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

Bu prosedürün genel amacı, lityum bis triflorometan sulfonamid içeren, yanıcı olmayan, termal olarak kararlı fosfonyum tabanlı bir iyonik sıvı elektrolit kullanan, yüksek sıcaklıkta çalışan bir lityum iyon pili monte etmektir. Bu yöntem, yüksek sıcaklıkta enerji depolama alanındaki temel zorlukları, özellikle de lityum iyon pillerinde geleneksel elektrolitlerin kullanımına ilişkin güvenlik sorunlarını ele almaktadır. Bu tekniğin temel avantajı, termal olarak kararlı elektrolitlerin sentezlenmesi ve karakterize edilmesi ile yüksek sıcaklıkta çalışan lityum iyon pillerinin inşa edilmesi için bir yaklaşım sunmasıdır.

Bu yöntem, lityum iyon piller için optimize edilmiş biyonik sıvı elektrolitlerin rasyonel tasarımı hakkında bilgi sağlasa da, süper kapasitörlere ve diğer enerji depolama cihazlarına da uygulanabilir. Genellikle, bu yönteme yeni başlayan kişiler, ölçümlerin inert atmosfer altında ve son derece kuru malzemelerle gerçekleştirilecek olması nedeniyle zorluk yaşarlar. Biyonik sıvıların yüksek viskoziteleri nedeniyle pillere eklenmesi zor olduğundan, bu yöntemin görsel olarak gösterilmesi kritik öneme sahiptir.

Argon dolu bir eldiven kutusunda, cam pipetler kullanarak 8,3 gram triheksil fosfin ve 5,22 gram 1-klordekanı, içinde manyetik karıştırıcı bulunan ve fırında kurutulmuş ağır duvarlı bir basınç kabına aktarın. Kabı bir PTFE conta ile kapatın ve karışımı argon altında 140 °C sıcaklıkta 24 saat boyunca karıştırın. Ham mono-hekse-10-klorür elde etmek için uçucu maddeleri 140 °C'de vakum altında uzaklaştırın.

Mono-hekse-10-klorür, DCM ve doygun tuzlu suyun (brine) bir bire bir karışımından on mililitrelik porsiyonlar kullanılarak üç kez DCM ile ekstre edilir. Mono-hekse-10-klorür ürününü izole etmek için DCM fazındaki uçucu maddeler uzaklaştırılır. Ardından, 6,25 gram lityum TFSI, on mililitre deiyonize su içerisinde çözülür.

Ardından, 7,75 gram mono-hexe-10-chloride'i on mililitre DCM içinde çözün. TFSI çözeltisini ekleyin. Kabın kapağını kapatın ve kaba mono-hexe-10-TFSI ham ürününü elde etmek için karışımı oda sıcaklığında 24 saat boyunca karıştırın.

Mono-hexe-10-TFSI'yi üç kez 20 mililitre DCM ile ekstrakte edin. DCM fazının bir mililitresine bir ila iki damla 1 N gümüş nitrat çözeltisi ekleyerek klorür varlığını test edin. Beyaz bir çökelek şeklinde gümüş klorür gözlemlenirse ekstraksiyon işlemini tekrarlayın.

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

Viskozite ölçümlerini gerçekleştirmek için, azot gazı dolu bir eldiven torbası içerisinde kontrollü gerinimli bir reometre düzeneği kurun. Alüminyum plakanın tamamen kaplandığından emin olarak, reometrenin Peltier tablasına bir mililitre iyonik sıvı yerleştirin. Tüm test süreçlerinde, numune ile 20 milimetre çapındaki paralel alüminyum plaka arasındaki boşluğu bir ila iki milimetre olarak ayarlayın.

Numuneyi 100 Hertz kayma hızında on saniye boyunca ön kaymaya tabi tutun ve ardından 15 dakikalık bir dengeleme adımı gerçekleştirin. Daha sonra, bir Hertz sabit frekansta, yüzde 0,1 ile on arasında bir gerinim genliği ile osilatörlü bir gerinim taraması yaparak doğrusal viskoelastik bölgeyi veya LVR'yi belirleyin. LVR dahilinde bir gerinim seçin ve 0,1 ile on Hertz arasında osilatörlü bir frekans taraması gerçekleştirin.

Seçilen bir frekans ve gerinimde kompleks viskoziteyi belirleyin. Ardından, bu frekans ve gerinimde, her sıcaklıkta bir dakikalık denge süresiyle, ondan 95 °C'ye kadar beş derecelik artışlarla salınımlı bir sıcaklık taraması gerçekleştirin. Numune iletkenliğini ölçmek için öncelikle iyonik sıvıyı vakum altında 100 °C'de 12 saat boyunca kurutun.

Bir deney tüpüne yaklaşık dört mililitre iyonik sıvı koyun. İletkenlik probunu yerleştirin ve prob sensörünü tamamen kaplamak için gerektiği kadar daha numune ekleyin. Karıştırırken numuneyi ilk ölçüm sıcaklığına kadar ısıtın.

Numuneyi bu sıcaklıkta 30 dakika boyunca dengeleyin ve ardından iletkenlik ölçümünü alın. Bu işlemi her sıcaklık noktası için tekrarlayın. Sonrasında, eldiven kutusu içerisinde lityum-lityum platin üç elektrotlu bir döngüsel voltametri düzeneği kurun.

İyonik sıvıyı CV hücresine yerleştirin, elektrotları sıvının içine daldırın ve hücrenin sızdırmaz olduğundan emin olun. Numuneyi ilk ölçüm sıcaklığında 20 dakika boyunca dengeleyin ve ardından potansiyeli -0.2 V ile 6.5 V arasında saniyede bir milivolt hızla tarayın. Referans potansiyeli lityum iyon lityumdur.

Bu ölçümü istenen her sıcaklık için tekrarlayın. Batarya üretimine başlamadan önce, lityum TFSI'yi 70 °C'de vakumlu fırında üç gün boyunca kurutun. Test edilecek iyonik sıvıyı, şiddetli bir şekilde karıştırarak 100 °C'de yüksek vakum altında 24 saat boyunca kurutun.

Hem kuru sıvıları hem de fırında kurutulmuş bir balon jojeyi ve manyetik karıştırıcıyı bir glove box içine alın. İyonik sıvıdan ve lityum TFSI'dan 6,4 millimol'ünü balon jojeye ekleyin. 1,6 molar elektrolit konsantrasyonuna sahip homojen bir karışım elde etmek için karışımı gece boyunca karıştırın.

Coin hücre donanım bileşenlerini ve 12,7 mm çapındaki lityum kobalt oksit elektrodu, glove box'a aktarmadan önce 70 °C'de gece boyunca kurutun. Coin hücre alt kapağına bir yay ve paslanmaz çelik disk yerleştirin. Elektrodu çelik diskin içine yerleştirin.

Elektrolit karışımını bir ısıtıcı tabla üzerinde 60 °C'ye ısıtın ve karıştırırken iki polipropilen membran separatörü 15 dakika boyunca bu karışımda bekletin. Lityum kobalt oksit katodun yüzeyini yaklaşık 0.5 mL elektrolit karışımı ile kaplayın ve ardından her iki separatörü düğme pilin merkezine yerleştirin. Pildeki tüm boşlukların dolduğundan emin olarak separatörlerin üzerine birkaç damla elektrolit karışımı ekleyin.

Elektrolit kaplı katodu 15 dakika boyunca 60 °C'ye ısıtın. 0,75 mm kalınlığındaki lityum metalinden 12,7 mm çapında bir parça kesin ve metali elektrolite batırılmış ayırıcılara yerleştirin. Madeni hücreyi kapatın ve bir crimper ile mühürleyin.

Hücreyi glove box'tan çıkarın ve 12 saat boyunca bekletin. Pil performansını yüksek sıcaklıklarda test etmek için, bir elektrokimyasal test istasyonundan fırının arka duvarına kablolar çekin. Bozuk para pili fırın içindeki test istasyonuna bağlayın ve hücrenin fırın sıcaklığıyla dengelenmesi için 30 dakika boyunca fırında bırakın.

Test istasyonunda galvanostatik şarj-deşarj döngüsünü seçin ve döngü sayısını 500 olarak ayarlayın. Şarj ve deşarj parametrelerini ve dinlenme sürelerini belirleyin, ardından zamanla şarj çıkışını değerlendirmek için şarj-deşarj döngüsünü başlatın. Yüksek sıcaklıklarda lityum iyon pillerde kullanılmak üzere dört fosfonyum tabanlı iyonik sıvı değerlendirilmiştir.

Termogravimetrik analiz, bozunma sıcaklıklarının 340 ile 385 °C arasında değiştiğini göstermiştir. TFSI tabanlı iyonik sıvılar daha düşük viskoziteye sahip oldukları için batarya bileşenlerindeki gözeneklerin ve çatlakların tamamen doldurulmasına daha uygundur. Lityum kobalt oksit katodun varlığında, lityum-TFSI ile mono ve di-hexC10TFSI'nın döngüsel voltametri ölçümleri, beklenen lityum kobalt oksit redoks piklerini göstermiştir.

Her iki sıvı için de akım, sıcaklıkla birlikte önemli ölçüde artmıştır. mono-hexC10TFSI karışımı, tüm sıcaklıklarda daha yüksek bir akım yanıtı göstermiştir. 100 °C'de mono-hexC10TFSI içeren düğme pil bataryalarının şarj-deşarj döngü testleri, düşük lityum TFSI konsantrasyonlarında batarya kapasite kaybının hızlı olduğunu göstermiştir.

Doygunluk noktasına daha yakın konsantrasyonlarda, kapasite kaybı 20 döngü sonunda yaklaşık yüzde ona düştü. 1,6 molar TFSI ve mono-hexC10TFSI içeren bir düğme pilin genişletilmiş galvanostatik şarj-deşarj döngü testi 100 °C'de gerçekleştirildi. Pil kapasitesi başlangıçta gram başına yaklaşık 135 mAh idi.

Bir ay sonra kapasite, gram başına 70 miliamper saate düşmüştür. Bu prosedür uygulanırken, hücre montajından önce elektrolit ve elektrotlar gibi pilin tüm bileşenlerinin tamamen kurutulması önemlidir. Ayrıca, madeni para hücre (coin cell) montajı sırasında, katodun ve separatörün elektrolitlerle kaplanmasına dikkat edilmelidir.

Bu videoyu izledikten sonra, iyonik sıvı elektrolitleri sentezleyebilir ve lityum iyon pilleri imal edebilir hale gelmelisiniz. İyonik sıvıların yüksek viskoziteleri, standart elektrolitlere kıyasla ek taşıma zorlukları oluşturduğundan, bu sıvıların kullanımı sırasında dikkatli olunmalıdır.