Синтез на йонни течни електролити, сглобяване на литиево-йонни батерии и измервания на

Резюме

Въведение

Йонните течности са клас соли, които имат температури на топене под 100 ° C. 12 За разлика от типичните неорганични соли, йонните течности имат широк диапазон на течността и могат да бъдат течни при стайна температура. Йонните течности са съставени от един или повече органични катионни центрове, като имидазолиум, фосфоний, пиридиний или амоний и са сдвоени с неорганичен или органичен анион, като метансулфонат, хексафлуорофосфат или халид. 13,14 Голямото разнообразие от възможни комбинации от катиони и аниони позволява голям брой композиции с регулируеми свойства. Освен това силните йонни взаимодействия в йонните течности са резултат от незначително парно налягане, негоримост и висока термична и електрохимична стабилност. 15.16

Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.

Протокол

1. Синтез на йонни течни моно- и ди-фосфониеви комбинации с хлорид (Cl) и бис (трифлуорометансулфонимид аниони) (TFSI)

ЗАБЕЛЕЖКА: Описана е процедурата за моно-фосфониева йонна течност, притежаваща три хексила и децил алкилова верига, която обгражда фосфониевия катион и тази йонна течност е съкратена като моно-HexC10Cl. Същата процедура се повтаря, като се използва 1,10-дихлородекан, за да се получи йонната течност-ди фосфоний с висок добив и тази йонна течност е съкратена като di-HexC10Cl.

2. Характеризиране на йонни течности

3. Приготвяне на електролити

  1. Изсушете йонната течност под висок вакуум при 80 ° C през нощта при строго разбъркване, за да се осигури отстраняване на следи от вода.
  2. LiTFSI се суши при 70 ° С в продължение на три дни във вакуумна фурна.
  3. Прехвърлете йонната течност и безводната сол на LiTFSI от жабката.
  4. Добавете йонната течност (например, моно-HexC10TFSI, 4.50 g, 6.4 mmol) и LiTFSI (1.83 g, 6.4 mmol) в изсушена във фурна колба, съдържаща бъркалка. Сместа се разбърква една нощ, докато стане хомогенна, за да се получи концентрация от 1,6 М за електролита.

4. Производството на литиева батерия

  1. Тук в жабката под атмосфера на аргон поставете пружина и диск от неръждаема стомана на долния капак на клетката за монети. Поставете 2 LiCoO електрода с диаметър 12,7 mm (24 mg) върху диска от неръждаема стомана.
  2. Накиснете две парчета от сепараторите (порести полипропиленови мембрани) в йонния течен електролит, предварително приготвен при 60 ° C, на котлон за 15 минути.
  3. Добавете йонния течен електролит към повърхността на катода LiCoO 2, докато материалът бъде напълно покрит с електролит (≈ 0,5 ml).
  4. Поставете напоените с електролит дистанционни елементи в центъра на клетката на монетата. След това добавете още няколко капки йонен течен електролит (няколко микролитра) към сепараторите.
  5. Изрежете парче литиев метал с диаметър 12,7 мм в отделението за ръкавици. Поставете литиевия метал върху горната част.
  6. Затворете типа бутон и го запечатайте с маша в жабката.
  7. Прехвърлете клетката за монети от жабката и останалата част от клетката за 12 часа, преди да започнете батерията/електрохимичните тестове.

5. Работа на батерията при 100 ° C

  1. Поставете клетката за монети в пещ, работеща при 100 ° C, която има малък отвор в задната стена, където са резбовани проводниците на електрохимичната станция за изпитване. Свържете типа бутон към електрохимична станция за изпитване.
  2. Оставете клетката при 100 ° C за 30 минути, уравновесете при температурата.
  3. Изберете галваностатично зарядно-разрядно циклиране в електрохимичната станция за изпитване. Задайте броя на циклите на 500.
  4. Задайте зарядния ток на 500 mu и долната граница на напрежението на 4,2 V. Задайте 60 секунди време на почивка при 0 V след всяко зареждане.
  5. Задайте разрядния ток на 500 mu, а долната граница на напрежението - 3,0 V. Задайте време за почивка от 60 секунди при 0 V след всяко разреждане.
  6. Стартирайте цикъла на зареждане и разреждане при ток от 500 mu между 3.0 V и 4.2 V, използвайки софтуера. Оценете изхода на натоварване спрямо времето.

Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.

Представителни резултати

Йонните течности, моно- и ди-HexC10Cl HexC10Cl, се приготвят чрез нуклеофилна реакция и последваща реакция на халогениден обмен дава съответно моно-HexC10TFSI и ди-HexC10TFSI йонни течности. (Фигура 1А). 14 И четирите йонни течности бяха безцветни и леко вискозни течности (Фигура 1Б). Представителен 1H NMR на йонната течност mono-HexC10TFSI е показан в Фигура 1С, и заедно с масовата спектрометрия и данните за елементарен анализ потвърдиха структурата.

След това беше определена термичната стабилност на четирите йонни течности (Маса 1). Като представителна йонна течност, di-HexC10TFSI ще бъде описан подробно. Първо се извърши DSC, за да се определи дали има фазови преходи между -70 до 150 ° C (Фигура 2А). Няма температура на преминаване на стъкло При йонен течен di-HexC10TFSI се наблюдава огън или температура на топене, което показва широкия диапазон и стабилността на течната фаза в този температурен диапазон. При изпитване за температурно скачване, използващо TGA при скорост на нагряване 10 ° C/min, йонната течност di-HexC10TFSI не показва загуба на тегло до 300 ° C. Температурата на термично разлагане е определена на 365 ° C (Фигура 2Б).

Електрохимичната стабилност на моно-HexC10TFSI и di-HexC10TFSI йонни течности беше определена при 100 ° C чрез CV с използване на триелектродна Li/Li/платинова конфигурация. (Фигура 3А). CV измерванията са направени при 100 ° C между -0,5 и 6,5 V (спрямо Li +/Li) при скорост на сканиране от 1 mV/s. Йонните течности Mono-HexC10TFSI и di-HexC10TFSI са стабилни до най-малко 5,0 V срещу Li +/Li при 100 ° C. Над 5,0 V се получава разлагане на TFSI аниона.

т. "fo: keep-together.within-page =" 1 "> След това вискозитетите на йонните течности бяха определени при 25 ° C (Маса 1) Тъй като вискозитетите на моно- и ди-HexC10TFSI HexC10TFSI йонни течности са значително по-ниски (7 Pa sec при стайна температура) в сравнение с йонните течности на базата на Cl, останалите изследвания са проведени с тези две течности. Впоследствие LiTFSI се смесва с моно-HexC10TFSI и di-HexC10TFSI, съответно, с тегловно съдържание от 5% (0,3 М) и се измерва вискозитетът и проводимостта на електролитите. При всички температури между 25 и 100 ° C електролитът di-HexC10TFSI + LiTFSI има по-висок вискозитет от моно-HexC10TFSI + LiTFSI. повишена температура, предлагаща по-ниски вискозитети (Фигура 4А). По същия начин стойностите на проводимостта се увеличават при по-високи температури и за двата електролита, като моно-HexC10TFSI + LiTFSI електролитът показва по-високи стойности на проводимост от електролита di-HexC10TFSI + LiTFSI при всякакви температури.