Sintesi di ionici liquido a base di elettroliti, Assemblea delle batterie agli ioni di litio, e le misure di prestazioni ad alta temperatura
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'instabilità chimica della elettrolita tradizionale rimane un problema di sicurezza nei dispositivi di accumulo di energia ampiamente usato come le batterie agli ioni di litio. Le batterie al litio per l'impiego in dispositivi che funzionano a temperature elevate richiedono elettroliti termicamente stabili e non infiammabili. I liquidi ionici (ILS), che sono non infiammabili, non volatile, termicamente stabili sali fusi, sono un sostituto ideale per infiammabili e basso punto di ebollizione elettroliti di solventi organici attualmente utilizzati oggi. Descriviamo qui le procedure: 1) sintetizzare liquidi ionici mono e di-fosfonio in coppia con cloruro o bis (trifluorometano) sulfonimide TFSI) anioni (; 2) misurare le proprietà termiche e della stabilità di questi liquidi ionici di calorimetria differenziale a scansione (DSC) e analisi gravimetrica termica (TGA); 3) misurare le proprietà elettrochimiche dei liquidi ionici di voltammetria ciclica (CV); 4) preparare gli elettroliti contenenti bis litio (trifluorometano) sulfamidico; 5) misurare la conductivity degli elettroliti in funzione della temperatura; 6) montare una batteria a moneta con due degli elettroliti oltre ad anodo metallico Li e LiCoO 2 catodo; e 7) valutare le prestazioni della batteria a 100 ° C. Abbiamo inoltre descrivono le sfide in esecuzione, nonché le conoscenze acquisite da eseguire questi esperimenti.
Introduction
batterie Li-ion sono dispositivi che trasformano l'energia tra energia elettrica e energia chimica e forniscono un mezzo conveniente per memorizzare e per fornire energia on demand e on-the-go. Oggi, le batterie agli ioni di litio dominano il mercato dell'elettronica portatile a causa della loro alta densità di energia e ri-esigibilità, e sono di interesse per le applicazioni su larga scala e speciali, come ad esempio il drill-down-hole e automotive. 1-5 batterie sono composte da quattro componenti principali: catodo, anodo, il separatore, e l'elettrolita. Mentre la chimica dei due elettrodi determina la densità di energia teorica della batteria, la sicurezza e la temperatura di lavoro sono principalmente limitate dal materiale elettrolitico. Basate elettroliti solvente organico 6-9 carbonato (ad esempio, dimetil carbonato (DMC) e carbonato di etilene (CE)) sono ampiamente utilizzati in batterie agli ioni di litio a causa della loro bassa viscosità, alta conducibilità e alta litio sali solubilità. Inoltre, alcune combinazionizioni dei solventi carbonato (DMC / CE) formano anche una scuderia solida interfaccia di elettrolita (SEI), impedendo in tal modo le reazioni di degradazione tra l'elettrolita e l'elettrodo, e la durata della batteria si estende. Tuttavia, solventi carbonato soffrono di punti basso punto di ebollizione e punto di infiammabilità, limitando la temperatura di funzionamento delle batterie Li-ion al di sotto di 55 ° C, con problemi di sicurezza potenzialmente gravi quando c'è un corto circuito. 10,11
I liquidi ionici sono una classe di sali che hanno temperature di fusione inferiore a 100 ° C. 12 In contrasto con sali inorganici tipici, liquidi ionici possiedono una vasta gamma liquido e può essere liquido a temperatura ambiente. I liquidi ionici sono composti da uno o più centri cationici organici, come imidazolio, fosfonio, piridinio, o ammonio e accoppiati con un anione inorganico od organico, quale methansulfonate, esafluorofosfato, o alogenuro. 13,14 L'ampia varietà di possibili combinazioni di cationi e anioniconsente un gran numero di composizioni con proprietà sintonizzabili. Inoltre, le forti interazioni ioniche all'interno liquidi ionici provocano pressione trascurabile di vapore, non infiammabilità, ed elevata stabilità termica e elettrochimica. 15,16
La sostituzione elettroliti convenzionali con liquidi ionici è una soluzione che risolve i problemi di sicurezza inerenti le batterie agli ioni di litio attuali, e potrebbe consentire applicazioni ad alta temperatura. 17-27 per illustrare i metodi di lavorazione sintetico e materiale generali utilizzati per la costruzione di batterie agli ioni di litio contenenti liquidi ionici per applicazioni ad alta temperatura, si descrive la sintesi, proprietà termiche, e la caratterizzazione elettrochimica di mono- e di-fosfonio liquidi ionici in coppia o con la cloruro (Cl) o bis (trifluorometano) sulfonimide (TFSI) anione. Diverse concentrazioni di litio bis (trifluorometano) sulfonimide (LiTFSI) vengono successivamente aggiunti al fosfonio sapone liquid ionicoids per dare elettroliti. Basandosi sulle prestazioni dei fosfonio TFSI elettroliti con aggiunta LiTFSI rispetto ai analoghi cloruro, una pila a bottone è costruito sia con il mono o di-fosfonio elettroliti TFSI oltre ad anodo metallico Li e LiCoO 2 catodo. Infine, le prestazioni della batteria viene valutata a 100 ° C per le due pile a bottone differenti. Di seguito sono descritte le procedure dettagliate, le sfide in esecuzione, e le conoscenze acquisite da eseguire questi esperimenti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il nostro approccio per sviluppare batterie Li-ion funzionali temperatura non infiammabile e ad alto comporta la sintesi di nuovi elettroliti liquidi ionici e la loro successiva valutazione nelle cellule della moneta prototipo. In particolare, mono-HexC10TFSI e di-HexC10TFSI elettroliti basati sono stati testati in una cella di monete in possesso di un anodo metallico Li e LiCoO 2 catodo. I passaggi critici all'interno di questo approccio sono: 1) identificare l'elettrolita piombo secondo un insieme d…
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).
