Syntese av ioniske væsken elektrolytter, Montering av Li-ion-batterier, og Målinger av ytelse ved høy 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 kjemiske ustabilitet av den tradisjonelle elektrolytt er fortsatt et sikkerhetsproblem i mye brukt energi lagringsenheter som for eksempel Li-ion-batterier. Li-ion-batterier for bruk i enheter som opererer ved høye temperaturer krever termisk stabile og ikke-brennbar elektrolytter. Ioniske væsker (ILS), som er ikke-brennbart, ikke-flyktig, termisk stabile smeltede salter, er en ideell erstatning for brannfarlig og lavt kokepunkt organisk løsemiddelelektrolytter i dag brukes i dag. Vi beskriver her prosedyrene til: 1) syntetisere mono- og di-fosfonium ioniske væsker sammenkoblet med klorid eller bis (trifluoromethane) sulfonimid (TFSI) anioner; 2) måle de termiske egenskaper og stabilitet av disse ioniske væsker ved differensiell scanning-kalorimetri (DSC) og termisk gravimetrisk analyse (TGA); 3) måler de elektrokjemiske egenskapene til de ioniske væsker ved cyklisk voltametri (CV); 4) fremstille elektrolytter som inneholder litium-bis (trifluormetan) sulfonamid; 5) måle conductivity av de elektrolytter som en funksjon av temperaturen; 6) montere en mynt cellers batteri med to av de elektrolytter sammen med en Li metall anode og LiCoO 2 katode; og 7) evaluere batteriytelsen ved 100 ° C. Vi i tillegg beskrive utfordringene i utførelse samt innsikt fått fra å utføre disse eksperimentene.
Introduction
Li-ion-batterier er enheter som omdanner energi mellom elektrisk energi og kjemisk energi og gir en praktisk måte å oppbevare og levere energi on demand og on-the-go. I dag, Li-ion-batterier dominerer bærbar elektronikk markedet på grunn av sin høye energitetthet og re-charge, og er av interesse for store og spesialprogrammer, for eksempel ned-hullsboring og bilindustrien. 1-5 Batterier er sammensatt av fire hovedkomponenter: katode, anode, separator, og elektrolytt. Mens kjemien av de to elektrodene dikterer den teoretiske energitettheten av batteriet, blir den sikkerhet og arbeidstemperatur hovedsakelig begrenset av elektrolyttmaterialet. 6-9 Carbonate basert organisk løsemiddelelektrolytter (f.eks dimetylkarbonat (DMC) og etylen karbonat (EC)) er mye brukt i Li-ion-batterier på grunn av sin lave viskositet, høy ledningsevne, og høy litium salt oppløselighet. Videre viss sammenslutningsjoner av karbonat-løsningsmidler (DMC / EC) danner også en stabil fast elektrolytt-grensesnittet (SEI), for derved å forhindre degraderingsreaksjoner mellom elektrolytten og elektroden, og forlenge batteriets levetid. Men karbonat løse lider av lavt kokepunkt og flammepunkt, noe som begrenser driftstemperaturen for Li-ion-batterier til under 55 ° C, med potensielt alvorlige sikkerhetsproblemer når det er en kortslutning. 10,11
Ioniske væsker er en klasse av salter som har smeltetemperaturer under 100 ° C. 12 I motsetning til typiske uorganiske salter, ioniske væsker besitte et bredt flytende område, og kan være flytende ved romtemperatur. Ioniske væsker er sammensatt av ett eller flere organiske kationiske sentre, for eksempel imidazolium, fosfonium, pyridinium, eller ammonium og sammenkoblet med et uorganisk eller organisk anion, for eksempel metansulfonat, heksafluorfosfat, eller halogenid. 13,14 Det store utvalget av mulige kationer og anioner kombinasjonergjør det mulig for et stort antall sammensetninger med avstembare egenskaper. I tillegg er de sterke ioniske interaksjoner i ioniske væsker resulterer i ubetydelig damptrykk, ikke-brennbarhet og høy termisk og elektrokjemisk stabilitet. 15,16
Erstatte konvensjonelle elektrolytter med ioniske væsker er en løsning som løser de iboende sikkerhetsspørsmål i dagens Li-ion-batterier, og kan føre til at høye temperaturer. 17-27 For å illustrere de generelle syntetisk og materialbearbeidingsmetoder benyttes for å konstruere litium ion-batterier som inneholder ioniske væsker for høye temperaturer, vi beskrive syntesen, termiske egenskaper, og elektrokjemisk karakterisering av mono- og di-fosfonium ioniske væsker sammen med enten klorid (Cl) eller bis (trifluoromethane) sulfonimid (TFSI) anion. Ulike konsentrasjoner av litium bis (trifluoromethane) sulfonimid (LiTFSI) senere blir lagt til phosphonium ioniske væskerids å gi elektrolytter. Basert på resultatene av de phosphonium TFSI elektrolytter med ekstra LiTFSI forhold til klorid analoger, er en mynt celle konstruert med enten mono- eller di-phosphonium TFSI elektrolytter sammen med en Li metall anode og LiCoO 2 katode. Til slutt, er batteriytelsen evaluert ved 100 ° C i de to forskjellige mynt celle batterier. De detaljerte prosedyrer, utfordringene i utførelsen, og den innsikten fikk fra å utføre disse eksperimentene er beskrevet nedenfor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vår tilnærming til å utvikle ikke-brennbart og høy temperatur funksjonelle Li-ion-batterier involverer syntese av nye ionisk flytende elektrolytter og deres påfølgende evaluering i prototypiske knappceller. Spesielt ble mono-HexC10TFSI og di-HexC10TFSI basert elektrolytter testet i en mynt celle besitter en Li metall anode og LiCoO 2 katode. De kritiske trinnene i denne tilnærmingen er å: 1) identifisere ledelsen elektrolytten i henhold til et sett av design spesifikasjoner; 2) opprettholde tørrhet o…
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).
