Az ionos folyadékalapú elektrolitok szintézise, ​​a lítium-ion akkumulátorok összeszerelése és a mérések

Absztrakt

Bevezetés

Az ionos folyadékok olyan sók osztálya, amelyek olvadási hőmérséklete 100 ° C alatt van. 12 A tipikus szervetlen sókkal ellentétben az ionos folyadékok széles folyadéktartománnyal rendelkeznek, és szobahőmérsékleten folyékonyak lehetnek. Az ionos folyadékok egy vagy több szerves kationos centrumból, például imidazoliumból, foszfóniumból, piridiniumból vagy ammóniumból állnak, és szervetlen vagy szerves anionnal, például metánszulfonáttal, hexafluor-foszfáttal vagy halogeniddel párosítva. A kationok és anionok lehetséges kombinációinak sokfélesége számos hangolható tulajdonságú kompozíciót tesz lehetővé. Ezenkívül az ionos folyadékokon belüli erős ionos kölcsönhatások elhanyagolható gőznyomásból, nem gyúlékonyságból, valamint magas hő- és elektrokémiai stabilitásból erednek. 15.16

Előfizetés szükséges. Kérjük, ajánlja a JoVE-t könyvtárosának.

Jegyzőkönyv

1. Az ionos folyékony mono- és difoszfónium szintézise kloriddal (Cl) és bisz (trifluor-metán-szulfonimid anionokkal) (TFSI) kombinálódik

MEGJEGYZÉS: A három hexil- és egy decil-alkil-láncot tartalmazó monofoszfónium-ionos folyadékra vonatkozó eljárás körülveszi a foszfónium-kationt, és ezt az ionos folyadékot mono-HexC10Cl-ként rövidítik. Ugyanezt az eljárást megismételtük 1,10-diklór-dekán alkalmazásával, hogy nagy hozammal nyerjük az ionos folyadék-di-foszfóniumot, és ezt az ionos folyadékot rövidítésként di-HexC10Cl-nak nevezzük.

2. Az ionos folyadékok jellemzése

3. Elektrolitok előállítása

  1. Szárítsa az ionos folyadékot nagy vákuumban, 80 ° C-on, egy éjszakán át, alaposan rázva, hogy biztosítsa a nyomokban lévő víz eltávolítását.
  2. A LiTFSI-t vákuumkemencében három napig 70 ° C-on szárítjuk.
  3. Vigye az ionos folyadékot és a LiTFSI vízmentes sót a kesztyűtartóból.
  4. Adja az ionos folyadékot (pl. Mono-HexC10TFSI, 4,50 g, 6,4 mmol) és LiTFSI-t (1,83 g, 6,4 mmol) egy kemencében szárított, keverősávot tartalmazó lombikba. Az elegyet egy éjszakán át keverjük, amíg homogén lesz, így az elektrolit 1,6 M koncentrációját kapjuk.

4. A lítium gombos elemelem gyártása

  1. Az argon atmoszféra alatti kesztyűtartóban helyezzen egy rugót és egy rozsdamentes acél tárcsát az érme cella alsó fedelére. Helyezzen egy 2, 12,7 mm átmérőjű LiCoO elektródot (24 mg) a rozsdamentes acéllemezre.
  2. A szeparátorok két darabját (porózus polipropilén membránok) áztassuk az előzőleg 60 ° C-on előkészített ionos folyékony elektrolitban, főzőlapon 15 percig.
  3. Add az ionos folyékony elektrolitot a LiCoO 2 katód felületére, amíg az anyag teljesen el nem fedi elektrolittal (≈ 0,5 ml).
  4. Helyezze az elektrolittal átitatott távtartókat az érme cellájának közepére. Ezután adjon még néhány csepp ionos folyékony elektrolitot (néhány mikroliter) az elválasztókhoz.
  5. Vágjon egy darab 12,7 mm átmérőjű lítium fémdarabot a kesztyűtartóba. Helyezze a lítiumfémet a kiálló részek tetejére.
  6. Zárja be a gomb típusát, és zárja le a kesztyűtartóban lévő hajsütővel.
  7. Tegye át az érme celláját a kesztyűtartóból és a sejt többi részét 12 órán keresztül, mielőtt megkezdené az akkumulátor/elektrokémiai teszteket.

5. Az akkumulátor teljesítménye 100 ° C-on

  1. Helyezze az érmecellát egy 100 ° C-on működő kemencébe, amelynek a hátsó falán van egy kis lyuk, ahol az elektrokémiai vizsgálati állomás vezetői menetesek. Csatlakoztassa a gomb típusát az elektrokémiai tesztállomáshoz.
  2. Hagyja a sejtet 100 ° C-on 30 percig, egyensúlyozza a hőmérsékletet.
  3. Válassza ki a galvanosztatikus töltés-kisülés ciklust az elektrokémiai tesztállomáson. Állítsa a ciklusok számát 500-ra.
  4. Állítsa a töltőáramot 500 mu-ra, a feszültség alsó határát pedig 4,2 V. Állítsa be a 60 másodperces pihenőidőt 0 V-on minden töltés után.
  5. Állítsa a kisülési áramot 500 mu-ra, az alsó határfeszültséget pedig 3,0 V-ra. Minden kisülés után állítson be 60 másodperces pihenőidőt 0 V-on.
  6. A szoftver segítségével indítsa el a töltés-kisütési ciklust 500 mu áram mellett, 3,0 V és 4,2 V között. Értékelje a terhelés teljesítményét az idő függvényében.

Előfizetés szükséges. Kérjük, ajánlja a JoVE-t könyvtárosának.

Reprezentatív eredmények

Az ionos folyadékokat, mono- és di-HexC10Cl HexC10Cl, nukleofil reakcióval állítottuk elő, majd egy ezt követő halogenidcserélő reakcióval a mono-HexC10TFSI és di-HexC10TFSI ionos folyadékokat kaptuk. (1A. Ábra). 14 Mind a négy ionos folyadék színtelen és kissé viszkózus folyadék volt (1B. Ábra). Az ionos folyékony mono-HexC10TFSI reprezentatív 1H-NMR-jét a 1C. Ábra, és a tömegspektrometriával és az elemanalízis adatokkal együtt megerősítette a szerkezetet.

Ezután meghatároztuk a négy ionos folyadék hőstabilitását (Asztal 1). Mint reprezentatív ionos folyadék, a di-HexC10TFSI-t részletesen leírják. Először DSC-t hajtottunk végre annak megállapítására, hogy vannak-e fázisátalakulások -70 és 150 ° C között (2A. Ábra). Nincs üvegesedési hőmérséklet Az ionos folyékony di-HexC10TFSI tűz vagy olvadás hőmérsékletét nem figyelték meg, ami jelzi a folyadékfázis széles tartományát és stabilitását ebben a hőmérséklet-tartományban. Hőmérsékleti rámpa-tesztben TGA alkalmazásával 10 ° C/perc fűtési sebesség mellett az ionos folyékony di-HexC10TFSI nem mutatott súlycsökkenést 300 ° C-ig. A termikus bomlási hőmérsékletet 365 ° C-nak határozták meg. (2B. Ábra).

A mono-HexC10TFSI és di-HexC10TFSI ionos folyadékok elektrokémiai stabilitását 100 ° C-on CV-vel határoztuk meg háromelektródás Li/Li/platina konfigurációval. (3A. Ábra). A CV méréseket 100 ° C-on -0,5 és 6,5 V között (Li +/Li) összehasonlítva 1 mV/s pásztázási sebességgel végeztük. A Mono-HexC10TFSI és a di-HexC10TFSI ionos folyadékok legalább 5,0 V-ig stabilak voltak Li +/Li-vel szemben 100 ° C-on. 5,0 V felett a TFSI-anion lebomlott.

t. "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Ezután az ionos folyadékok viszkozitását 25 ° C-on határoztuk meg (Asztal 1) Mivel a mono- és di-HexC10TFSI ionos folyadékok HexC10TFSI viszkozitása szignifikánsan alacsonyabb volt (szobahőmérsékleten 7 Pa · sec), összehasonlítva a Cl alapú ionos folyadékokkal, a további vizsgálatokat ezzel a két ionos folyadékkal végeztük. Ezt követően a LiTFSI-t 5% (0,3 M) tömegszázalékos mono-HexC10TFSI és di-HexC10TFSI elegyekkel kevertük, és mértük az elektrolitok viszkozitását és vezetőképességét. A 25 és 100 ° C közötti hőmérsékleten a di-HexC10TFSI + LiTFSI elektrolit viszkozitása nagyobb volt, mint a mono-HexC10TFSI + LiTFSI. megnövelt hőmérséklet alacsonyabb viszkozitást kínál (4A. Ábra). Hasonlóképpen, a vezetőképességi értékek magasabb hőmérsékleten növekedtek mindkét elektrolit esetében, a mono-HexC10TFSI + LiTFSI elektrolit minden vezető hőmérsékleten magasabb vezetőképességi értéket mutatott, mint a di-HexC10TFSI + LiTFSI elektrolit.