ईओण का तरल आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स की संश्लेषण, ली-आयन बैटरियों की सभा, और उच्च तापमान पर प्रदर्शन की माप
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
पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट की रासायनिक अस्थिरता ऐसे ली आयन बैटरी के रूप में व्यापक रूप से इस्तेमाल ऊर्जा भंडारण उपकरणों में एक सुरक्षा का मुद्दा बनी हुई है। ऊंचा तापमान पर परिचालन उपकरणों में इस्तेमाल के लिए ली आयन बैटरी thermally स्थिर और गैर ज्वलनशील इलेक्ट्रोलाइट्स की आवश्यकता होती है। ईओण का तरल पदार्थ (आईएलएस) है, जो गैर ज्वलनशील अनह्रासी, thermally स्थिर पिघला हुआ नमक, कर रहे हैं ज्वलनशील और कम उबलते बिंदु कार्बनिक विलायक इलेक्ट्रोलाइट्स वर्तमान में आज इस्तेमाल के लिए एक आदर्श प्रतिस्थापन कर रहे हैं। हम साथ साथ प्रक्रियाओं का वर्णन करने के लिए: 1) मोनो और di-phosphonium आयनिक क्लोराइड या बीआईएस (trifluoromethane) sulfonimide (TFSI) anions के साथ रखा तरल पदार्थ synthesize; 2) थर्मल गुण और अंतर स्कैनिंग उष्मामिति (डीएससी) और थर्मल gravimetric विश्लेषण (TGA) द्वारा इन ईओण का तरल पदार्थ की स्थिरता को मापने; 3) चक्रीय voltammetry (सीवी) द्वारा ईओण का तरल पदार्थ की विद्युत गुणों को मापने; 4) लिथियम बीआईएस (trifluoromethane) सल्फोनामाइड युक्त इलेक्ट्रोलाइट्स तैयार; 5) को मापने के सहतापमान के एक समारोह के रूप में इलेक्ट्रोलाइट्स की nductivity; 6) एक ली धातु एनोड और कैथोड LiCoO 2 के साथ इलेक्ट्रोलाइट्स से दो के साथ एक सिक्का सेल बैटरी इकट्ठा; और 7) 100 डिग्री सेल्सियस पर बैटरी प्रदर्शन का मूल्यांकन। हम इसके अतिरिक्त निष्पादन में चुनौतियों का सामना करने के साथ ही अंतर्दृष्टि इन प्रयोगों प्रदर्शन से प्राप्त वर्णन है।
Introduction
ली-आयन बैटरी उपकरणों है कि विद्युत ऊर्जा और रासायनिक ऊर्जा के बीच ऊर्जा को बदलने और स्टोर करने के लिए और मांग पर और पर जाने के ऊर्जा देने के लिए एक सुविधाजनक साधन प्रदान कर रहे हैं। आज, ली-आयन बैटरी उनके उच्च ऊर्जा घनत्व और फिर से प्रभार्यता की वजह से पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार पर हावी है, और इस तरह के नीचे छेद ड्रिलिंग और मोटर वाहन के रूप में बड़े पैमाने पर और विशेषता अनुप्रयोगों के लिए ब्याज की हैं। कैथोड, एनोड, विभाजक, और इलेक्ट्रोलाइट: 1-5 बैटरी चार प्राथमिक घटकों से बना रहे हैं। दो इलेक्ट्रोड के रसायन विज्ञान के सैद्धांतिक बैटरी ऊर्जा घनत्व पैदा करती है, वहीं सुरक्षा और काम कर रहे तापमान मुख्य रूप से इलेक्ट्रोलाइट सामग्री द्वारा सीमित हैं। 6-9 कार्बोनेट आधारित कार्बनिक विलायक इलेक्ट्रोलाइट्स (जैसे, डाइमिथाइल कार्बोनेट (डीएमसी) और एथिलीन कार्बोनेट (ईसी)) व्यापक रूप से उनके कम चिपचिपापन, उच्च चालकता, और उच्च लिथियम नमक घुलनशीलता के कारण ली आयन बैटरी में किया जाता है। इसके अलावा, कुछ combinaकार्बोनेट सॉल्वैंट्स (डीएमसी / ईसी) के माहौल में भी एक स्थिर ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (एसईआई) के रूप में है, जिससे इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड, और विस्तार देने बैटरी जीवन के बीच गिरावट प्रतिक्रियाओं को रोकने। हालांकि, कार्बोनेट सॉल्वैंट्स कम उबलते अंक और फ्लैश अंक से ग्रस्त हैं, नीचे 55 डिग्री सेल्सियस के लिए ली आयन बैटरी के संचालन के तापमान को सीमित करने, संभावित गंभीर सुरक्षा के मुद्दों के साथ जब वहाँ एक शॉर्ट सर्किट है। 10,11
ईओण का तरल पदार्थ नमक के एक वर्ग है कि 100 डिग्री सेल्सियस नीचे तापमान के पिघलने हैं। 12 ठेठ अकार्बनिक लवण के विपरीत, ईओण का तरल पदार्थ एक विस्तृत तरल रेंज के अधिकारी और कमरे के तापमान पर तरल हो सकता है। ईओण का तरल पदार्थ एक या एकाधिक ऐसे imidazolium, phosphonium, pyridinium, या अमोनियम के रूप में जैविक cationic केन्द्रों, से बना है और इस तरह के methansulfonate, Hexafluorophosphate, या halide के रूप में, एक अकार्बनिक या जैविक आयनों के साथ रखा जाता है। 13,14 संभव कटियन और आयनों संयोजनों की व्यापक विविधताट्यून करने योग्य गुणों के साथ रचनाओं की एक बड़ी संख्या के लिए अनुमति देता है। इसके अलावा, ईओण का तरल पदार्थ के भीतर मजबूत आयनिक बातचीत नगण्य वाष्प दबाव, गैर flammability, और उच्च तापीय विद्युत और स्थिरता में परिणाम। 15,16
ईओण का तरल पदार्थ के साथ पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट्स की जगह एक ही उपाय है कि मौजूदा ली आयन बैटरी में निहित सुरक्षा के मुद्दों के पते, और उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए सक्षम हो सकता है। 17-27 सामान्य सिंथेटिक और सामग्री प्रसंस्करण विधियों लिथियम आयन उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए ईओण का तरल पदार्थ युक्त बैटरियों का निर्माण करने के लिए उपयोग का उदाहरण देकर स्पष्ट करने के लिए, हम संश्लेषण, थर्मल गुण, और के साथ जोड़ा मोनो और di-phosphonium ईओण का तरल पदार्थ की विद्युत लक्षण वर्णन का वर्णन या तो क्लोराइड (सीएल) या भारतीय मानक ब्यूरो (trifluoromethane) sulfonimide (TFSI) आयनों। लिथियम बीआईएस (trifluoromethane) sulfonimide के विभिन्न सांद्रता (LiTFSI) बाद में phosphonium आयनिक liqu से जुड़ जाते हैंआईडी के इलेक्ट्रोलाइट्स देने के लिए। क्लोराइड analogs की तुलना में जोड़ा LiTFSI साथ phosphonium TFSI इलेक्ट्रोलाइट्स के प्रदर्शन के आधार पर, एक सिक्का सेल एक ली धातु एनोड और कैथोड LiCoO 2 के साथ या तो मोनो या di-phosphonium TFSI इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ निर्माण किया है। अंत में, बैटरी प्रदर्शन दो अलग सिक्का सेल बैटरी के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर मूल्यांकन किया है। विस्तृत प्रक्रियाओं, क्रियान्वयन में चुनौतियों, और अंतर्दृष्टि इन प्रयोगों प्रदर्शन से प्राप्त नीचे वर्णित हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
हमारे गैर ज्वलनशील और उच्च तापमान कार्यात्मक ली-आयन बैटरी विकसित करने के लिए दृष्टिकोण प्रोटोटाइप सिक्का कोशिकाओं में उनके बाद के मूल्यांकन के नए ईओण का तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की संश्लेषण और शामिल है।…
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).
