Syntese af ioniske væske baserede Elektrolytter, Forsamlingen af Li-ion-batterier, og Målinger af ydeevne ved høj temperatur
Summary
Here, we describe protocols to prepare phosphonium-based ionic liquid and lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide salt electrolytes, and assemble a non-flammable and high temperature functioning lithium-ion coin cell battery.
Abstract
Den kemiske ustabilitet af den traditionelle elektrolyt fortsat et sikkerhedsproblem i udbredte energi lagringsenheder såsom Li-ion-batterier. Li-ion-batterier til brug i udstyr, der opererer ved høje temperaturer kræver termisk stabile og ikke-brændbare elektrolytter. Ioniske væsker (ILS), som er ikke-brandfarlige, ikke-flygtige, termisk stabil smeltede salte, er en ideel erstatning for brandfarlige og lavtkogende organiske opløsningsmidler elektrolytter i øjeblikket anvendes i dag. Heri beskrives de procedurer: 1) syntetisere mono- og di-phosphonium ioniske væsker parret med chlorid eller bis (trifluormethan) sulfonimid (TFSI) anioner; 2) måle de termiske egenskaber og stabiliteten af disse ioniske væsker ved differentiel scanningkalorimetri (DSC) og termisk gravimetrisk analyse (TGA); 3) måling af elektrokemiske egenskaber af de ioniske væsker ved cyklisk voltammetri (CV); 4) forberede elektrolytter, der indeholder lithium bis (trifluormethan) sulfonamid; 5) måler conductivity af elektrolytterne som funktion af temperaturen; 6) samle en mønt celle batteri med to af elektrolytter sammen med en Li metal anode og LiCoO 2 katode; og 7) evaluere batteriets ydeevne ved 100 ° C. Vi beskriver desuden de udfordringer i udførelsen samt erfaringer fra at udføre disse eksperimenter.
Introduction
Li-ion batterier er enheder, der omdanner energi mellem elektrisk energi og kemisk energi, og giver en bekvem måde at opbevare og levere energi på efterspørgslen og on-the-go. I dag, Li-ion batterier dominerer bærbar elektronik marked på grund af deres høje energitæthed og re-afgiftens forfald, og er af interesse for store og specialiserede anvendelser, såsom ned-hul boring og bilindustrien. 1-5 Batterier er sammensat af fire primære komponenter: katode, anode, separator, og elektrolyt. Mens kemien i de to elektroder dikterer den teoretiske energitæthed af batteriet, er sikkerhed og arbejdstemperatur hovedsagelig begrænset af elektrolytten materiale. 6-9 Carbonate baserede organiske opløsningsmiddel elektrolytter (f.eks dimethylcarbonat (DMC) og ethylencarbonat (EF)) er meget udbredt i Li-ion-batterier på grund af deres lave viskositet, høj ledningsevne og høj lithiumsalt opløselighed. Desuden finder visse kombinationer af carbonatet opløsningsmidler (DMC / EF) også danne en stabil fast elektrolyt interface (SEI), hvorved nedbrydningsreaktioner mellem elektrolytten og elektroden, og forlænger batteriets levetid. Men lider carbonat opløsningsmidler, fra lave kogepunkter og flash point, begrænse driften temperatur Li-ion-batterier til under 55 ° C, med potentielt alvorlige sikkerhedsproblemer, når der er en kortslutning. 10,11
Ioniske væsker er en klasse af salte, der har smeltetemperaturer under 100 ° C. 12 I modsætning til typiske uorganiske salte, ioniske væsker besidder en bred flydende område og kan være flydende ved stuetemperatur. Ioniske væsker er sammensat af et eller flere organiske kationiske centre, såsom imidazolium, phosphonium, pyridinium eller ammonium og parret med en uorganisk eller organisk anion, såsom methansulfonat, hexafluorphosphat, eller halogenid. 13,14 Den brede vifte af mulige kation- og anion kombinationertillader et stort antal sammensætninger med afstemmelige egenskaber. Desuden er de stærke ioniske interaktioner inden ioniske væsker resulterer i ubetydeligt damptryk, ikke-brændbarhed, og høj termisk og elektrokemisk stabilitet. 15,16
Udskiftning konventionelle elektrolytter med ioniske væsker er en løsning, der adresserer de iboende sikkerhedsspørgsmål i de nuværende Li-ion-batterier, og kan gøre det muligt temperaturer høje. 17-27 For at illustrere de generelle syntetiske og materiale forarbejdningsmetoder anvendes til at konstruere lithium ion batterier, der indeholder ioniske væsker til høje temperaturer, vi beskriver syntesen, termiske egenskaber, og elektrokemisk karakterisering af mono- og di-phosphonium ioniske væsker parret med enten chlorid (Cl) eller bis (trifluormethan) sulfonimid (TFSI) anion. Forskellige koncentrationer af lithium bis (trifluormethan) sulfonimid (LiTFSI) efterfølgende tilføjes til phosphonium ioniske liquids at give elektrolytter. Baseret på udførelsen af phosphonium- TFSI elektrolytter med tilsat LiTFSI sammenlignet med chlorid-analoger, er en mønt celle konstrueret med enten mono- eller di-phosphonium TFSI elektrolytter sammen med en Li metal anode og LiCoO 2 katode. Endelig er batteriets ydeevne evalueres ved 100 ° C i de to forskellige mønt celle batterier. De detaljerede procedurer, udfordringerne i udførelsen, og erfaringer fra at udføre disse eksperimenter er beskrevet nedenfor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vores tilgang til at udvikle ikke-brændbart og høj temperatur funktionelle Li-ion batterier involverer syntese af nye ionisk flydende elektrolytter og deres efterfølgende evaluering i prototypiske knapcelle. Specifikt blev mono-HexC10TFSI og di-HexC10TFSI baserede elektrolytter testet i en mønt celle besidder en Li metal anode og LiCoO 2 katode. De kritiske trin i denne fremgangsmåde er at: 1) identificere den ledende elektrolyt ifølge et sæt design specifikationer 2) opretholde tørhed og sikre vand i…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This article was supported in part by BU and by the Advanced Energy Consortium:
Materials
| Silicone oil | Sigma-Aldrich | 85409 | |
| Potassium hydroxide | Sigma-Aldrich | 221473 | Corrosive |
| Rotary evaporator | Buchi | R-124 | |
| High-vacuum pump | Welch | 8907 | |
| Nitrogen, ultra high purity | Airgas | NI UHP300 | Compressed gas |
| Tetrahydrofuran, stabilized with BHT | Pharmaco-Aaper | 346000 | Flammable. Dried through column of XXX |
| Dichloromethane | Pharmaco-Aaper | 313000 | Flammable, toxic. |
| Separatory funnel (1 L) | Fisher Scientific | 13-678-606 | |
| Sodium sulfate | Sigma-Aldrich | 239313 | |
| Ethanol, absolute | Pharmaco-Aaper | 111USP200 | Flammable, toxic. |
| Buchner funnel | Fisher Scientific | FB-966-F | |
| Methanol | Pharmaco-Aaper | 339000ACS | Flammable, toxic. |
| Triethylamine (anhydrous) | Sigma-Aldrich | 471283 | Toxic, flammable, harmful to environment |
| Glass syringe | Hamilton Company | 1700-series | |
| Deuterated chloroform | Cambridge Isotopes Laboratories, Inc. | DLM-29-10 | Toxic |
| Nuclear magnetic resonance instrument | Varian | V400 | |
| Hydrogen | Airgas | HY HP300 | Highly flammable. |
| Hexanes | Pharmaco-Aaper | 359000ACS | Toxic, flammable. |
| Differential scanning calorimeter | TA Instruments | Q100 | |
| N,N-dimethylformamide | Sigma-Aldrich | 227056 | Toxic, flammable. |
| Trihexylphosphone | TCI America | Toxic, flammable. | |
| 1-Chlorodecane | Sigma-Aldrich | Toxic, flammable. | |
| Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt | Sigma-Aldrich | Hydrophilic | |
| 1, 10-dichlorodecane | Sigma-Aldrich | Toxic, flammable. | |
| Thermal Gravemetric Analysis (TGA) | TA Q50 | TA instruments | |
| Differential scanning calorimeter (DSC) | TA Q100 | TA instruments | |
| Controlled Strain Rheometer | AR 1000 | ||
| Conductivity Meter | Consort | K912 | 4-electrode cell |
| Potentiostate/Galvanostat | Princeton Applied Research | VersaStat MC4 | Electrochemical testing |
| Separators | Celgard | C480 | polypropylene/polyethylene |
| CR2032 coin cells | MTI Corp. | EQ-CR2032-CASE | |
| LiCoO2 electrode | MTI Corp. | EQ-CR2032 | Cathode material |
| lithium metal | Alfa Aesar | 10769 | Anode Material |
| Stainless Steel Spacer | MTI Corp. | EQ-CR20-Spacer304-02 | 15.5 mm Dia x 0.2 mm |
| Wave Spring | MTI Corp. | EQ-CR20WS-Spring304 | |
| Electric Coin Cell Crimping Machine | MTI Corp. | MSK-160D | |
| Glove box | Mbraun | Water free, oxygen free operation |
Riferimenti
- Armand, M., Tarascon, J. -. M. Building better batteries. Nature (London). 451, 652-657 (2008).
- Linden, D., Reddy, T. B. . Handbook of batteries. , (2002).
- Scrosati, B., Garche, J. Lithium batteries: Status, prospects and future. J. Power Sources. 195, 2419-2430 (2010).
- Goodenough, J. B., Park, K. -. S. The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective. J. Am. Chem. Soc. 135, 1167-1176 (2013).
- Scrosati, B., Hassoun, J., Sun, Y. -. K. Lithium-ion batteries. A look into the future. Energ. Environ. Sci. 4, 3287-3295 (2011).
- Tarascon, J. -. M., Armand, M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 414, 359-367 (2001).
- Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chem. Mater. 22, 587-603 (2010).
- Etacheri, V., Marom, R., Elazari, R., Salitraa, G., Aurbach, D. Challenges in the development of advanced Li-ion batteries: a review. Energ. Environ. Sci. 4, 3243-3262 (2011).
- Feng, X., et al. Thermal runaway features of large format prismatic lithium ion battery using extended volume accelerating rate calorimetry. J. Power Sources. 255, 294-301 (2014).
- Hammami, A., Raymond, N., Armand, M. Lithium-ion batteries: Runaway risk of forming toxic compounds. Nature. 424, 635-636 (2003).
- Xu, K. Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries. Chem. Rev. 104, 4303-4417 (2004).
- Ohno, H. . Electrochemical Aspects of Ionic Liquids. , (2005).
- Wasserscheid, P., Welton, T. . Ionic Liquids in Synthesis. , (2003).
- Wathier, M., Grinstaff, M. W. Synthesis and properties of supramolecular ionic networks. Journal of the American Chemical Society. 130, 9648-9649 (2008).
- Gebresilassie Eshetu, G., Armand, M., Scrosati, B., Passerini, S. Energy storage materials synthesized from ionic liquids. Angew. Chem. Int. Ed. 53, 13342-13359 (2014).
- Armand, M., Endres, F., MacFarlane, D. R., Ohno, H., Scrosati, B. Ionic-liquid materials for the electrochemical challenges of the future. Nat. Mater. 8, 621-629 (2009).
- Xu, K. Electrolytes and interphases in Li-ion batteries and beyond. Chem. Rev. 114, 11503-11618 (2014).
- Sakaebe, H., Matsumoto, H. N-Methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PP13-TFSI) – novel electrolyte base for Li battery. Electrochem. Commun. 5, 594-598 (2003).
- Paillard, E., et al. Electrochemical and Physicochemical Properties of PY14FSI-Based Electrolytes with LiFSI. J. Electrochem. Soc. 156, A891-A895 (2009).
- Tsunashima, K., Sugiya, M. Physical and electrochemical properties of low-viscosity phosphonium ionic liquids as potential electrolytes. Electrochem. Commun. 9, 2353-2358 (2007).
- Nakagawa, H., et al. Application of nonflammable electrolyte with room temperature ionic liquids (RTILs) for lithium-ion cells. J. Power Sources. 174, 1021-1026 (2007).
- Fuller, J., Carlin, R. T., Osteryoung, R. A. The Room Temperature Ionic Liquid 1-Ethyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate: Electrochemical Couples and Physical Properties. J. Electrochem. Soc. 144, 3881-3886 (1997).
- Mun, J., et al. Electrochemical stability of bis(trifluoromethanesulfonyl)imide-based ionic liquids at elevated temperature as a solvent for a titanium oxide bronze electrode. J. Power Sources. 194, 1068-1074 (2009).
- Garcia, B., Lavallée, S., Perron, G., Michot, C., Armand, M. Room temperature molten salts as lithium battery electrolyte. Electrochim. Acta. 49, 4583-4588 (2004).
- Lewandowski, A., Świderska-Mocek, A. Ionic liquids as electrolytes for Li-ion batteries-an overview of electrochemical studies. J. Power Sources. 194, 601-609 (2009).
- Galiński, M., Lewandowski, A., Stępniak, I. Ionic liquids as electrolytes. Electrochim. Acta. 51, 5567-5580 (2006).
- Lin, X., et al. Thermally-responsive, nonflammable phosphonium ionic liquid electrolytes for lithium metal batteries: operating at 100 degrees celsius. Chem. Sci. 6, 6601-6606 (2015).
- Xu, K. Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries. Chem. Rev. 104, 4303-4418 (2004).
- Armand, M. Polymer solid electrolytes-an overview. Solid State Ionics. 9-10, 745-754 (1983).
- Meyer, W. H. Polymer electrolytes for lithium-ion batteries. Adv. Mater. 10, 439-448 (1998).
