İyonik Sıvı Bazlı Elektrolitlerin Sentezi Li-ion Piller, Meclis ve Yüksek Sıcaklığında Performans Ölçümleri

Bu prosedürün genel amacı, lityum bis triflorometan sülfonamid içeren yanıcı olmayan, termal olarak kararlı bir fosfonyum bazlı iyon sıvı elektrolit kullanan, yüksek sıcaklıkta çalışan bir lityum iyon pil monte etmektir. Bu yöntem, yüksek sıcaklıkta enerji depolama alanındaki temel zorlukları, özellikle de lityum iyon pillerde geleneksel elektrolitlerin kullanımıyla ilgili güvenlik sorunlarını ele alır. Bu tekniğin temel avantajı, termal olarak kararlı elektrolitleri sentezlemek ve karakterize etmek ve yüksek sıcaklıkta çalışan lityum iyon piller oluşturmak için bir yaklaşım sağlamasıdır.

Bu yöntem, lityum iyon piller için optimize edilmiş rasyonel tasarım biyonik sıvı elektrolitler hakkında bilgi sağlasa da, süper kapasitörlere ve diğer enerji depolama cihazlarına da uygulanabilir. Genel olarak, bu yönteme yeni olan kişiler, ölçümler aşırı kuru malzemelerle inert atmosfer altında alınacağı için mücadele eder. Bu yöntemin görsel olarak gösterilmesi, yüksek viskoziteleri nedeniyle pillere biyonik sıvıların eklenmesi zor olduğu için kritik öneme sahiptir.

Argon dolgulu bir torpido gözünde, 8.3 gram triheksil fosfen ve 5.22 gram 1-klorodekanı bir karıştırma çubuğu içeren fırında kurutulmuş ağır duvar basınçlı bir kaba dağıtmak için cam pipetler kullanın. Kabı bir PTFE burçla kapatın ve karışımı 24 saat boyunca 140 santigrat derecede argon altında karıştırın. Ham mono-hex-10-klorür elde etmek için 140 derecede vakum altında uçucuları çıkarın.

Mono-altıgen-10-klorürü, bire bir DCM ve tuzlu su karışımının on mililitrelik kısımları ile DCM'ye üç kez çıkarın. Mono-hexe-10-klorür ürününü izole etmek için DCM fazından uçucu maddeleri çıkarın. Daha sonra, 6.25 gram lityum TFSI'yi on mililitre deiyonize suda çözün.

Ardından, 7.75 gram mono-hexe-10-klorürü on mililitre DCM'de çözün. TFSI çözümünü ekleyin. Kabı kapatın ve ham mono-hexe-10-TFSI elde etmek için karışımı oda sıcaklığında 24 saat karıştırın.

Mono-hexe-10-TFSI'yi üç kez 20 mililitre DCM'ye çıkarın. DCM fazının bir mililitresine bir ila iki damla normal gümüş nitrat çözeltisi ekleyerek klorür varlığını test edin. Gümüş klorür beyaz bir çökelti olarak gözlenirse ekstraksiyonu tekrarlayın.

Ardından, mono-hexe-10-TFSI çözeltisini bir gram susuz magnezyum sülfat ile kurutun. Kurutulmuş çözeltiyi boşaltın ve ürünü izole etmek için çözücüyü döner bir buharlaştırıcı ile çıkarın. Di-fosfonyum analoglarını sentezlemek için 1, 10-diklorodekan kullanarak bu prosedürü izleyin ve molar oranlarını uygun şekilde ayarlayın.

Viskozite ölçümlerini gerçekleştirmek için, nitrojen gazı dolu bir eldiven torbasına kontrollü bir gerinim reometresi kurun. Bir mililitre iyonik sıvıyı, alüminyum plakanın tamamen kaplandığından emin olarak reometrenin Peltier aşamasına yerleştirin. Numune ile paralel 20 milimetre çapında bir alüminyum plaka arasındaki boşluğu tüm test çalışmalarında bir ila iki milimetre olacak şekilde ayarlayın.

Numuneyi on saniye boyunca 100 Hertz'lik bir kesme hızında önceden kırpın ve ardından 15 dakikalık bir denge adımı gerçekleştirin. Ardından, yüzde 0,1 ila on arasında bir gerinim genliği ile bir Hertz'lik sabit bir frekansta salınımlı bir gerinim taraması ile doğrusal visko-elastik bölgeyi veya LVR'yi belirleyin. LVR içinde bir gerinim seçin ve 0,1 ila on Hertz arasında bir salınımlı frekans taraması gerçekleştirin.

Seçilen bir frekans ve gerinimde karmaşık viskoziteyi belirleyin. Daha sonra, bu frekans ve gerinimde, her sıcaklıkta bir dakikalık denge ile beş derecelik artışlarla on ila 95 santigrat derece arasında bir salınımlı sıcaklık taraması gerçekleştirin. Numune iletkenliğini ölçmek için önce iyonik sıvıyı 100 santigrat derecede vakum altında 12 saat kurutun.

İyonik sıvının yaklaşık dört mililitresini bir test tüpüne yerleştirin. İletkenlik probunu takın ve prob sensörünü tamamen kaplamak için gerektiği kadar daha fazla numune ekleyin. Karıştırırken numuneyi ilk ölçüm sıcaklığına ısıtın.

Numuneyi bu sıcaklıkta 30 dakika dengeleyin ve ardından iletkenlik okumasını alın. Her sıcaklık noktası için bu işlemi tekrarlayın. Ardından, torpido gözünde bir lityum-lityum platin üç elektrotlu döngüsel voltametri düzeneği kurun.

İyonik sıvıyı CV haznesine yerleştirin, elektrotları sıvıya daldırın ve haznenin sızdırmaz olduğundan emin olun. Numuneyi ilk ölçüm sıcaklığında 20 dakika dengeleyin ve ardından potansiyeli negatif 0,2 volt ile 6,5 volt arasında saniyede bir milivolt hızında tarayın. Birincisi, lityum iyon lityum referans potansiyelidir.

İstenen her sıcaklık için bu ölçümü tekrarlayın. Pil üretimine başlamadan önce, lityum TFSI'yi 70 santigrat derecede vakumlu fırında üç gün kurutun. Test edilecek iyonik sıvıyı yüksek vakum altında 100 santigrat derecede 24 saat boyunca kuvvetlice karıştırarak kurutun.

Hem kuru sıvıları hem de fırında kurutulmuş bir matara ve karıştırma çubuğunu bir torpido gözüne getirin. Şişeye iyonik sıvı ve lityum TFSI'nin her birine 6.4 milimol yerleştirin. 1.6 molar elektrolit konsantrasyonuna sahip homojen bir karışım elde etmek için karışımı gece boyunca karıştırın.

Düğme donanım bileşenlerini ve 12,7 milimetre çapındaki lityum kobalt oksit elektrodu torpido gözüne aktarmadan önce gece boyunca 70 santigrat derecede kurutun. Düğme pil alt kapağına bir yay ve paslanmaz çelik disk yerleştirin. Elektrodu çelik diske yerleştirin.

Elektrolit karışımını sıcak bir plaka üzerinde 60 santigrat dereceye ısıtın ve 15 dakika karıştırarak iki polipropilen membran ayırıcıyı karışıma batırın. Lityum kobalt oksit katodun yüzeyini yaklaşık 0,5 mililitre elektrolit karışımı ile kaplayın ve ardından her iki ayırıcıyı da düğme pilin ortasına yerleştirin. Hücredeki tüm çatlakların dolduğundan emin olarak ayırıcıların üzerine birkaç damla elektrolit karışımı yerleştirin.

Elektrolit kaplı katodu 15 dakika boyunca 60 santigrat dereceye ısıtın. 12,7 milimetre çapında 0,75 milimetre kalınlığında bir lityum metal parçasını kesin ve metali elektrolite batırılmış ayırıcıların üzerine yerleştirin. Madeni para hücresini kapatın ve bir kıvırıcı ile kapatın.

Hücreyi torpido gözünden çıkarın ve hücrenin 12 saat oturmasına izin verin. Pil performansını yüksek sıcaklıklarda test etmek için, kabloları bir elektrokimyasal test istasyonundan bir fırının arka duvarına geçirin. Madeni para hücresini fırındaki test istasyonuna bağlayın ve fırın sıcaklığına dengelemek için hücreyi 30 dakika fırında bırakın.

Test istasyonunda galvanostatik yük-deşarj döngüsünü seçin ve döngü numarasını 500 olarak ayarlayın. Şarj ve deşarj parametrelerini ve dinlenme sürelerini ayarlayın ve ardından zaman içindeki şarj çıkışını değerlendirmek için şarj-deşarj döngüsünü başlatın. Dört fosfonyum bazlı iyonik sıvı, yüksek sıcaklıklarda lityum iyon pillerde kullanım için değerlendirildi.

Termogravimetrik analiz, bozunma sıcaklıklarının 340 ila 385 santigrat derece arasında değiştiğini gösterdi. TFSI bazlı iyonik sıvılar daha az viskozdu, bu da onları pil bileşenlerindeki gözenekleri ve çatlakları tamamen doldurmak için daha uygun hale getirdi. Lityum kobalt oksit katot varlığında lityum-TFSI ile mono ve di-hexC10TFSI'nin döngüsel voltametri ölçümleri, beklenen lityum kobalt oksit redoks piklerini gösterdi.

Her iki sıvı için de akım sıcaklıkla önemli ölçüde arttı. Mono-hexC10TFSI karışımı, tüm sıcaklıklara daha yüksek bir akım tepkisi gösterdi. 100 santigrat derecede mono-hexC10TFSI içeren düğme pillerin şarj-deşarj döngüsü testleri, düşük lityum TFSI konsantrasyonlarında pil kapasitesi düşüşünün hızlı olduğunu gösterdi.

Doyma noktasına yakın konsantrasyonlarda, kapasite düşüşü 20 döngüden sonra yaklaşık yüzde ona düşürüldü. 1.6 molar TFSI ve mono-hexC10TFSI içeren bir düğme pilin genişletilmiş galvanostatik yük-deşarj döngüsü testi, 100 santigrat derecede gerçekleştirildi. Pil kapasitesi başlangıçta gram başına yaklaşık 135 miliamper saat idi.

Bir ay sonra, kapasite gram başına 70 miliamper saate düştü. Bu prosedürü denerken, hücre montajından önce pilin elektrolit ve elektrotlar gibi tüm bileşenlerini iyice kurutmak önemlidir. Ayrıca, madeni para hücresini monte ederken, katot ve ayırıcının elektrolitlerle kaplanmasına özen gösterilmelidir.

Bu videoyu izledikten sonra, iyonik sıvı elektrolitleri sentezleyebilmeli ve lityum iyon piller üretebilmelisiniz. İyonik sıvılarla çalışırken dikkatli olunmalıdır, çünkü yüksek viskoziteleri standart elektrolitlere kıyasla ek kullanım zorlukları oluşturur.