Synthese von ionischen Flüssigkeiten Elektrolyte auf Basis, Montage von Li-Ionen-Batterien, und Messungen der Leistung bei hohen Temperaturen
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
Die chemische Instabilität des traditionellen Elektrolyt bleibt eine Frage der Sicherheit in weit verbreiteten Energiespeicher wie Li-Ionen-Batterien. Li-Ionen-Batterien zur Verwendung in Vorrichtungen bei erhöhten Temperaturen erfordern thermisch stabil und nicht brennbaren Elektrolyten arbeitet. Ionische Flüssigkeiten (ILs), das sind nicht brennbar, nicht-flüchtigen, thermisch stabile geschmolzene Salze, sind ein idealer Ersatz für brennbare und niedrig siedende organische Lösungsmittel Elektrolyten derzeit verwendeten heute. Wir beschreiben hier die Verfahren: 1) Mono- und Di-phosphonium ionischen Flüssigkeiten gepaart mit Chlorid oder Bis (Trifluormethan) Sulfonimid (TFSI) Anionen zu synthetisieren; 2) Messung der thermischen Eigenschaften und die Stabilität dieser ionischen Flüssigkeiten durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) und thermogravimetrische Analyse (TGA); 3) messen die elektrochemischen Eigenschaften der ionischen Flüssigkeiten durch Cyclovoltammetrie (CV); 4) vorbereiten Elektrolyte, die Lithium-bis (Trifluormethan) Sulfonamid; 5) messen die conductivity der Elektrolyten als Funktion der Temperatur; 6) montieren einer Knopfzelle mit zwei der Elektrolyte zusammen mit einem Li – Metallanode und LiCoO 2 Kathode; und 7) bewerten die Batterieleistung bei 100 ° C. Wir beschreiben zusätzlich die Herausforderungen in der Ausführung sowie die aus der Durchführung dieser Experimente gewonnenen Erkenntnisse.
Introduction
Li-Ionen-Batterien sind Geräte, die Energie zwischen elektrischer Energie und chemischer Energie und bieten ein bequemes Mittel umwandeln zu speichern und Energie bei Bedarf zu liefern und on-the-go. Heute, Li-Ionen-Batterien dominieren die tragbaren Elektronikmarkt wegen ihrer hohen Energiedichte und Wieder Aufladbarkeit und sind von Interesse für eine groß angelegte und Spezialanwendungen, wie unten Lochbohren und Automotive. 1-5 Batterien bestehen aus vier Hauptkomponenten: Kathode, Anode, Separator und Elektrolyt. Während die Chemie der beiden Elektroden, die die theoretische Energiedichte der Batterie bestimmt, werden die Sicherheit und die Arbeitstemperatur im Wesentlichen durch die Elektrolytmaterial begrenzt. 6-9 Carbonate basierten organischen Lösungsmittel Elektrolyte (zB Dimethylcarbonat (DMC) und Ethylencarbonat (EC)) werden in Li-Ionen – Batterien aufgrund ihrer niedrigen Viskosität, eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Löslichkeit Lithiumsalz verwendet. Darüber hinaus sind bestimmte combinagen der Carbonat-Lösungsmittel (DMC / EC) auch eine stabile Festelektrolytgrenzfläche (SEI) bilden, wodurch Zersetzungsreaktionen zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode, und sich die Lebensdauer der Batterie zu verhindern. Jedoch leiden Karbonat Lösungsmittel aus niedrigen Siedepunkte und Flammpunkte, die Betriebstemperatur von Li-Ionen-Batterien Begrenzung auf unter 55 ° C, mit möglicherweise schwerwiegenden Sicherheitsprobleme, wenn es einen Kurzschluss. 10,11
Ionische Flüssigkeiten sind eine Klasse von Salzen, die Schmelztemperaturen unterhalb von 100 ° C haben. 12 Im Gegensatz zu typischen anorganische Salze, besitzen ionische Flüssigkeiten einen weiten Flüssigkeitsbereich und kann bei Raumtemperatur flüssig sein. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus einem oder mehreren organischen kationischen Zentren, wie Imidazolium, Phosphonium, Pyridinium- oder Ammonium- und gepaart mit einem anorganischen oder organischen Anion, wie Methansulfonat, Hexafluorophosphat, oder Halogenid. 13,14 Die große Vielfalt an möglichen Kationen und Anionen – Kombinationenermöglicht eine große Anzahl von Zusammensetzungen mit einstellbaren Eigenschaften. Darüber hinaus führen die starken ionischen Wechselwirkungen innerhalb ionischen Flüssigkeiten in vernachlässigbaren Dampfdruck, Flammwidrigkeit und eine hohe thermische und elektrochemische Stabilität. 15,16
Der Ersatz herkömmlicher Elektrolyten mit ionischen Flüssigkeiten ist eine Lösung, die die inhärenten Sicherheitsprobleme in der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien adressiert und könnte Hochtemperaturanwendungen ermöglichen. 17-27 Um die allgemeinen synthetischen und Materialbearbeitungsverfahren veranschaulichen , verwendet , um Lithium – Ionen – Batterien mit ionischen Flüssigkeiten für Hochtemperaturanwendungen konstruieren, beschreiben wir die Synthese, die thermischen Eigenschaften und die elektrochemische Charakterisierung von Mono- und Di-phosphonium ionischen Flüssigkeiten gepaart mit entweder Chlorid (Cl) oder bis (Trifluormethan) Sulfonimid (TFSI) -Anion. Verschiedene Konzentrationen von Lithium-bis (Trifluormethan) Sulfonimid (LiTFSI) werden anschließend hinzugefügt, um die phosphonium ionischen liquids Elektrolyten zu geben. Zusammen mit einem Li – Metallanode und LiCoO 2 -Kathode basierend auf der Leistung der phosphonium TFSI Elektrolyten mit zugesetztem LiTFSI im Vergleich zu den Chlorid – Analoga wird eine Knopfzelle mit entweder die Mono- oder Di-phosphonium TFSI Elektrolyten konstruiert. Schließlich wird die Batterieleistung bei 100 ° C für die beiden unterschiedlichen Knopfzellen ausgewertet. Die detaillierten Verfahren, die Herausforderungen in der Ausführung, und die aus der Durchführung dieser Experimente gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden beschrieben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Unser Ansatz nicht brennbar und hohe Temperatur funktionelle Li-Ionen-Batterien zu entwickeln, beinhaltet die Synthese von neuen ionischen flüssigen Elektrolyten und deren anschließende Auswertung in prototypischen Knopfzellen. Insbesondere Mono HexC10TFSI und Di-HexC10TFSI Elektrolyte auf Basis wurden in einer Knopfzelle besitzt eine Li – Metallanode und LiCoO 2 Kathode getestet. Die kritischen Schritte innerhalb dieses Ansatzes sind: 1) identifizieren die Führung Elektrolyt nach einer Reihe von Design-Sp…
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
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