Syntes av jonisk vätska baserade elektrolyter, Montering av Li-ion batterier, och mätningar av prestanda vid hög 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 kemiska instabiliteten hos traditionella elektrolyten förblir en säkerhetsfråga i allmänt använda energi lagringsenheter som Li-jon-batterier. Li-jon-batterier för användning i anordningar som arbetar vid förhöjda temperaturer kräver termiskt stabila och icke-brännbara elektrolyter. Joniska vätskor (ILS), som är icke-brännbar, icke-flyktiga, termiskt stabil smälta salter, är en idealisk ersättare för brandfarliga och låg kokpunkt organisk lösningsmedels elektrolyter närvarande används idag. Vi beskriver häri de förfaranden som: 1) syntetisera mono- och di-fosfonium joniska vätskor parade med klorid eller bis (trifluorometan) sulfonimiden (TFSI) anjoner; 2) mäta de termiska egenskaperna och stabiliteten hos dessa joniska vätskor med differentiell svepkalorimetri (DSC) och termogravimetrisk analys (TGA); 3) mäta de elektrokemiska egenskaperna hos de joniska vätskor av cyklisk voltametri (CV); 4) förbereda elektrolyter innehållande litium-bis (trifluorometan) sulfonamid; 5) mäter conductivity av elektrolyterna som en funktion av temperaturen; 6) montera en knappcellsbatteri med två av elektrolyter tillsammans med en Li metallanod och LiCoO två katod; och 7) utvärdera batteriets prestanda vid 100 ° C. Vi beskriver dessutom utmaningarna i utförande samt insikter från att utföra dessa experiment.
Introduction
Li-ion batterier är enheter som omvandlar energi mellan elektrisk energi och kemisk energi och ger ett bekvämt sätt att lagra och leverera energi på efterfrågan och on-the-go. Idag, Li-jonbatterier dominerar marknaden bärbar elektronik på grund av deras höga energitäthet och åter skattskyldighet, och är av intresse för storskaliga och specialtillämpningar, såsom ned-hålsborrning och fordon. 1-5 Batterier består av fyra huvudkomponenter: katod, anod, separator och elektrolyt. Medan kemin hos de två elektrod dikterar den teoretiska energitätheten hos batteriet, är säkerheten och arbetstemperatur i huvudsak begränsad av elektrolytmaterialet. 6-9 karbonatbaserad organiskt lösningsmedel elektrolyter (t.ex. dimetylkarbonat (DMC) och etylenkarbonat (EC)) används i stor utsträckning Li-jon-batterier på grund av deras låga viskositet, hög ledningsförmåga och hög litiumsalt löslighet. Dessutom vissa combinaningar av de karbonat lösningsmedel (DMC / EG) utgör också en stabil fast elektrolyt gränssnitt (SEI), för att därigenom förhindra nedbrytningsreaktioner mellan elektrolyten och elektroden, och som sträcker sig batteriets livslängd. Men karbonat lösningsmedel lider låga kokpunkter och flampunkter, vilket begränsar drifttemperaturen av Li-ion batterier till under 55 ° C, med potentiellt allvarliga säkerhetsproblem när det finns en kortslutning. 10,11
Joniska vätskor är en klass av salter som har smälttemperaturer under 100 ° C. 12 I motsats till typiska oorganiska salter, joniska lösningar besitter ett brett flytande intervall och kan vara flytande vid rumstemperatur. Joniska vätskor är sammansatta av en eller flera organiska katjoniska centra, såsom imidazolium, fosfonium, pyridinium, eller ammonium- och paras ihop med en oorganisk eller organisk anjon, såsom metansulfonat, hexafluorfosfat, eller halogenid. 13,14 Den stora variationen av möjliga katjon- och anjon kombinationermöjliggör för ett stort antal kompositioner med sökbara egenskaper. Dessutom är de starka joniska interaktioner inom joniska vätskor resulterar i försumbart ångtryck, obrännbarhet och hög termisk och elektrokemisk stabilitet. 15,16
Ersätta konventionella elektrolyter med joniska vätskor är en lösning som tar upp de inneboende säkerhetsfrågor i löpande Li-jon-batterier, och kan göra det möjligt högtemperaturapplikationer. 17-27 För att illustrera de allmänna syntetiska och material bearbetningsmetoder som används för att konstruera litiumjonbatterier som innehåller joniska vätskor för applikationer med hög temperatur, vi beskriver syntesen, termiska egenskaper, och elektrokemisk karaktärisering av mono- och di-fosfonium joniska vätskor parat med antingen klorid (Cl) eller bis (trifluorometan) sulfonimiden (TFSI) anjon. Olika koncentrationer av litium bis (trifluorometan) sulfonimiden (LiTFSI) tillsättes därefter till fosfonium joniska flytande tvids för att ge elektrolyter. Baserat på resultatet av fosfonium TFSI elektrolyter med tillsatt LiTFSI jämfört med klorid-analoger, är en knappcell konstruerad med antingen mono- eller di-fosfonium TFSI elektrolyter tillsammans med en Li metallanod och LiCoO två katod. Slutligen är batteriets prestanda utvärderades vid 100 ° C för de två olika knappcellsbatteri. De detaljerade förfarandena, utmaningarna i utförandet, och insikter från att utföra dessa experiment beskrivs nedan.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vår strategi att utveckla icke-brännbart och hög temperatur funktionella Li-jon-batterier innebär syntes av nya joniska flytande elektrolyt och deras efterföljande utvärdering i prototypiska knappceller. Specifikt mono-HexC10TFSI och di-HexC10TFSI baserade elektrolyter testas i en knappcells har en Li metallanod och LiCoO två katod. De kritiska stegen i denna metod är att: 1) identifiera ledningen elektrolyten enligt en uppsättning av konstruktionsspecifikationer; 2) upprätthålla torrhet och säker…
Disclosures
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 |
References
- 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).
