Синтез Ионные электролиты жидкость, основанная, Сборка литий-ионных батарей, и измерения производительности при высокой температуре
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
Химическая нестабильность традиционного электролита остается вопрос безопасности в широко используемых устройств хранения энергии, таких как литий-ионных батарей. Литий-ионные аккумуляторы для использования в устройствах, работающих при повышенных температурах требуют термически стабильные и негорючие электролиты. Ионные жидкости (ILS), которые являются негорючими, энергонезависимые, термически стабильные расплавы солей, являются идеальной заменой для легковоспламеняющихся и с низкой температурой кипения электролитов органических растворителей в настоящее время используются сегодня. Мы здесь, описаны процедуры: 1) синтезировать моно- и ди–фосфония ионных жидкостей в паре с хлоридом или бис (трифторметансульфонат) sulfonimide (TFSI) анионов; 2) измерить тепловые свойства и стабильность этих ионных жидкостей с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрический анализ (ТГА); 3) измерения электрохимических свойств ионных жидкостей с помощью циклической вольтамперометрии (CV); 4) готовят электролиты, содержащие литий бис (трифторметансульфоновой) сульфаниламиды; 5) измеряют сотрудничествоnductivity электролитов в зависимости от температуры; 6) собрать батарейкой размером с монету с двумя из электролитов вместе с металлическим анодом Li и LiCoO 2 катода; и 7) оценить производительность батареи при 100 ° С. Мы дополнительно описать проблемы в исполнении, а также идеи, полученные от выполнения этих экспериментов.
Introduction
Литий-ионные аккумуляторы представляют собой устройства, которые преобразуют энергию между электрической энергии и химической энергии и обеспечивают удобное средство для хранения и поставлять энергию по требованию и на ходу. Сегодня, литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке портативной электроники из-за их высокой плотности энергии и повторного заряжаться, и представляют интерес для крупных и специальных приложений, таких как вниз отверстие бурения и автомобильной промышленности. 1-5 Батареи состоят из четырех основных компонентов: катода, анода, сепаратора и электролита. В то время как химия двух электродов диктует теоретическую плотность энергии батареи, безопасность и рабочая температура, в основном, ограничены электролитического материала. 6-9 карбонатные электролиты органический растворитель на основе (например, диметилкарбонат (DMC) и этиленкарбонат (EC)) широко используются в литий-ионных батарей из – за их низкой вязкостью, высокой проводимостью и высокой литиевой соли растворимости. Кроме того, некоторые COMBINAных растворителей карбонатные (DMC / EC) также образуют устойчивый твердый электролит (SEI), таким образом, предотвращая реакции разложения между электролитом и электродом, а также продлению срока службы аккумулятора. Однако карбонатные растворители страдают от низкой температурой кипения и горячих точках, ограничивая температуру функционирования литий-ионных батарей до уровня ниже 55 ° C, с потенциально серьезными проблемами безопасности при наличии короткого замыкания. 10,11
Ионные жидкости представляют собой класс солей, которые имеют температуру плавления ниже 100 ° С. 12 В отличие от типичных неорганических солей, ионных жидкостей , обладают широким жидкий диапазон и может быть жидкостью при комнатной температуре. Ионные жидкости состоят из одного или нескольких органических катионных центров, таких как имидазолия, фосфония, пиридиния, или аммонием и в сочетании с неорганическим или органическим анионом, такие как метансульфонат, гексафторфосфат или галогенид. 13,14 Широкое разнообразие возможных комбинаций катионов и анионовдопускает большое количество композиций с перестраиваемой свойствами. Кроме того, сильные ионные взаимодействия в ионных жидкостях приводит к незначительному давлению паров, неогнеопасны и высокой термической и электрохимической стабильностью. 15,16
Замена обычных электролитов с ионной жидкости является одним решением, которое устраняет присущие проблемы безопасности в современных литий-ионных батарей, и может позволить применения при высоких температурах. 17-27 Для иллюстрации общих методов синтетической и обработки материалов , используемые для создания литий – ионные батареи , содержащие ионные жидкости для применения при высоких температурах, мы описываем синтез, термические свойства и электрохимические характеристики моно- и ди–фосфония ионных жидкостей в паре с либо хлорид (Cl) или бис (трифторметансульфонат) sulfonimide (TFSI), анион. Различные концентрации бис (трифторметансульфоновой) sulfonimide (LiTFSI) Затем добавляют к фосфония ионного жидкого мылаИдентификаторы давать электролиты. На основе выполнения фосфония TFSI электролитов с добавлением LiTFSI по сравнению с аналогами хлорид, ячейка монета построена с либо моно- или ди-фосфония TFSI электролитов вместе с металлическим анодом Li и LiCoO 2 катода. И, наконец, производительность батареи оценивается при 100 ° С в течение двух различных литиевой батареи. Подробное описание процедур, проблемы в исполнении, а также идеи, полученные от выполнения этих экспериментов описаны ниже.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наш подход к разработке негорючими и высокотемпературных функциональных литий-ионных батарей включает синтез новых ионной жидкости электролитов и их последующей оценки в прототипическими клетках монет. В частности, моно-HexC10TFSI и ди-HexC10TFSI электролиты на основе были испытаны в камере д…
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).
