توليف أيوني السائل القائم المنحلات بالكهرباء، جمعية بطاريات ليثيوم أيون، وقياسات الأداء عند درجات حرارة عالية
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
لا يزال عدم الاستقرار الكيميائي للبالكهرباء التقليدي مسألة السلامة في استخدامها على نطاق واسع أجهزة تخزين الطاقة مثل بطاريات ليثيوم أيون. بطاريات ليثيوم أيون للاستخدام في الأجهزة التي تعمل في درجات حرارة مرتفعة تتطلب الشوارد مستقرة حراريا وغير قابلة للاشتعال. السوائل الأيونية (ILS)، والتي هي غير قابلة للاشتعال وغير متقلبة، حراريا الأملاح المنصهرة مستقرة، هي البديل المثالي لالقابلة للاشتعال وانخفاض درجة الغليان الشوارد المذيبات العضوية المستخدمة حاليا اليوم. وصفنا هنا الإجراءات ما يلي: 1) تجميع السوائل الأيونية الأحادية ودي فسفونيوم يقترن كلوريد أو مكرر (trifluoromethane) sulfonimide (TFSI) الأنيونات. 2) قياس الخصائص الحرارية واستقرار هذه السوائل الأيونية من الكالوري التفاضلية المسح الضوئي (DSC) والتحليل الوزني الحراري (TGA)؛ 3) قياس خصائص الكهروكيميائية من السوائل الأيونية التي كتبها voltammetry دوري (CV)؛ 4) إعداد الشوارد تحتوي مكرر الليثيوم (trifluoromethane) السلفوناميد. 5) قياس المشتركnductivity من الشوارد بوصفها وظيفة من درجة الحرارة؛ 6) تجميع خلية البطارية عملة مع اثنين من الشوارد جنبا إلى جنب مع الأنود معدن لي وLiCoO 2 الكاثود. و7) تقييم أداء البطارية عند 100 درجة مئوية. وصفنا بالإضافة إلى التحديات في تنفيذ فضلا عن الخبرات المكتسبة من تنفيذ هذه التجارب.
Introduction
بطاريات ليثيوم أيون هي الأجهزة التي تحول الطاقة بين الطاقة الكهربائية والطاقة الكيميائية وتوفير وسيلة مريحة لتخزين وتوصيل الطاقة على الطلب وعلى الحركة والتنقل. اليوم، تهيمن بطاريات ليثيوم أيون سوق الالكترونيات المحمولة بسبب كثافتها العالية للطاقة وإعادة chargeability، وهي التي تهم واسع النطاق وتخصص التطبيقات، مثل الحفر أسفل الحفرة والسيارات. وتتكون 1-5 بطاريات من أربعة عناصر رئيسية هي: القطب السالب، الأنود، فاصل، والكهارل. بينما كيمياء القطبين يملي كثافة الطاقة النظرية للبطارية، وسلامة ودرجة حرارة تقتصر أساسا من المواد المنحل بالكهرباء. 6-9 كربونات استنادا الشوارد المذيبات العضوية (على سبيل المثال، كربونات ثنائي ميثيل (DMC) والإيثيلين كربونات (EC)) وتستخدم على نطاق واسع في بطاريات ليثيوم أيون بسبب اللزوجة الخاصة المنخفضة، الموصلية عالية، وارتفاع الليثيوم الملح الذوبان. وعلاوة على ذلك، combina معينستعقد من المذيبات كربونات (DMC / EC) كما تشكل قوية وثابتة واجهة بالكهرباء (SEI)، وبالتالي منع ردود الفعل تدهور بين بالكهرباء والقطب، وإطالة عمر البطارية. ومع ذلك، والمذيبات الكربونات تعاني من نقطة غليان منخفضة ونقطة الوميض، مما يحد من درجة حرارة التشغيل من بطاريات ليثيوم أيون لأقل من 55 درجة مئوية، مع قضايا السلامة يحتمل أن تكون شديدة عندما يكون هناك دائرة قصر. 10،11
السوائل الأيونية هي فئة من الأملاح التي لديها ذوبان درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية. 12 وعلى النقيض من الأملاح غير العضوية نموذجية، والسوائل الأيونية تمتلك مجموعة واسعة السائل ويمكن أن تكون سائلة في درجة حرارة الغرفة. وتتكون السوائل الأيونية واحد أو عدة مراكز الموجبة العضوية، مثل imidazolium، فسفونيوم، البيريدينيوم، أو الأمونيوم وإقران مع أنيون العضوية أو غير العضوية، مثل methansulfonate، hexafluorophosphate، أو هاليد. 13،14 طائفة واسعة من المحتملة الموجبة وأنيون تركيباتيسمح لعدد كبير من المؤلفات ذات خصائص الانضباطي. وبالإضافة إلى ذلك، فإن التفاعلات الأيونية قوية داخل السوائل الأيونية تؤدي إلى ضغط يذكر بخار وعدم قابليتها للاشتعال، والاستقرار الحراري والكهروكيميائية عالية. 15،16
استبدال المنحلات بالكهرباء التقليدية مع السوائل الأيونية هو أحد الحلول التي تعالج قضايا السلامة الكامنة في بطاريات ليثيوم أيون الحالية، ويمكن أن تتيح لتطبيقات درجة حرارة عالية. 17-27 لتوضيح طرق المعالجة الاصطناعية والمواد العامة المستخدمة لبناء بطاريات ليثيوم أيون التي تحتوي على سوائل الأيونية لتطبيقات درجة حرارة عالية، ونحن تصف التوليف، والخصائص الحرارية، وخصائص الكهروكيميائية من أحادية ودي فسفونيوم السوائل الأيونية يقترن إما كلوريد (الكلور) أو مكرر (trifluoromethane) sulfonimide (TFSI) أنيون. يتم إضافة تركيزات مختلفة من الليثيوم مكرر (trifluoromethane) sulfonimide (LiTFSI) في وقت لاحق إلى فسفونيوم LIQU الأيونيةهويات لإعطاء الشوارد. واستنادا إلى أداء فسفونيوم الشوارد TFSI مع وأضاف LiTFSI مقارنة النظير كلوريد، يتم إنشاء خلية عملة مع إما أحادية أو دى فسفونيوم الشوارد TFSI جنبا إلى جنب مع الأنود معدن لي وLiCoO 2 الكاثود. وأخيرا، يتم تقييم أداء البطارية عند 100 درجة مئوية لمدة المختلفة بطاريات الخلايا عملة واحدة. ووصف الإجراءات التفصيلية، والتحديات في التنفيذ، والخبرات المكتسبة من تنفيذ هذه التجارب أدناه.
Protocol
Representative Results
Discussion
نهجنا في تطوير غير قابلة للاشتعال وارتفاع في درجة الحرارة وظيفية بطاريات ليثيوم أيون يتضمن تركيب الشوارد السائل الأيونية الجديدة وتقييمها لاحقا في خلايا عملة نموذجية. على وجه التحديد، تم اختبار أحادية HexC10TFSI ودى HexC10TFSI الشوارد مقرها في خلية عملة امتلاك الأنود معدن ل?…
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).
