İyonik Sıvı Bazlı Elektrolitlerin Sentezi Li-ion Piller, Meclis ve Yüksek Sıcaklığında Performans Ölçümleri
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
Geleneksel elektrolit kimyasal dengesizliği gibi Li-ion piller gibi yaygın olarak kullanılan enerji depolama aygıtları bir güvenlik sorunu olmaya devam etmektedir. yüksek sıcaklıklarda çalışan cihazlarda kullanılmak üzere Li-ion piller, termal kararlı ve yanıcı olmayan elektrolitler gerektirir. , Termal olarak kararlı eriyik tuzları, uçucu olmayan, alev almaz iyonik sıvılar (ILS) şu anda, günümüzde kullanılan yanıcı ve düşük kaynama noktalı bir organik çözücü elektrolit için ideal bir yedek bulunmaktadır. 1) klorür veya bis (triflorometan) sulfonimide (TDI) anyonlar ile eşleştirilmiş mono- ve di-fosfonyum iyonik sıvılar sentezleyebilir: Bu tarifnamede prosedürleri açıklamak 2) diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC), termal gravimetrik analiz (TGA), bu iyonik sıvılar termal özellikleri ve stabilite ölçümü; 3) Dönüşümlü voltametri (CV) iyonik sıvıların elektrokimyasal özelliklerini ölçmek; 4) lityum bis (triflorometan) sülfonamid ihtiva eden elektrolit hazırlanması; 5) co ölçmekSıcaklığın bir fonksiyonu olarak elektrolit nductivity; 6) Li metali anot ve katot LiCoO 2 ile birlikte elektrolitlerin iki ile Düğme pili monte; ve 7), 100 ° C 'de akü performansını değerlendirmek. Biz ayrıca bu deneyler elde yürütme zorlukların yanı sıra anlayışlar açıklar.
Introduction
Li-ion piller elektrik enerjisi ve kimyasal enerji arasındaki enerji dönüşümü ve depolamak için ve talep üzerine ve on-the-go enerji sağlamak için uygun bir yol sağlar cihazlardır. Bugün, Li-ion piller nedeniyle yüksek enerji yoğunluğu ve yeniden yüklenebilirliğe taşınabilir elektronik piyasaya hakim ve bu aşağı delik delme ve otomotiv gibi büyük ölçekli ve özel uygulamalar için ilgi çekicidir. Katot, anot, ayırıcı ve elektroliti: 1-5 Piller dört ana bileşenden oluşur. iki elektrod kimyası pilin teorik enerji yoğunluğunu belirler birlikte, güvenlik ve çalışma sıcaklığı esas olarak elektrolit malzeme ile sınırlıdır. 6-9 karbonat bazlı organik çözücü elektrolitler (örneğin, dimetil karbonat (DMC) ve etilen karbonat (EC)) yaygın olarak nedeniyle düşük viskoziteli ve yüksek iletkenliği ve yüksek lityum tuzu çözünürlüğüne lityum iyon pil kullanılmaktadır. Ayrıca, bazı combinakarbonat solventler (DMC / EC) leri de böylece elektrolit ve elektrot ve uzayan pil ömrü arasında bozunma reaksiyonları engelleyerek, istikrarlı bir katı elektrolit arabirimini (SEI) oluştururlar. Ancak, karbonat çözücüler kısa devre olduğunda potansiyel olarak ciddi güvenlik sorunları ile, 55 ° C'nin altında Li-ion pillerin çalışma sıcaklığını sınırlayarak, düşük kaynama noktaları ve flaş noktalarından muzdarip. 10,11
İyonik sıvılar, 100 ° C'nin altında erime sıcaklıklarına sahip tuzlar sınıfıdır. Tipik inorganik tuzlar aksine 12, iyonik sıvılar, geniş bir sıvı aralığı sahiptir ve oda sıcaklığında sıvı olabilir. İyonik sıvılar gibi imidazolyum, fosfonyum, piridinyum ya da amonyum gibi bir ya da birden fazla organik katyonik merkezleri, oluşan ve metansülfonat, heksaflorofosfat, ya da halid gibi bir inorganik ya da organik anyon ile eşleştirilir. Mümkün olan katyon ve anyon kombinasyonları 13,14 çeşitliayarlanabilir özelliklere sahip bileşimlerin çok sayıda olanak vermektedir. Ek olarak, iyonik sıvılar içinde güçlü iyonik etkileşimler ihmal buhar basıncı, yanmazlık, yüksek termal ve elektrokimyasal bir sabitlik ile sonuçlanabilir. 15,16
iyonik sıvılar ile geleneksel elektrolit değiştirilmesi mevcut Li-ion piller doğasında güvenlik sorunlarını giderir, ve yüksek sıcaklık uygulamaları sağlayabilir bir çözümdür. 17-27 yüksek sıcaklık uygulamaları için iyonik sıvı içeren lityum iyon pilleri oluşturmak için kullanılan genel sentetik ve malzeme işleme yöntemlerini göstermek için, sentezini, termal özellikleri ve ile eşleştirilmiş mono ve di-fosfonyum iyonik sıvıların elektrokimyasal karakterizasyonu açıklar ya klorür (CI) veya bis (triflorometan) sulfonimide (TDI) anyonudur. lityum bis (triflorometan) sulfonimide farklı konsantrasyonları (LiTFSI) daha sonra fosfonyum iyonik Sıvı sabun ilave edilirkimlikler elektrolitleri vermek. Klorür analogları ile karşılaştırıldığında ilave LiTFSI fosfonyum TDI elektrolit performansına bağlı olarak, bir madeni para büyüklüğünde Li metali anot ve LiCoO 2 katot ile birlikte ya da mono-ya da di-fosfonyum TDI elektrolitler ile inşa edilmiştir. Son olarak, pil performansını iki farklı madeni para hücre pil için 100 ° C'de değerlendirilir. Bu deneyler elde detaylı prosedürler, yürütme zorluklar ve anlayışlar aşağıda açıklanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
yanmaz ve yüksek sıcaklık fonksiyonel Li-ion pilleri geliştirmek için bizim yaklaşımımız prototip sikke hücrelerinde yeni iyonik sıvı elektrolit sentezini ve bunların daha sonraki değerlendirmesini kapsar. Spesifik olarak, mono- HexC10TFSI ve di-HexC10TFSI göre elektrolitler Li metali anot ve LiCoO 2 katot sahip olan bir madeni para hücrede test edilmiştir. Bu yaklaşım içinde kritik adımlar şunlardır: 1) tasarım özellikleri bir dizi göre kurşun elektrolit belirlenmesi; 2) kuruluk ko…
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).
