов следуйте данной процедуре, используя 1,10-дихлордекан, предварительно соответствующим образом скорректировав его молярные соотношения.

Для проведения измерений вязкости установите реометр с контролируемой деформацией в перчаточный пакет, заполненный азотом. Поместите один миллилитр ионной жидкости на пельтье-платформу реометра, убедившись, что алюминиевая пластина полностью покрыта. Во всех тестовых запусках установите зазор между образцом и параллельной алюминиевой пластиной диаметром 20 миллиметров в диапазоне от одного до двух миллиметров.

Проведите предварительный сдвиг образца при частоте сдвига 100 Hertz в течение десяти секунд, после чего выполните 15-минутный этап уравновешивания. Затем определите область линейной вязкоупругости (LVR) с помощью осцилляторного развертки по деформации при фиксированной частоте 1 Hertz с амплитудой деформации от 0,1 до десяти процентов. Выберите значение деформации в пределах LVR и проведите осцилляторную развертку по частоте от 0,1 до десяти Hertz.

Определите комплексную вязкость при выбранной частоте и деформации. Затем при этой частоте и деформации проведите осцилляторный температурный сканирующий анализ в диапазоне от 10 до 95 °C с шагом 5 °C и одной минутой выравнивания при каждой температуре. Для измерения проводимости образца предварительно высушите ионную жидкость при 100 °C в вакууме в течение 12 часов.

Поместите около четырех миллилитров ионной жидкости в пробирку. Вставьте датчик проводимости и при необходимости добавьте еще образец, чтобы полностью погрузить сенсор датчика. Нагрейте образец до температуры первого измерения при перемешивании.

Выдержите образец при данной температуре в течение 30 минут, после чего измерьте проводимость. Повторите этот процесс для каждой температурной точки. Затем установите в перчаточном боксе трехэлектродную систему для циклической вольтамперометрии с литиевыми электродами и платиновым вспомогательным электродом.

Поместите ионную жидкость в камеру для циклической вольтамперометрии (ЦВА), погрузите электроды в жидкость и убедитесь, что камера герметично закрыта. Выдержите образец при температуре первого измерения в течение 20 минут, затем проведите развертку потенциала со скоростью 1 мВ/с в диапазоне от -0,2 В до 6,5 В. В качестве электрода сравнения используется литий-ионный литиевый эталонный потенциал.

Повторите это измерение для каждой необходимой температуры. Перед началом изготовления аккумулятора высушите литиевый TFSI в течение трех дней в вакуумном шкафу при 70 °C. Высушите исследуемую ионную жидкость в условиях высокого вакуума при 100 °C в течение 24 часов при интенсивном перемешивании.

Перенесите обе сухие жидкости, предварительно высушенную в печи колбу и магнитную мешалку в перчаточный бокс. Поместите в колбу по 6,4 ммоль ионной жидкости и литиевого TFSI. Перемешивайте смесь в течение ночи до получения гомогенного раствора с концентрацией электролита 1,6 М.

Высушите компоненты корпуса кнопочного элемента и электрод из оксида лития-кобальта диаметром 12,7 мм при температуре 70 °C в течение ночи перед их переносом в перчаточный бокс. Поместите одну пружину и диск из нержавеющей стали в нижнюю крышку кнопочного элемента. Поместите электрод на стальной диск.

Нагрейте смесь электролита до 60 °C на плитке и замочите два полипропиленовых мембранных сепаратора в смеси при перемешивании в течение 15 минут. Покройте поверхность катода из оксида кобальта лития примерно 0,5 мл смеси электролита, затем поместите оба сепаратора в центр кнопочного элемента. Нанесите несколько капель смеси электролита поверх сепараторов, чтобы заполнить все зазоры в элементе.

Нагрейте покрытый электролитом катод до 60 °C в течение 15 минут. Вырежьте кусочек литиевого металла диаметром 12,7 мм и толщиной 0,75 мм и поместите его на пропитанные электролитом сепараторы. Закройте кнопочный элемент и загерметизируйте его с помощью кримпера.

Извлеките ячейку из перчаточного бокса и оставьте ее на 12 часов. Для проверки характеристик аккумулятора при высоких температурах проложите кабели от станции электрохимического тестирования к задней стенке печи. Подключите кнопочную ячейку к станции тестирования в печи и оставьте ячейку в печи на 30 минут для выравнивания температуры с температурой печи.

На испытательном стенде выберите режим гальваностатического циклического заряда-разряда и установите количество циклов равным 500. Задайте параметры заряда, разряда и время отдыха, после чего запустите циклы заряда-разряда для оценки выходной емкости заряда с течением времени. Для использования в литий-ионных аккумуляторах при высоких температурах были исследованы четыре ионные жидкости на основе фосфония.

Термогравиметрический анализ показал, что температуры разложения находились в диапазоне от 340 до 385 °C. Ионные жидкости на основе TFSI обладали меньшей вязкостью, что позволило им более эффективно заполнять поры и зазоры в компонентах аккумулятора. Данные циклической вольтамперометрии моно- и ди-hexC10TFSI с литий-TFSI в присутствии катода из оксида лития-кобальта продемонстрировали ожидаемые окислительно-восстановительные пики оксида лития-кобальта.

Для обеих жидкостей сила тока значительно увеличивалась с ростом температуры. Смесь mono-hexC10TFSI демонстрировала более высокий токовый отклик при всех температурах. Испытания батарей в форме «пуговицы», содержащих mono-hexC10TFSI, на циклы заряда-разряда при 100 °C показали, что при низких концентрациях лития TFSI наблюдался быстрый спад емкости аккумулятора.

При концентрациях, более близких к точке насыщения, снижение емкости после 20 циклов сократилось примерно до десяти процентов. Был проведен продолжительный гальваностатический тест циклов заряда-разряда кнопки-батарейки, содержащей 1,6 молярный TFSI и mono-hexC10TFSI, при температуре 100 °C. Начальная емкость батареи составляла около 135 мА·ч/г.

Спустя один месяц емкость снизилась до 70 milliampere hours per gram. При выполнении данной процедуры важно тщательно высушить все компоненты батареи, такие как электролит и электроды, перед сборкой ячейки. Кроме того, при сборке кнопочного элемента необходимо следить за тем, чтобы катод и сепаратор были равномерно покрыты электролитом.

После просмотра этого видео вы сможете синтезировать электролиты на основе ионных жидкостей и изготовить литий-ионные аккумуляторы. При работе с ионными жидкостями следует соблюдать осторожность, так как их высокая вязкость создает дополнительные трудности при обращении по сравнению со стандартными электролитами.