Synthèse du liquide ionique à base de Electrolytes, Assemblée des batteries Li-ion, et des mesures de performance à haute température
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
L'instabilité chimique de l'électrolyte traditionnel reste un problème de sécurité dans les dispositifs de stockage d'énergie largement utilisés tels que les batteries Li-ion. Les batteries Li-ion pour une utilisation dans les appareils fonctionnant à des températures élevées nécessitent des électrolytes thermiquement stables et non inflammables. Les liquides ioniques (NIT), qui sont non-inflammable, non-volatile, thermiquement stables sels fondus, sont un remplacement idéal pour point d'ébullition bas inflammable et des électrolytes de solvants organiques actuellement utilisés aujourd'hui. Nous décrivons ici les procédés suivants: 1) la synthèse des liquides ioniques mono- et di-phosphonium jumelé avec le chlorure ou le bis (trifluorométhane) sulfonimide (TFSI) des anions; 2) mesurer les propriétés thermiques et la stabilité de ces liquides ioniques par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par analyse thermogravimétrique (ATG); 3) mesurer les propriétés électrochimiques des liquides ioniques par voltamétrie cyclique (CV); 4) préparer des électrolytes contenant du lithium bis (trifluorométhane) sulfonamide; 5) mesurer la conductivity des électrolytes en fonction de la température; 6) assembler une pile de pièces de monnaie avec deux des électrolytes ainsi que d' une anode en métal Li et LiCoO2 cathode; et 7) évaluer la performance de la batterie à 100 ° C. Nous décrivons en outre les défis dans l'exécution, ainsi que les enseignements tirés de l'exécution de ces expériences.
Introduction
Les batteries Li-ion sont des dispositifs qui transforment l'énergie entre l'énergie électrique et de l'énergie chimique et fournissent un moyen pratique pour stocker et fournir de l'énergie sur la demande et sur le pouce. Aujourd'hui, les batteries Li-ion dominent le marché de l'électronique portable en raison de leur densité d'énergie élevée et re-chargeabilité et présentent un intérêt pour les grands et spécialisés applications, telles que le forage de fond de trou et de l'automobile. 1-5 Les piles sont composées de quatre composantes principales: cathode, anode, séparateur, et l' électrolyte. Alors que la composition chimique des deux électrodes détermine la densité théorique d'énergie de la batterie, la sécurité et la température de fonctionnement sont principalement limitées par le matériau électrolyte. À base d' électrolytes de solvants organiques 6-9 Carbonate (par exemple, le carbonate de diméthyle (DMC) et le carbonate d' éthylène (EC)) sont largement utilisés dans les batteries Li-ion en raison de leur faible viscosité, conductivité élevée et une haute solubilité de lithium de sel. En outre, certains combinations des solvants de carbonate (DMC / CE) forment également une interface d'électrolyte solide stable (SEI), empêchant ainsi les réactions de dégradation entre l'électrolyte et l'électrode, et prolonger la vie de la batterie. Cependant, les solvants carbonate souffrent de points d'ébullition bas et des points d'éclair, ce qui limite la température de fonctionnement des batteries Li-ion au-dessous de 55 ° C, avec des problèmes de sécurité potentiellement graves quand il y a un court-circuit. 10,11
Les liquides ioniques sont une classe de sels ayant des températures de fusion inférieures à 100 ° C. 12 Contrairement aux sels inorganiques typiques, liquides ioniques possèdent une large gamme de liquide et peut être liquide à température ambiante. Les liquides ioniques sont constitués d'un ou plusieurs centres cationiques organiques tels que l'imidazolium, phosphonium, pyridinium ou ammonium et appairés avec un anion inorganique ou organique, tel que le méthanesulfonate, l'hexafluorophosphate ou un halogénure. 13,14 La grande variété de combinaisons possibles de cations et d' anionspermet un grand nombre de compositions ayant des propriétés réglables. En outre, les fortes interactions ioniques au sein des liquides ioniques entraînent une pression de vapeur négligeable, la non-inflammabilité et de stabilité thermique et électrochimique élevée. 15,16
Remplacement des électrolytes classiques avec des liquides ioniques est une solution qui répond aux problèmes de sécurité inhérents aux batteries Li-ion actuelles, et pourrait permettre à des applications à haute température. 17-27 Pour illustrer les méthodes générales de traitement synthétique et matériaux utilisés pour construire des batteries au lithium – ion contenant des liquides ioniques pour applications à haute température, nous décrivons la synthèse, les propriétés thermiques, et la caractérisation électrochimique des mono- et di-phosphonium liquides ioniques apparié avec soit le chlorure (Cl) ou le bis (trifluorométhane) sulfonimide (TFSI) anion. Différentes concentrations de bis au lithium (trifluorométhane) sulfonimide (LiTFSI) sont ensuite ajoutés à la liqu ionique phosphoniumids pour donner des électrolytes. Sur la base de la performance des phosphoniums électrolytes TFSI ajouté LiTFSI par rapport aux analogues de chlorure, d' une cellule de la pièce est réalisée soit avec le mono- ou di-phosphonium TFSI électrolytes ainsi que d' une anode en métal Li et LiCoO2 cathode. Enfin, la performance de la batterie est évaluée à 100 ° C pour les deux piles de pièces de monnaie différentes. Les procédures détaillées, les défis dans l'exécution, ainsi que les enseignements tirés de l'exécution de ces expériences sont décrites ci-dessous.
Protocol
Representative Results
Discussion
Notre approche pour développer des batteries Li-ion fonctionnels température non-inflammable et haute implique la synthèse de nouveaux électrolytes liquides ioniques et leur évaluation ultérieure dans des cellules de pièces prototypes. Plus précisément, des électrolytes à base de mono-et de di-HexC10TFSI HexC10TFSI ont été testés dans une cellule de pièces de monnaie possédant une anode en métal Li et LiCoO2 cathode. Les étapes critiques dans cette approche sont les suivants: 1) identifier l…
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 |
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