This article was supported in part by BU and by the Advanced Energy Consortium:

1.Synthesis von Mono- und Di-phosphonium Ionische Flüssigkeiten Gepaart mit Chlorid (Cl) und Bis (Trifluormethan) Sulfonimid (TFSI) -Anionen HINWEIS: Das Verfahren für die mono-phosphonium ionischen Flüssigkeit besitzen drei Hexyl und eine decyl Alkylkette das Phosphoniumkation umgebende beschrieben, und dieses ionische Flüssigkeit als mono-HexC10Cl abgekürzt. Dasselbe Verfahren wird wiederholt unter Verwendung von 1,10-Dichlordecan die di-phosphonium ionische Flüssigkeit in hoher Ausbeute zu erhalten, und dieses ionische Flüssigkeit als Di-HexC10Cl abgekürzt. <ol><li> Während in einem Handschuhkasten unter Argon abwiegen trihexylphosphine (8,3 g, 29 mmol) unter Verwendung einer Glaspipette, und verzichten in eine dickwandige Druckbehälter. Als nächstes fügen Sie 1-Chlordecan (5,22 g, 29,6 mmol) mit einer Glaspipette auf demselben Schiff. Verschließen Sie die Behälter der Mischung mit einer PTFE-Buchse enthält. </li><li> Erhitzen Sie das resultierende Gemisch unter Argon auf 140 ° C für 24 h, während das Mischen des mono HexC10Cl zu erhalten. Die Mischung wirdkommen viskos. </li><li> Legen Sie die Mischung unter Hochvakuum bei 140 ° C unter Rühren alle verbleibenden flüchtigen Ausgangsstoffe zu entfernen, um das rohe Mono HexC10Cl zu erhalten. <ol><li> Zu reinigen, extrahieren die mono-HexC10Cl aus der rohen Mischung mit etwa 10 ml eines 1: 1 Dichlormethan (DCM) auf gesättigte Natriumchloridlösung (Kochsalzlösung) in einem 250 ml Scheidetrichter. Sammeln Sie die DCM-Phase. Wiederholen Sie den Extraktionsprozess dreimal. </li><li> Verbinden die 15 ml gesammelt DCM-Lösungen das Produkt enthält, und verdampfe das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer unter Verwendung des mono-HexC10Cl Produkt zu erhalten. </li></ol></li><li> Man löst den mono HexC10Cl (7,75 g, 16,74 mmol) in 10 ml DCM und fügen LiTFSI (6,25 g, 21,76 mmol), vorgelöst in 10 ml deionisiertem Wasser hergestellt. Verschließen Sie die resultierende Mischung und rühren Sie es bei Raumtemperatur für 24 Stunden. </li><li> Extrahieren der mono-HexC10TFSI aus der Mischung unter Verwendung eines 250 ml-Scheidetrichter gefüllt mit etwa 20 ml DCM. Wiederholen Sie die extraction Prozess dreimal. Kombinieren Sie die DCM-Lösungen. </li><li> Hinzufügen 1-2 Tropfen 1 N AgNO 3 -Lösung zu 1 ml der DCM - Phase die vollständige Beseitigung der Chloridanionen aus der organischen Phase zu bestätigen. Ein weißer Niederschlag wird erzeugt, wenn Chloridionen in Lösung bleiben. Wiederholen Sie den Extraktionsschritt, bis kein weißer Niederschlag entsteht. </li><li> 1 g wasserfreies MgSO 4 zur DCM - Lösung, rühren Sie die Mischung, und dann dekantiert die getrockneten DCM - Lösung. Als nächstes verdampfe das Lösungsmittel durch Rotationsverdampfung. Die Ausbeute beträgt typischerweise mehr als 98%. </li><li> Wiederholen Sie den Vorgang mit 1,10-Dichlordecan die beiden Di-phosphonium ionischen Flüssigkeiten, Di-HexC10Cl und Di-HexC10TFSI, in hoher Ausbeute zu erhalten. </li><li> Charakterisieren Sie die ionischen Flüssigkeiten unter Verwendung von 1 H, 13 C und 19 F - NMR in deuteriertem Chloroform (Shift 7,24) und senden Sie die Proben für die Elementaranalyse und Massenspektrometrie - Analyse. </li></ol> 2. Charaktmerisation auslösen der ionischen Flüssigkeiten <ol><li> Differential - Scanning - Kalorimetrie (DSC) <ol><li> Man wiegt 5 bis 10 mg der ionischen Flüssigkeit (Aufzeichnung der tatsächlichen Masse) und fügen Sie ihn in der Mitte einer Aluminiumprobenpfanne, die anschließend hermetisch abgedichtet ist. Achten Sie darauf, diesen Schritt zu voll effizient wie die ionischen Flüssigkeiten sind hygroskopisch und das Gewicht wird, wenn links zu stehen. </li><li> Laden Sie die Probenschale und einen unbelasteten (Referenz) Pfanne in das Differential-Scanning-Kalorimeter. Achten Sie darauf, die Probe und Referenzpfanne in der entsprechenden Stelle zu platzieren und werden von der spezifischen DSC bestimmt. </li><li> Programm eine Temperaturrampe und Kühlzyklus: 1) Wärme von -70 ° C bis 200 ° C bei einer Erwärmungsrate von 10 ° C / min, 2) Abkühlen auf -70 ° C mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 5 ° C / min, und 3) wiederholen Sie die Hitze kühl Radfahren dreimal. </li><li> Durch die thermische trace Analyse bestimmen , der Schmelzpunkt (T m), Kristallisation (T c)und Glasübergangstemperaturen (T g) (falls zutreffend). </li></ol></li><li> Thermische gravimetrische Analyse (TGA) <ol><li> Sauber und tarieren Sie die Platin-Pfanne auf dem beweglichen Arm der TGA. Zugabe von 5 bis 10 mg der ionischen Flüssigkeit auf die Schale. Fassen Sie die Pfanne mit einer Pinzette. </li><li> Die Probe wird 20 bis 500 ° C bei einer Erwärmungsrate von 10 ° C / min. </li><li> Identifizieren Sie die Zersetzungstemperatur, wo 10% des ursprünglichen Probengewichts verloren. Für die Langzeitstabilitätsstudien, erwärmen die Probe bei einer festgelegten Temperatur für eine längere Zeit und Überwachung der Gewichtsverlust. </li></ol></li><li> Viskositätsmessungen <ol><li> Mit einer Glaspipette, legen Sie 1 ml ionische Flüssigkeit auf dem Peltier-Stufe eines kontrollierten Stamm Rheometer. Stellen Sie sicher, dass die Aluminiumplatte vollständig mit der ionischen Flüssigkeit bedeckt ist. </li><li> Verwenden Sie einen Durchmesser von 20 mm parallel Aluminiumplatte (oder Kegel) und stellen Sie den Abstand zwischen der Aluminiumplatte und der Oberseite ter probieren 1,0 sein - 2,0 mm in allen von den Läufen. </li><li> Um die Wirkung der Feuchtigkeit in der Luft zu minimieren, führen die Messungen in einem Handschuhbeutel mit Stickstoffgas gefüllt. </li><li> Vor jedem Test vorge Scherung der Probe bei einer Scherrate von 100 Hz für 10 sec jede physikalische Speicher der Probe zu eliminieren, folgen mit einem 15 min Gleichgewichtsschritt, um für die Probe einen stationären Zustand zu erreichen. </li><li> Bestimmung der linearen viskoelastischen Bereich (LVR) über einen Schwingungsbelastungsabtastung bei einer festen Frequenz (1 Hz) mit einer Dehnungsamplitude von 0,1 bis 10%. </li><li> Wählen Sie einen Stamm, der in der LVR liegt und führen Sie die Schwingungsfrequenz-Sweep von 0,1 bis 10 Hz. Bestimmung der komplexen Viskosität bei einer bestimmten Frequenz und Dehnung. </li><li> Führen Sie eine oszillierende Sweep Temperatur von der Gerätesoftware gesteuert, die von 10 ° C bis 95 ° C mit Schritten von 5 ° C und 1 min Gleichgewicht bei jeder Temperatur. Definieren Stamm und frequency, beispielsweise 1,0% und 1 Hz zu sein, respectively. Komplexen Viskositäten bei unterschiedlichen Temperaturen ausgelesen. </li></ol></li><li> Leitfähigkeitsmessungen <ol><li> Trocknen Sie die ionische Flüssigkeit bei 100 ° C unter Hochvakuum für 12 h, um Spurenmengen an Feuchtigkeit vor dem Testen zu entfernen. </li><li> In einem Handschuhkasten unter einer Argonatmosphäre, Last etwa 4 ml der Probe in ein Reagenzglas, achten Sie darauf, genügend Probe hinzuzufügen, um das Erfassungsband der Leitfähigkeitssonde vollständig einzutauchen. </li><li> Verwenden einen Heizblock, um die Temperatur zu steuern, und das Rühren während der Messung beibehalten Homogenität aufrechtzuerhalten. </li><li> Lesen Sie die Leitfähigkeit bei jeder Temperatur nach einer 30-minütigen Ausgleichszeit. </li></ol></li><li> Cyclovoltammetrie (CV) <ol><li> Zubauen eine Lithium / Lithium / Platin-Dreielektrodensystem in dem Handschuhkasten unter einer Argonatmosphäre. </li><li> Laden Sie den Behälter mit der ionischen Flüssigkeit und stellen Sie sicher, dass alle Elektroden imme sindin der ionischen Flüssigkeit RSED. Dichten Sie das Gefäß unter Argon. </li><li> Äquilibrieren das Schiff an der 20 min gewünschte Temperatur. Schwenken Sie die Potenzialrate bei 1 mV / sec zwischen -0,2 V und 6,5 V gegenüber Li + / Li. </li></ol></li></ol> 3. Vorbereitung der Elektrolyte <ol><li> Trocknen Sie die ionische Flüssigkeit unter Hochvakuum bei 80 ° C über Nacht unter kräftigem Rühren Entfernung von Spurenmengen von Wasser zu gewährleisten. </li><li> Trocknen Sie die LiTFSI bei 70 ° C für drei Tage in einem Vakuumofen. </li><li> Übertragen Sie die wasserfreie ionische Flüssigkeit und LiTFSI Salz in das Handschuhfach. </li><li> Fügen Sie die ionische Flüssigkeit (zB Mono HexC10TFSI, 4,50 g, 6,4 mmol) und LiTFSI (1,83 g, 6,4 mmol) in einen ofengetrockneten Kolben , der einen Rührstab enthielt. Rühren Sie die Mischung über Nacht, bis sie homogen ist, eine Konzentration von 1,6 M für den Elektrolyten zu erhalten. </li></ol> 4. Die Herstellung der Lithium-Ionen-Knopfzelle <ol><li> Im Handschuhkasten unter Argon atmospHier legen Sie eine Feder und eine Edelstahlscheibe in der unteren Kappe der Knopfzelle. Legen Sie einen Durchmesser von 12,7 mm LiCoO 2 Elektrode (24 mg) in der Edelstahlscheibe. </li><li> Einweichen zwei Stücke der Separatoren (poröse Polypropylenmembranen) in der oben hergestellten ionischen flüssigen Elektrolyten bei 60 ° C auf einer heißen Platte für 15 min. </li><li> Fügen Sie die ionischen flüssigen Elektrolyts an der Oberfläche des LiCoO 2 -Kathode , bis das Material vollständig mit dem Elektrolyten (≈ 0,5 ml) bedeckt ist. </li><li> Legen Sie die Separatoren, die in dem Elektrolyten in der Mitte der Münze Zelle getränkt. Dann fügen Sie ein paar Tropfen von ionischen flüssigen Elektrolyten (einige Mikroliter) auf den Separatoren. </li><li> Schneiden Sie ein Stück Lithiummetall mit einem Durchmesser von 12,7 mm im Handschuhfach. Legen Sie die Lithium-Metall auf der Oberseite der Separatoren. </li><li> Verschließen Sie die Knopfzelle und verschließen Sie diese mit einem Crimper im Handschuhfach. </li><li> Übertragen Sie die Knopfzelle aus dem Handschuhfach und ruhen die Zelle für 12 Stunden vor Beginn der the Batterie / elektrochemischen Tests. </li></ol> 5. Leistung der Batterie bei 100 ° C <ol><li> Legen Sie die Knopfzelle in einem Ofen bei 100 ° C betrieben wird, die ein kleines Loch in der Rückwand hat, wo die Kabel aus der elektrochemischen Teststation haben fädelt. Schließen Sie die Knopfzelle der elektrochemischen Teststation. </li><li> Lassen Sie die Zelle bei 100 ° C für 30 min auf die Temperatur zu äquilibrieren. </li><li> Wählen Sie galvanostatischen Lade-Entlade-Zyklen auf der elektrochemischen Teststation. Stellen Sie die Zyklusnummer 500. </li><li> Stellen Sie den Ladestrom auf 500 &amp; mgr; A und der Spannung Obergrenze auf 4,2 V. Set eine Ruhezeit von 60 Sekunden bei 0 V nach jeder Ladung. </li><li> Stellen Sie den Entladestrom auf 500 &amp; mgr; A und die Spannung untere Grenze bis 3,0 V. Set eine Ruhezeit von 60 Sekunden bei 0 V nach jeder Entladung. </li><li> Starten Sie den Lade-Entlade-Zyklen bei einem Strom von 500 uA zwischen 3,0 V bis 4,2 V mit der Software. Bewerten Sie die Ladungsausgang against Zeit. </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

Unser Ansatz nicht brennbar und hohe Temperatur funktionelle Li-Ionen-Batterien zu entwickeln, beinhaltet die Synthese von neuen ionischen flüssigen Elektrolyten und deren anschließende Auswertung in prototypischen Knopfzellen. Insbesondere Mono HexC10TFSI und Di-HexC10TFSI Elektrolyte auf Basis wurden in einer Knopfzelle besitzt eine Li - Metallanode und LiCoO 2 Kathode getestet. Die kritischen Schritte innerhalb dieses Ansatzes sind: 1) identifizieren die Führung Elektrolyt nach einer Reihe von Design-Sp...

Li-Ionen-Batterien sind Geräte, die Energie zwischen elektrischer Energie und chemischer Energie und bieten ein bequemes Mittel umwandeln zu speichern und Energie bei Bedarf zu liefern und on-the-go. Heute, Li-Ionen-Batterien dominieren die tragbaren Elektronikmarkt wegen ihrer hohen Energiedichte und Wieder Aufladbarkeit und sind von Interesse für eine groß angelegte und Spezialanwendungen, wie unten Lochbohren und Automotive. 1-5 Batterien bestehen aus vier Hauptkomponenten: Kathode, Anode, Separator und Elektrolyt. Während die Chemie der beiden Elektroden, die die theoretische Energiedichte der Batterie bestimmt, werden die Sicherheit und die Arbeitstemperatur im Wesentlichen durch die Elektrolytmaterial begrenzt. 6-9 Carbonate basierten organischen Lösungsmittel Elektrolyte (zB Dimethylcarbonat (DMC) und Ethylencarbonat (EC)) werden in Li-Ionen - Batterien aufgrund ihrer niedrigen Viskosität, eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Löslichkeit Lithiumsalz verwendet. Darüber hinaus sind bestimmte combinagen der Carbonat-Lösungsmittel (DMC / EC) auch eine stabile Festelektrolytgrenzfläche (SEI) bilden, wodurch Zersetzungsreaktionen zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode, und sich die Lebensdauer der Batterie zu verhindern. Jedoch leiden Karbonat Lösungsmittel aus niedrigen Siedepunkte und Flammpunkte, die Betriebstemperatur von Li-Ionen-Batterien Begrenzung auf unter 55 ° C, mit möglicherweise schwerwiegenden Sicherheitsprobleme, wenn es einen Kurzschluss. 10,11 Ionische Flüssigkeiten sind eine Klasse von Salzen, die Schmelztemperaturen unterhalb von 100 ° C haben. 12 Im Gegensatz zu typischen anorganische Salze, besitzen ionische Flüssigkeiten einen weiten Flüssigkeitsbereich und kann bei Raumtemperatur flüssig sein. Ionische Flüssigkeiten bestehen aus einem oder mehreren organischen kationischen Zentren, wie Imidazolium, Phosphonium, Pyridinium- oder Ammonium- und gepaart mit einem anorganischen oder organischen Anion, wie Methansulfonat, Hexafluorophosphat, oder Halogenid. 13,14 Die große Vielfalt an möglichen Kationen und Anionen - Kombinationenermöglicht eine große Anzahl von Zusammensetzungen mit einstellbaren Eigenschaften. Darüber hinaus führen die starken ionischen Wechselwirkungen innerhalb ionischen Flüssigkeiten in vernachlässigbaren Dampfdruck, Flammwidrigkeit und eine hohe thermische und elektrochemische Stabilität. 15,16 Der Ersatz herkömmlicher Elektrolyten mit ionischen Flüssigkeiten ist eine Lösung, die die inhärenten Sicherheitsprobleme in der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien adressiert und könnte Hochtemperaturanwendungen ermöglichen. 17-27 Um die allgemeinen synthetischen und Materialbearbeitungsverfahren veranschaulichen , verwendet , um Lithium - Ionen - Batterien mit ionischen Flüssigkeiten für Hochtemperaturanwendungen konstruieren, beschreiben wir die Synthese, die thermischen Eigenschaften und die elektrochemische Charakterisierung von Mono- und Di-phosphonium ionischen Flüssigkeiten gepaart mit entweder Chlorid (Cl) oder bis (Trifluormethan) Sulfonimid (TFSI) -Anion. Verschiedene Konzentrationen von Lithium-bis (Trifluormethan) Sulfonimid (LiTFSI) werden anschließend hinzugefügt, um die phosphonium ionischen liquids Elektrolyten zu geben. Zusammen mit einem Li - Metallanode und LiCoO 2 -Kathode basierend auf der Leistung der phosphonium TFSI Elektrolyten mit zugesetztem LiTFSI im Vergleich zu den Chlorid - Analoga wird eine Knopfzelle mit entweder die Mono- oder Di-phosphonium TFSI Elektrolyten konstruiert. Schließlich wird die Batterieleistung bei 100 ° C für die beiden unterschiedlichen Knopfzellen ausgewertet. Die detaillierten Verfahren, die Herausforderungen in der Ausführung, und die aus der Durchführung dieser Experimente gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden beschrieben.

<table><tbody><tr><td>Silicone oil</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85409</td><td></td></tr><tr><td>Potassium hydroxide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>221473</td><td>Corrosive</td></tr><tr><td>Rotary evaporator</td><td>Buchi</td><td>R-124</td><td></td></tr><tr><td>High-vacuum pump</td><td>Welch</td><td>8907</td><td></td></tr><tr><td>Nitrogen, ultra high purity</td><td>Airgas</td><td>NI UHP300</td><td>Compressed gas</td></tr><tr><td>Tetrahydrofuran, stabilized with BHT</td><td>Pharmco-Aaper</td><td>346000</td><td>Flammable. Dried before use.</td></tr><tr><td>Dichloromethane</td><td>Pharmco-Aaper</td><td>313000</td><td>Flammable, toxic.</td></tr><tr><td>Separatory funnel (1 L)</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-678-606</td><td></td></tr><tr><td>Sodium sulfate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>239313</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol, absolute</td><td>Pharmco-Aaper</td><td>111USP200</td><td>Flammable, toxic.</td></tr><tr><td>Buchner funnel</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB-966-F</td><td></td></tr><tr><td>Methanol</td><td>Pharmco-Aaper</td><td>339000ACS</td><td>Flammable, toxic.</td></tr><tr><td>Triethylamine (anhydrous)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>471283</td><td>Toxic, flammable, harmful to environment</td></tr><tr><td>Glass syringe</td><td>Hamilton Company</td><td>1700-series</td><td></td></tr><tr><td>Deuterated chloroform</td><td>Cambridge Isotopes Laboratories, Inc.</td><td>DLM-29-10</td><td>Toxic</td></tr><tr><td>Nuclear magnetic resonance instrument</td><td>Varian</td><td>V400</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogen</td><td>Airgas</td><td>HY HP300</td><td>Highly flammable.</td></tr><tr><td>Hexanes</td><td>Pharmco-Aaper</td><td>359000ACS</td><td>Toxic, flammable.</td></tr><tr><td>Differential scanning calorimeter</td><td>TA Instruments</td><td>Q100</td><td></td></tr><tr><td>&lt;em&gt;N,N&lt;/em&gt;-dimethylformamide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td>Toxic, flammable.</td></tr><tr><td>Trihexylphosphone</td><td>TCI America</td><td></td><td>Toxic, flammable.</td></tr><tr><td>1-Chlorodecane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Toxic, flammable.</td></tr><tr><td>Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Hydrophilic</td></tr><tr><td>1,10-dichlorodecane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Toxic, flammable.</td></tr><tr><td>Thermal Gravemetric Analysis (TGA)</td><td>TA Q50</td><td>TA instruments</td><td></td></tr><tr><td>Differential scanning calorimeter (DSC)</td><td>TA Q100</td><td>TA instruments</td><td></td></tr><tr><td>Controlled Strain Rheometer</td><td>AR 1000&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Conductivity Meter&amp;nbsp;</td><td>Consort</td><td>K912</td><td>4-electrode cell</td></tr><tr><td>Potentiostat/Galvanostat</td><td>Princeton Applied Research&amp;nbsp;</td><td>VersaStat MC4&amp;nbsp;</td><td>Electrochemical testing</td></tr><tr><td>Separators</td><td>Celgard&amp;nbsp;</td><td>C480&amp;nbsp;</td><td>polypropylene/polyethylene</td></tr><tr><td>CR2032 coin cells</td><td>MTI Corp.</td><td>EQ-CR2032-CASE</td><td></td></tr><tr><td>LiCoO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; electrode&amp;nbsp;</td><td>MTI Corp.</td><td>EQ-CR2032</td><td>Cathode material</td></tr><tr><td>lithium metal&amp;nbsp;</td><td>Alfa Aesar</td><td>10769</td><td>Anode Material</td></tr><tr><td>Stainless Steel Spacer</td><td>MTI Corp.</td><td>EQ-CR20-Spacer304-02</td><td>15.5 mm Dia x 0.2 mm</td></tr><tr><td>Wave Spring</td><td>MTI Corp.</td><td>EQ-CR20WS-Spring304</td><td></td></tr><tr><td>Electric Coin Cell Crimping Machine</td><td>MTI Corp.</td><td>MSK-160D</td><td></td></tr><tr><td>Glove box</td><td>Mbraun</td><td></td><td>Water free, oxygen free operation</td></tr></tbody></table>

synthesis of ionic liquid based electrolytes, assembly of li-ion batteries, and measurements of performance at high temperature

Die chemische Instabilität des traditionellen Elektrolyt bleibt eine Frage der Sicherheit in weit verbreiteten Energiespeicher wie Li-Ionen-Batterien. Li-Ionen-Batterien zur Verwendung in Vorrichtungen bei erhöhten Temperaturen erfordern thermisch stabil und nicht brennbaren Elektrolyten arbeitet. Ionische Flüssigkeiten (ILs), das sind nicht brennbar, nicht-flüchtigen, thermisch stabile geschmolzene Salze, sind ein idealer Ersatz für brennbare und niedrig siedende organische Lösungsmittel Elektrolyten derzeit verwendeten heute. Wir beschreiben hier die Verfahren: 1) Mono- und Di-phosphonium ionischen Flüssigkeiten gepaart mit Chlorid oder Bis (Trifluormethan) Sulfonimid (TFSI) Anionen zu synthetisieren; 2) Messung der thermischen Eigenschaften und die Stabilität dieser ionischen Flüssigkeiten durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) und thermogravimetrische Analyse (TGA); 3) messen die elektrochemischen Eigenschaften der ionischen Flüssigkeiten durch Cyclovoltammetrie (CV); 4) vorbereiten Elektrolyte, die Lithium-bis (Trifluormethan) Sulfonamid; 5) messen die conductivity der Elektrolyten als Funktion der Temperatur; 6) montieren einer Knopfzelle mit zwei der Elektrolyte zusammen mit einem Li - Metallanode und LiCoO 2 Kathode; und 7) bewerten die Batterieleistung bei 100 ° C. Wir beschreiben zusätzlich die Herausforderungen in der Ausführung sowie die aus der Durchführung dieser Experimente gewonnenen Erkenntnisse.

Die ionischen Flüssigkeiten, Mono-und Di-HexC10Cl HexC10Cl wurden über eine nucleophile Reaktion hergestellt, und eine nachfolgende Halogenid - Austauschreaktion ergab die Mono HexC10TFSI und Di-HexC10TFSI ionischen Flüssigkeiten, bzw. (1A). 14 Alle vier ionischen Flüssigkeiten waren farblos und leicht viskose Flüssigkeiten (1B). Ein repräsentatives 1 H NMR des Mono HexC10TFSI ionische Flüssigkeit in 1C und z...

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Synthesis of Ionic Liquid Based Electrolytes, Assembly of Li-ion Batteries, and Measurements of Performance at High Temperature

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.

Synthese von ionischen Flüssigkeiten Elektrolyte auf Basis, Montage von Li-Ionen-Batterien, und Messungen der Leistung bei hohen Temperaturen

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

12.9K Aufrufe.  Boston University. 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.

Serie: Synthesis of Ionic Liquid Based Electrolytes, Assembly of Li-ion Batteries, and Measurements of Performance at High Temperature

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Bau und Erprobung von Knopfzellen von Lithium Ionen Batterien

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Forschung

Ingenieurwesen

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 &deg;C), flammable, and volatile organic electrolytes. These organic based electrolyte systems are viable at ambient temperatures, but require a cooling system to ensure that temperatures do not exceed 80 &deg;C. These cooling systems tend to increase battery costs and can malfunction which can lead to battery malfunction and explosions, thus endangering human life. Increases in petroleum prices lead to a huge demand for safe, electric hybrid vehicles that are more economically viable to operate as oil prices continue to rise. Existing organic based electrolytes used in lithium ion batteries are not applicable to high temperature automotive applications. A safer alternative to organic electrolytes is solid polymer electrolytes. This work will highlight the synthesis for a graft copolymer electrolyte (GCE) poly(oxyethylene) methacrylate (POEM) to a block with a lower glass transition temperature (Tg) poly(oxyethylene) acrylate (POEA). The conduction mechanism has been discussed and it has been demonstrated the relationship between polymer segmental motion and ionic conductivity indeed has a Vogel-Tammann-Fulcher (VTF) dependence. Batteries containing commercially available LP30 organic (LiPF6 in ethylene carbonate (EC):dimethyl carbonate (DMC) at a 1:1 ratio) and GCE were cycled at ambient temperature. It was found that at ambient temperature, the batteries containing GCE showed a greater overpotential when compared to LP30 electrolyte. However at temperatures greater than 60 &deg;C, the GCE cell exhibited much lower overpotential due to fast polymer electrolyte conductivity and nearly the full theoretical specific capacity of 170 mAh/g was accessed.

Lithium ion batteries employ flammable and volatile organic electrolytes that are suitable for ambient temperature applications. A safer alternative to organic electrolytes are solid polymer batteries. Solid polymer batteries operate safely at high temperatures (&gt;120 &deg;C), thus making them applicable to high temperature applications such as deep oil drilling and hybrid electric vehicles. This paper will discuss (a) the polymer synthesis, (b) the polymer conduction mechanism, and (c) provide temperature cycling for both solid polymer and organic electrolytes.

Solid-State-Graft Copolymer Elektrolyte für Lithium-Batterie-Anwendungen

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung in einem Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent of lithium-ion batteries, researchers have known that the lithium metal anode has the highest theoretical energy density of any anode material. However, rechargeable batteries containing a lithium metal anode are not widely used in consumer products because the growth of lithium dendrites from the anode upon charging of the battery causes premature cell failure by short circuit. Lithium dendrites can also form in commercial lithium-ion batteries with graphite anodes if they are improperly charged. We demonstrate that lithium dendrite growth can be studied using synchrotron-based hard X-ray microtomography. This non-destructive imaging technique allows researchers to study the growth of lithium dendrites, in addition to other morphological changes inside batteries, and subsequently develop methods to extend battery life.

Synchrotron-based hard X-ray microtomography is used to image the electrochemical growth of dendrites from a lithium metal electrode through a solid polymer electrolyte membrane.

Fehleranalyse von Batterien unter Verwendung Synchrotron-basierte Feströntgenmikrotomographie

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

Nicht-wässrige Elektroden-Verarbeitung und Bau von Lithium-Ionen-Knopfzellen

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and subsequent safety issues becomes increasingly important. In a Li-ion cell setup, the voltage measurement across the positive and negative terminals inherently includes the effect of the cathode and anode which are coupled and sum to the total cell performance. Accordingly, the ability to monitor the degradation aspects associated with a specific electrode is extremely difficult because the electrodes are fundamentally coupled. A three-electrode setup can overcome this problem. By introducing a third (reference) electrode, the influence of each electrode can be decoupled, and the electrochemical properties can be measured independently. The reference electrode (RE) must have a stable potential that can then be calibrated against a known reference, for example, lithium metal. The three-electrode cell can be used to run electrochemical tests such as cycling, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three-electrode cell EIS measurements can elucidate the contribution of individual electrode impedance to the full cell. In addition, monitoring the anode potential allows the detection of electrodeposition due to lithium plating, which can cause safety concerns. This is especially important for the fast charging of Li-ion batteries in electric vehicles. In order to monitor and characterize the safety and degradation aspects of an electrochemical cell, a three-electrode setup can prove invaluable. This paper aims to provide a guide to constructing a three-electrode coin cell setup using the 2032-coin cell architecture, which is easy to produce, reliable, and cost-effective.

Three-electrode cells are useful in studying the electrochemistry of lithium-ion batteries. Such an electrochemical setup allows the phenomena associated with the cathode and anode to be decoupled and examined independently. Here, we present a guide for construction and use of a three-electrode coin cell with emphasis on lithium plating analytics.

Drei-Elektroden-Münze Zelle Vorbereitung und Galvanisierung Analytics für Lithium-Ionen-Batterien

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...

Preparation of Graphene Liquid Cells for the Observation of Lithium-ion Battery Material

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between two graphene sheets, and the facile synthesis of one-dimensional nanostructures using electrospinning. The GLC enables in situ transmission electron microscopy (TEM) for the lithiation dynamics of electrode materials. The in situ GLC-TEM using an electron beam for both imaging and lithiation can utilize not only realistic battery electrolytes, but also the high-resolution imaging of various morphological, phase, and interfacial transitions.

Here, we present a protocol for the fabrication and preparation of a graphene liquid cell for in situ transmission electron microscopy observation, along with a synthesis of electrode materials and electrochemical battery cell tests.

Vorbereitung des Graphen Flüssigkeit Zellen für die Beobachtung von Lithium-Ionen-Batterie Material

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between ...

Identification and Quantification of Decomposition Mechanisms in Lithium-Ion Batteries; Input to Heat Flow Simulation for Modeling Thermal Runaway

The risks and possible accidents related to the normal use of lithium-ion batteries remain a serious concern. In order to get a better understanding of thermal runaway (TR), the exothermic decomposition reactions in anode and cathode were studied, using a Simultaneous Thermal Analysis (STA)/Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS)/Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer system. These techniques allowed the identification of the reaction mechanisms in each electrode, owing to the analysis of evolved gaseous species, the amount of heat released and mass loss. These results provided insight into the thermal events happening within a broader temperature range than covered in previously published models. This allowed the formulation of an improved thermal model to depict TR. The heat of reaction, activation energy, and frequency factor (thermal triplets) for each major exothermic process at material level were investigated in a Lithium Nickel-Manganese-Cobalt-Oxide (NMC (111))-Graphite battery cell. The results were analyzed, and their kinetics were derived. These data can be used to successfully simulate the experimental heat flow.

This work aims at determining the reaction kinetics of Li-ion battery cathode and anode materials undergoing thermal runaway (TR). Simultaneous Thermal Analysis (STA)/Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer/Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC-MS) were used to reveal thermal events and to detect evolved gases.

Identifizierung und Quantifizierung von Zersetzungsmechanismen in Lithium-Ionen-Batterien; Eingang zur Wärmeflusssimulation zur Modellierung des thermischen Durchgehens

The risks and possible accidents related to the normal use of lithium-ion batteries remain a serious concern. In order to get a better understanding of ...

Chemie

Synthesizing a Gel Polymer Electrolyte for Supercapacitors, Assembling a Supercapacitor Using a Coin Cell, and Measuring Gel Electrolyte Performance

Supercapacitors (SC) have attracted attention as energy storage devices due to their high density and long cycle performance. SCs used in devices operating in stretchable systems require stretchable electrolytes. Gel polymer electrolytes (GPEs) are an ideal replacement for liquid electrolytes. Polyvinyl alcohol (PVA) and polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) have been widely applied as a polymer-matrix-based electrolytes for supercapacitors because of their low cost, chemically stable, wide operating temperature range, and high ionic conductivities. Herein, we describe the procedures for (1) synthesizing a gel polymer electrolyte with PVA and PVDF-HFP, (2) measuring the electrochemical stability of the gel polymer electrolytes by cyclic voltammetry (CV), (3) measuring the ionic conductivity of the gel polymer electrolytes by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), (4) assembling symmetric coin cells using activated carbon (AC) electrodes with the PVA- and PVDF-HFP-based gel polymer electrolytes, and (5) evaluating the electrochemical performance using galvanostatic charge-discharge analysis (GCD) and CV at 25 &#176;C. Additionally, we describe the challenges and insights gained from these experiments.

We present a protocol to test the electrochemical and physical properties of a supercapacitor gel polymer electrolyte using a coin cell.