סינתזה של אלקטרוליטים מבוססים נוזלים יוניים, הרכבה של סוללות Li-ion, ומדידות של ביצועים בטמפרטורה גבוהה
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
חוסר היציבות הכימית של אלקטרוליט המסורתית נותר נושא הבטיחות התקני אחסון אנרגיה בשימוש נרחב כגון סוללות ליתיום. סוללות ליתיום לשימוש במכשירים הפועלים בטמפרטורות גבוהות דורשות אלקטרוליטים יציבים תרמית שאינן דליקים. נוזלים יוניים (ILs), אשר הם שאינם דליקים, בלתי נדיף, תרמית מלחים מותכים יציבים, הם תחליף אידיאלי עבור אלקטרוליטים ממסים אורגני לנקודת רתיחה דליקה נמוכה המשמשים כיום היום. אנו בזאת לתאר את הנהלים: 1) לסנתז נוזלים יוניים ובי-di-phosphonium זיווג עם כלוריד או bis (trifluoromethane) sulfonimide (אניונים TFSI); 2) למדוד את המאפיינים ואת יציבות תרמית של נוזלים יוניים אלה על ידי סריקה calorimetry דיפרנציאלי (DSC) ו גרווימטריה תרמית (TGA); 3) למדוד את מאפייני אלקטרוכימי של הנוזלים היוניים ידי voltammetry המחזורי (CV); 4) להכין אלקטרוליטים המכילים bis ליתיום (trifluoromethane) sulfonamide; 5) למדוד את השיתוףnductivity של אלקטרוליטים כפונקציה של הטמפרטורה; 6) להרכיב סוללת תא בגודל מטבע עם שני של אלקטרוליטים יחד עם האנודה מתכת Li ואת הקתודה 2 LiCoO; ו -7) להעריך ביצועי סוללה ב 100 מעלות צלזיוס. אנחנו גם לתאר את האתגרים בביצוע כמו גם התובנות מלבצע ניסויים אלה.
Introduction
סוללות Li-ion הן התקנים להפוך את האנרגיה בין אנרגיה חשמלית ואנרגיה כימית לספק אמצעי נוח לאחסן ולספק אנרגיה על פי דרישה על-the-go. היום, Li-ion סולל לשלוט בשוק מוצרי האלקטרוניקה הניידת בגלל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם מחדש chargeability, והם בעלי עניין עבור יישומים בקנה מידה גדולים מיוחדים, כגון למטה חור קידוח רכב. 1-5 סוללות מורכבים מארבעה מרכיבים עיקריים: הקתודה, האנודה, מפריד, ואלקטרוליטים. בעוד הכימיה של שתי אלקטרודות מכתיבה את צפיפות האנרגיה התיאורטית של הסוללה, את בטיחות טמפרטורת עבודה מוגבלת בעיקר על ידי החומר אלקטרוליט. 6-9 אלקטרוליטים אורגניים ממסים מבוססים קרבונט (למשל, קרבונט דימתיל (DMC) קרבונט אתילן (EC)) נמצא בשימוש נרחב סוללות ליתיום בשל הצמיגות הנמוכה שלהם, מוליכות גבוהות, מסיסות מלח ליתיום גבוה. יתר על כן, הקומבינה מסויםמשא של ממסי קרבונט (DMC / EC) מהווה גם ממשק אלקטרוליט מוצק ויציב (SEI), ובכך למנוע תגובות שפלות בין האלקטרוליט לבין אלקטרודה, וחיי סוללת הארכה. עם זאת, ממסים קרבונט סובלים נקודות רתיחה נמוכות ונקודות פלאש, הגבלת טמפרטורת הפעולה של סוללות ליתיום אל מתחת ל 55 מעלות צלזיוס, עם בעיות בטיחות חמורות פוטנציאל כשיש לקצר. 10,11
נוזלים יוניים הם קבוצה של מלחים שיש לטמפרטורת היתוך מתחת ל -100 מעלות צלזיוס. 12 בניגוד מלחים אנאורגניים טיפוסי, נוזלים יוניים להחזיק מגוון רחב נוזלי ויכול להיות נוזלי בטמפרטורת החדר. נוזלים יוניים מורכבים מרכזי קטיונים אורגנים אחת או יותר, כגון imidazolium, phosphonium, פירידיניום, או אמוניום לזווג עם אניון אנאורגניות או אורגניות, כגון methansulfonate, hexafluorophosphate, או הליד. 13,14 המגוון הרחב של שילובי קטיון ואת אניון האפשרייםמאפשר מספר רב של יצירות עם תכונות מתכוננות. בנוסף, האינטראקציות יוניות החזקות בתוך נוזלים יוניים לגרום ללחץ אד זניח, שאינו דליקה, וגבוהה יציבות תרמית אלקטרוכימיים. 15,16
החלפת אלקטרוליטים קונבנציונלי עם נוזלים יוניים היא פתרון אחד מטפל בבעיות הבטיחות טמונות סוללות ליתיום נוכחיות, ויכול לאפשר יישומים בטמפרטורות גבוהים. 17-27 כדי להדגים את שיטות עיבוד סינטטי וחומר הכלליים מנוצלות כדי לבנות סוללות ליתיום יון המכילות נוזלים יוניים עבור יישומים בטמפרטורות גבוהים, אנו מתארים את הסינתזה, תכונות תרמיות, ואפיון אלקטרוכימי של נוזלים יוניים ובי–phosphonium di לזווג גם עם כלוריד (Cl) או bis (trifluoromethane) sulfonimide (TFSI) אניון. ריכוזים שונים של ליתיום bis (trifluoromethane) sulfonimide (LiTFSI) ובהמשך מתווספים liqu phosphonium היונימזהים לתת אלקטרוליטים. בהתבסס על הביצועים של אלקטרוליטים TFSI phosphonium עם הוסיף LiTFSI לעומת אנלוגים כלוריד, תא מטבע נבנה עם או אלקטרוליטים מונו או di-phosphonium TFSI יחד עם האנודה מתכת Li ו LiCoO 2 קתודה. לבסוף, ביצועי הסוללה מוערך ב 100 מעלות צלזיוס במשך שתי סוללות תא בגודל מטבע שונים. הנהלים המפורטים, האתגרים בביצוע, ואת התובנות מלבצע ניסויים אלה יתוארו להלן.
Protocol
Representative Results
Discussion
הגישה שלנו לפיתוח טמפרטורה מהחומר שאינו דליקה הגבוהה סוללות ליתיום פונקציונליות כרוכה הסינתזה של אלקטרוליטים נוזלים יוניים חדשים והערכה הבאה שלהם בתאי מטבע טיפוסיים. באופן ספציפי, מונו-HexC10TFSI ו di-HexC10TFSI מבוסס אלקטרוליטים נבדקו בתא מטבע בעל האנודה מתכת Li ואת הקתודה <su…
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).
