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-Spezifikationen; 2) halten Trockenheit und sicherzustellen, Wasser nicht in die Zelle eindringen; und 3) die Entwicklung einer Zelle Montage Prozedur, die eine Arbeits Batterie bietet. Aufgrund der großen Anzahl von ionischen Flüssigkeiten die verschiedenen Kombinationen von Kationen und Anionen zur Verfügung und da wird ein iterativen Prozess durchgeführt, die Auswahl einer ionischen Flüssigkeit, die Bewertung der Leistung beinhaltet, und dann Optimierung oder Veränderung der ionischen Flüssigkeit Zusammensetzung. Ein idealer Elektrolytmaterial sollte mögless die folgenden Eigenschaften: 1) breites elektrochemisches Fenster, in dem der Elektrolyt stabil ist; 2) eine hohe ionische Leitfähigkeit und niedrige elektronische Leitfähigkeit Ionentransport zwischen den Elektroden zu erleichtern und die Selbstentladung hemmen; 3) chemische und thermische Stabilität , so daß der Elektrolyt ist kompatibel mit anderen Zellkomponenten , wie beispielsweise Separatoren, Elektroden und ihre Substrate, etc., und die Zelle zur Erhöhung der Sicherheit; 4) Nicht-Brennbarkeit und niedrigem Dampfdruckzelle Druckaufbau und Feuer während der Zellausfall zu vermeiden; und 5) eine geringe Toxizität und niedrigen Kosten. Hohe thermische Stabilität des Elektrolyten ist kritisch für einen sicheren Betrieb und eine hohe Zykluszahl für Batterien bei Temperaturen von mehr als 25 ° C arbeitet. Traditionelle Elektrolytmaterialien sind Carbonat basierende Lösungsmittel, die sind entzündlich und flüchtig und kann somit nicht in Hochtemperaturbatterien verwendet werden. 28 Polymerelektrolyte werden auch , wie sie die Vorteile von nicht-vola besitzen untersuchttz und Flammwidrigkeit. Allerdings Polymerelektrolyte sind in der Regel feste Strukturen und haben niedrigere Leitfähigkeiten (&lt;10 4 S / cm) im Vergleich zu ionischen Flüssigkeiten und Carbonat basierenden Lösungsmitteln. 29,30 Entsprechend den Anforderungen für den idealen Elektrolytmaterial oben beschrieben, kann die Auswahl des Elektrolyten schwierig sein. Oft widersprechen diese Anforderungen einander und Kompromisse müssen die Batterieleistung zu maximieren genommen werden. Eine repräsentative Herausforderung, die wir ging es um die Auswahl der Lithiumsalzkonzentration festgestellt. Wählten wir anfangs 0,3 M als die Konzentration in der Batterie verwendet werden, da es die höchste Leitfähigkeit ergab. Jede Erhöhung der Salzkonzentration über 0,3 M erhöht, um die Viskosität und verringert die Leitfähigkeit aufgrund einer Zunahme der Masse. Wir beobachteten jedoch, dass diese niedriger Salzkonzentration begrenzt Ladungs-Entladungs-Radfahren, während die Verwendung von höheren Konzentrationen, wie 1,0 M und 1,6 M (which besaß geringere Leitfähigkeit Werte), gab länger stabil Radfahren in der Knopfzelle. Versuche, die Li Salzkonzentration zu erhöhen, über 1,6 M nicht erfolgreich waren, wie wir bei der Löslichkeitsgrenze waren. Zusätzlich unter Verwendung dieses Verfahrens, die Kathode, Anode und Separator, zusammen mit dem Elektrolyten kann ausgetauscht werden und variiert mit anderen Batteriekonfigurationen zu bewerten. Feuchtigkeit ist bekannt , die Batterieleistung und verkürzen die Lebensdauer sowie einen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Materials (zB Viskosität) zu verschlechtern. Somit sind alle Materialien, die die Batterie mit sollte unter wasserfreien Bedingungen und unter dem Schutz von Argongas hergestellt und charakterisiert werden. Zum Beispiel ist eine strenge Trocknungsverfahren verwendet, um Spurenmengen an Feuchtigkeit aus den ionischen Flüssigkeiten und die Li-Salze zu entfernen. Aus diesen Gründen sind die ionischen Flüssigkeiten bei 100 ° C für 24 Stunden unter kräftigem Rühren unter Hochvakuum über Nacht vor der Verwendung immer getrocknet. Die rheologische Studien sind in einem verschlossenen Handschuhbeutel mit Stickstoff gefüllt durchgeführt, um sicherzustellen, dass die ionischen Flüssigkeiten nicht der Luft ausgesetzt, da die ionischen Flüssigkeiten hygroskopisch sind und leicht Wasser aufnehmen. Daher sind alle beteiligten Materialien sollten im Handschuhfach oder geschützt mit Inertgas (Argon) unter wasserfreien Bedingungen behandelt oder hergestellt werden. Besondere Vorsichtsmaßnahmen sollten getroffen werden, wenn die Glasbehälter Handhabung und zum Übertragen der ionischen Flüssigkeit in den und aus dem Handschuhfach. Schließlich wird bei 70 ° C alle Hardwarebatteriekomponenten werden in einem Vakuumofen über Nacht getrocknet, Feuchtigkeit in der Glove-Box vor dem Einbau zu entfernen. Mehrere technische Schwierigkeiten auftraten, wenn die ionische Flüssigkeit basierten Batterien als Folge der viskosen Natur der ionischen Flüssigkeiten im Vergleich zu den leichtfließenden Karbonat Lösungsmitteln Montage. Wenn die Separatoren in der ionischen Flüssigkeit vor der Zellbaugruppe Einweichen, ist es schwierig, alle Separator Poren zu benetzen. So erwärmt wir die separators in der ionischen Flüssigkeit für 15 Minuten auf 60 ° C unter Rühren eine vollständige Benetzung des Separators sicherzustellen. Ebenso müssen die Spalten / Poren in den Elektroden auch mit ausreichenden ionischen flüssigen Elektrolyten gefüllt werden guten Kontakt mit anderen Komponenten der Batterie zu gewährleisten. Um konsistente Ergebnisse zu erhalten, werden mehrere Tropfen ionische Flüssigkeit abgegeben, die Oberfläche vollständig zu bedecken und die Elektrode auf 60 ° C erhitzt wird, 15 Minuten , bevor die LiCoO 2 Elektrode in die Batterie zu integrieren. Diese Schritte sind wichtig, da unzureichende Mengen an Elektrolyt einen Kurzschluss während der Knopfzellenbetrieb leisten. Vor der Prüfung ist es wichtig, die zusammengesetzte Batterie Rest bei Raumtemperatur zu haben, 12 Stunden lang, um sicherzustellen, dass der Elektrolyt in der gesamten Batterie verteilt ist. Bei sachgemäßer Handhabung aller Materialien bis zur Trockenheit zu gewährleisten, gründlich über alle Komponenten der Knopfzellenbatterie (zB Elektrode und separatoren) mit dem Elektrolyten und damit die Knopfzellenbatterie eine Knopfzellenbatterie kann äquilibrieren, geeignet ist, dass bei hohen Temperaturen zum Testen ionischen flüssigen Elektrolyten hergestellt werden. Wenn ein Fehler auftritt oder ungewöhnliche Ergebnisse erhalten, überprüfen Sie die obigen Schritte und Vorschläge, und die Experimente wiederholen. Einschränkungen können auch aufgrund der inhärenten Eigenschaften der verwendeten Materialien entstehen die Knopfzellenbatterie zu konstruieren. wenn Tests über 100 ° C beispielsweise durchgeführt werden, müssen die Separatoren und Elektroden verändert werden. Abschließend werden Protokolle beschrieben Phosphonium-basierte ionische Flüssigkeit und Lithium-bis (Trifluormethan) Sulfonimid Salz Elektrolyte und montieren ein nicht brennbares und hoher Temperatur Funktion Lithium-Ionen-Batteriezelle herzustellen. Die Viskosität, thermische Stabilität, Leitfähigkeit und elektrochemische Stabilität von Mono- und Di-phosphonium phosphonium ionischen Flüssigkeiten gemessen werden. Herstellung einer Knopfzellenbatterie, die entwederdie Mono-phosphonium + LiTFSI oder di-phosphonium + LiTFSI Elektrolyten und anschließender Batterietests bei 100 ° C offenbart den Einfluß der Lithiumsalzkonzentration auf erfolgreiche Radfahren. Diese validierten experimentellen Verfahren wird die Untersuchung von Hochtemperaturbatterien zu erleichtern, insbesondere diejenigen, die eingesetzt werden viskos und wasserfreien Elektrolyten.

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 border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="653">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Silicone oil</td>
			<td style="width:108px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">85409</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Potassium hydroxide</td>
			<td style="width:108px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:119px;">221473</td>
			<td>Corrosive</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Rotary evaporator</td>
			<td style="width:108px;">Buchi</td>
			<td style="width:119px;">R-124</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">High-vacuum pump</td>
			<td style="width:108px;">Welch</td>
			<td align="right" style="width:119px;">8907</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Nitrogen, ultra high purity</td>
			<td style="width:108px;">Airgas</td>
			<td style="width:119px;">NI UHP300</td>
			<td>Compressed gas</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Tetrahydrofuran, stabilized with BHT</td>
			<td style="width:108px;">Pharmaco-Aaper</td>
			<td align="right" style="width:119px;">346000</td>
			<td>Flammable. Dried through column of XXX</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Dichloromethane</td>
			<td style="width:108px;">Pharmaco-Aaper</td>
			<td align="right" style="width:119px;">313000</td>
			<td>Flammable, toxic.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Separatory funnel (1 L)</td>
			<td style="width:108px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">13-678-606</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Sodium sulfate</td>
			<td style="width:108px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:119px;">239313</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Ethanol, absolute</td>
			<td style="width:108px;">Pharmaco-Aaper</td>
			<td style="width:119px;">111USP200</td>
			<td>Flammable, toxic.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Buchner funnel</td>
			<td style="width:108px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">FB-966-F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Methanol</td>
			<td style="width:108px;">Pharmaco-Aaper</td>
			<td style="width:119px;">339000ACS</td>
			<td>Flammable, toxic.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Triethylamine (anhydrous)</td>
			<td style="width:108px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:119px;">471283</td>
			<td>Toxic, flammable, harmful to environment</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Glass syringe</td>
			<td style="width:108px;">Hamilton Company</td>
			<td style="width:119px;">1700-series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:259px;">Deuterated chloroform</td>
			<td style="width:108px;">Cambridge Isotopes Laboratories, Inc.</td>
			<td style="width:119px;">DLM-29-10</td>
			<td>Toxic</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Nuclear magnetic resonance instrument</td>
			<td style="width:108px;">Varian</td>
			<td style="width:119px;">V400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Hydrogen</td>
			<td style="width:108px;">Airgas</td>
			<td style="width:119px;">HY HP300</td>
			<td>Highly flammable.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Hexanes</td>
			<td style="width:108px;">Pharmaco-Aaper</td>
			<td style="width:119px;">359000ACS</td>
			<td>Toxic, flammable.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Differential scanning calorimeter</td>
			<td style="width:108px;">TA Instruments</td>
			<td style="width:119px;">Q100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">N,N-dimethylformamide</td>
			<td style="width:108px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:119px;">227056</td>
			<td>Toxic, flammable.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Trihexylphosphone</td>
			<td style="width:108px;">TCI America</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Toxic, flammable.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">1-Chlorodecane</td>
			<td style="width:108px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Toxic, flammable.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt</td>
			<td style="width:108px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Hydrophilic</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">1, 10-dichlorodecane</td>
			<td style="width:108px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Toxic, flammable.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Thermal Gravemetric Analysis (TGA)</td>
			<td style="width:108px;">TA Q50</td>
			<td style="width:119px;">TA instruments</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Differential scanning calorimeter (DSC)</td>
			<td style="width:108px;">TA Q100</td>
			<td style="width:119px;">TA instruments</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Controlled Strain Rheometer</td>
			<td style="width:108px;">AR 1000&#160;</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Conductivity Meter&#160;</td>
			<td style="width:108px;">Consort</td>
			<td style="width:119px;">K912</td>
			<td>4-electrode cell</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;">Potentiostate/Galvanostat</td>
			<td style="width:108px;">Princeton Applied Research&#160;</td>
			<td style="width:119px;">VersaStat MC4&#160;</td>
			<td style="width:167px;">Electrochemical testing</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Separators&#160;</td>
			<td style="width:108px;">Celgard&#160;</td>
			<td style="width:119px;">C480&#160;</td>
			<td style="width:167px;">polypropylene/polyethylene</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">CR2032 coin cells</td>
			<td style="width:108px;">MTI Corp.</td>
			<td style="width:119px;">EQ-CR2032-CASE</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;">LiCoO2 electrode&#160;</td>
			<td style="width:108px;">MTI Corp.</td>
			<td style="width:119px;">EQ-CR2032</td>
			<td style="width:167px;">Cathode material</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">lithium metal&#160;</td>
			<td style="width:108px;">Alfa Aesar</td>
			<td align="right" style="width:119px;">10769</td>
			<td style="width:167px;">Anode Material</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Stainless Steel Spacer</td>
			<td style="width:108px;">MTI Corp.</td>
			<td style="width:119px;">EQ-CR20-Spacer304-02</td>
			<td style="width:167px;">15.5 mm Dia x 0.2 mm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Wave Spring</td>
			<td style="width:108px;">MTI Corp.</td>
			<td style="width:119px;">EQ-CR20WS-Spring304</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:259px;">Electric Coin Cell Crimping Machine</td>
			<td style="width:108px;">MTI Corp.</td>
			<td style="width:119px;">MSK-160D</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:259px;">Glove box</td>
			<td style="width:108px;">Mbraun</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">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 zusammen mit Massenspektrometrie und Elementaranalyse bestätigten die Struktur dargestellt ist . Als nächstes wurden die thermische Stabilität der vier ionischen Flüssigkeiten bestimmt (Tabelle 1). Als Vertreter ionische Flüssigkeit, wird das di-HexC10TFSI im Detail beschrieben. Zuerst wurde DSC durchgeführt , um zu bestimmen , ob es zwischen -70 bis 150 ° C (2A) keine Phasenübergänge wurden. Kein Glas temperatu<html> re oder Schmelztemperatur wurde für die di-HexC10TFSI ionische Flüssigkeit beobachtet, die große Flüssigkeitsbereich und Phasenstabilität über diesen Temperaturbereich anzeigt. In einer Prüftemperatur Rampe TGA bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 ° C / min, der Di-HexC10TFSI ionische Flüssigkeit nicht zeigen einen Gewichtsverlust bis 300 ° C. Die thermische Zersetzungstemperatur betrug 365 ° C (2B) werden bestimmt. Die elektrochemische Stabilität des Mono HexC10TFSI und Di-HexC10TFSI ionischen Flüssigkeiten wurde bei 100 ° C von CV bestimmt eine Drei-Elektroden - Li / Li / Platin - Einrichtung (3A) verwendet wird . CV - Messungen wurden bei 100 ° C zwischen -0,5 und 6,5 V (gegenüber Li + / Li) mit einer Abtastrate von 1 mV / sec durchgeführt. Die Mono-und Di-HexC10TFSI HexC10TFSI ionischen Flüssigkeiten waren stabil bis zu mindestens 5,0 V gegenüber Li + / Li bei 100 ° C. Über 5,0 V trat die Zersetzung des TFSI Anion ist. t. &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; Die Viskositäten der ionischen Flüssigkeiten bei 25 ° C wurden dann bestimmt (Tabelle 1) Da die Viskositäten der mono HexC10TFSI und Di-HexC10TFSI ionischen Flüssigkeiten waren signifikant niedriger (7 Pa · s bei Raumtemperatur) im Vergleich zu den Cl-ILs, wobei der Rest der Studien mit diesen zwei ionischen Flüssigkeiten durchgeführt wurden. LiTFSI anschließend vermischt wurde mit Mono HexC10TFSI und di-HexC10TFSI jeweils in einem Gewichts Prozentsatz von 5% (0,3 M), und die Viskosität und die Leitfähigkeit des Elektrolyten gemessen. Bei allen Temperaturen zwischen 25 und 100 ° C hatte die di-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyt eine höhere Viskosität als mono HexC10TFSI + LiTFSI. eine Erhöhung der Temperatur ergab niedrigere Viskositäten (4A). in ähnlicher Weise für beide Elektrolyte, mit dem mono HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyt aufweist größer Leitfähigkeitswerte als die di-HexC10TFSI die Leitfähigkeitswerte bei höheren Temperaturen erhöht +LiTFSI Elektrolyt bei allen Temperaturen. Als nächstes wurde die Abhängigkeit der Viskosität und Ionenleitfähigkeiten auf die Menge an LiTFSI zugegeben (0,3 M und 1,6 M) zu der mono-HexC10TFSI + LiTFSI und Di-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyten als Funktion der Temperatur bestimmt. Wie in 4B gezeigt ist , beeinflußt die Konzentration des Salzes LiTFSI sowohl die Leitfähigkeit und Viskosität. Höhere Salzkonzentrationen ergab ein viskoses Gemisch und somit ein weniger leitfähiges Medium. Eine Erhöhung der Temperatur signifikant verringert die Viskosität und erhöht somit die Leitfähigkeit für alle Zusammensetzungen. Die Mono-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyt zeigten niedrigere Viskositäten und höhere Leitfähigkeiten als die entsprechende Di-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyt. Beispielsweise bei Raumtemperatur, das Mono HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyten (0,3 M und 1,6 M) angezeigt relativ niedrige Leitfähigkeiten (~ 0,01 mS / cm), während bei 100 ° Cdie Leitfähigkeiten von zwei Größenordnungen erhöht und betrugen etwa 1 mS / cm. Erhöhte Mengen von LiTFSI gab niedrigere Leitfähigkeiten und höhere Viskositäten. Wenn beispielsweise die Temperatur wurde auf 100 ° C erhöht wird, die Leitfähigkeit der 0,3 M mono HexC10TFSI + LiTFSI (~ 1,7 mS / cm) Elektrolyt war fast doppelt so gemessene Wert für die 1,6 M Zusammensetzung (~ 1,0 mS / cm) . Vor den Knopfzellenexperimenten CV-Experimente wurden durchgeführt, um die elektrochemische Reaktion des mono HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) und Di-HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) bei 25, 60 und 100 ° C in der Gegenwart zu bestimmen, der Li / LiCoO 2 Redoxpaar, bzw. (3B). Die Spannung wurde 1,5-4,6 V mit einer Stromrate von 1 mV / s gefegt. Der Strom erhöht sich dramatisch von 25 bis 100 ° C, was anzeigt, daß, wenn die Temperatur erhöht wird, die Viskosität nahm mit ein resultierendes Innenwiderstand gesenkt. Ter mono-HexC10TFSI + LiTFSI eine höhere Stromantwort als die Di-HexC10TFSI + LiTFSI bei jeder Temperatur zeigte. Die erwarteten LiCoO 2 Redoxreaktion Peaks bei etwa 3,6 V und 4,1 V beobachtet. Die Li + Interkalation und De-Interkalation waren meist vollständig von 2,5 V bis 4,6 V und ohne erkennbare Materialzersetzung wurde in diesem Bereich beobachtet. Angesichts der niedrigeren Viskosität und eine höhere Leitfähigkeit als auch die elektrochemische Stabilität zwischen 2,5 und 4,6 V, sowohl die mono HexC10TFSI + LiTFSI und Di-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyte wurden als Elektrolyte verwendet zur Auswertung in Knopfzellen. Die Batterie - Design, Komponenten und zusammengesetzte Struktur sind in Figur 5A mit den zwei Edelstahlstromkollektoren an den Enden angeordnet gezeigt , um die sandwichartige Batterie zu schaffen. Li Metall dient als Anode am Boden Stromkollektor sitzt, die aus der LiCoO 2 Cath abgetrenntOde durch zwei poröse Polypropylenmembran-Separatoren. Die Separatoren wurden in der ionischen flüssigen Elektrolyten vor dem Bau der Batterie durchtränkt. Die Dichtung und Abstandshalter oder Federn wurden dann eine luftdichte Abdichtung der Batterie zu erstellen und die Batteriekomponenten zusammen zu halten und ausrichten. Alle Batteriekomponenten sowie die LiCoO 2 wurden über Nacht bei 70 ° C in einem Vakuumofen getrocknet , um Feuchtigkeit zu entfernen. Der Elektrolyt wird über Nacht vor der Verwendung bei 100 ° C unter Hochvakuum getrocknet, getestet. Alle der Montageschritte wurden in dem Handschuhkasten unter einer Argonatmosphäre durchgeführt. Nach dem Zusammenbau wurde die Münze Zelle verschlossen und die Batterie aus dem Handschuhfach entfernt. Wir führten nächsten Lade-Entlade-cycling (CD), um die spezifische Kapazität und die Zykluslebensdauer der Batterie zu bewerten. Die Leistung des Mono HexC10TFSI + LiTFSI und di-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyten mit 0,3 M von LiTFSI in Li / LiCoO 2 </sub&gt; Zellen bei 100 ° C wurde zuerst bestimmt, da beide Elektrolyte die höchsten Leitfähigkeiten bei dieser LiTFSI Konzentration ergab. Wie in 5B gezeigt, sind die Batterien innerhalb von 10 Zyklen ausgefallen. Die Knopfzelle der mono-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyt enthielt, zeigte eine höhere Anfangskapazität von etwa 140 mAh / g und dann um etwa 20% mit jedem zusätzlichen Zyklus verringert. Der Zyklus der Knopfzelle mit dem di-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyt begann bei einer niedrigeren Kapazität, aufgrund der höheren Viskosität des Elektrolyten, aber dann verringert wird, wenn auch nicht so stark wie für die Knopfzelle der mono-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyten enthält . Die Batterie versagt plötzlich nach Zyklus sieben. Die mono-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyt zeigten höhere spezifische Kapazität und stabiler cycling als die Zelle mit dem di-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyten. Die schlechte Leistung für beide ionischen Flüssigkeiten wurde der niedrigen Konzentration von LiTFSI zugeschrieben. Somit wird die Konzentration des LiTFSI zur mono-HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyt war Anstieg auf 1,0 M und 1,6 M, und das Experiment wurde wiederholt. Deutlich verbesserte Batterieleistung erhalten wurde (5C). Insbesondere demonstrierte die Verwendung sowohl der 1,0 M und 1,6 M mono HexC10TFSI + LiTFSI Elektrolyten dramatisch bei 100 ° C Kapazität Zerfall in der Knopfzelle reduziert. Etwa 90% der Kapazität blieb nach 20 Zyklen für die Knopfzelle der mono-HexC10TFSI + LiTFSI (1,6 M) enthaltenden Elektrolyten. Die Ergebnisse aus der Knopfzelle mit dem 1,0 M Elektrolytformulierung ähnlich: stabil Radfahren während der ersten 15 Zyklen aufgetreten ist, und dann eine plötzliche Abnahme auf 100 mA / g trat bei Zyklus 20. Eine höhere Konzentration von LiTFSI war notwendigen Kapazitäten an die zu halten hohe Temperatur. Um die Lebensdauer der Batterien zu untersuchen, eine erweiterte galvanostatischen Lade-Entlade-Zyklen Experiment wurde mit der Münze Zelle durchgeführt, die Mono-, enthaltendHexC10TFSI + LiTFSI (1,6 M) Elektrolyt mit einer Stromrate von C / 7, entsprechend einer vollen Ladung / Entladung der Kapazität Kathode in 7 Stunden. Die Batterie betrieben für einen Monat bei 100 ° C und getakteten 70 - mal (5D). Die anfängliche hohe Kapazität von ~ 135 mAh / g sank auf 70 mAh / g nach 70 Zyklen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54864/54864fig1.jpg" /> Abbildung 1. Synthese und strukturelle Charakterisierung eines Phosphonium ionischen Flüssigkeit. (A) Syntheseweg zur monoHexC10TFSI ionische Flüssigkeit; (B) Fotografie eines gereinigten Mono-HexC10TFSI ionische Flüssigkeit; und (C) 1 H NMR - Spektrum für mono HexC10TFSI. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Abbildung 2. Thermische Stabilität Charakterisierungsdaten für die mono-HexC10TFSI und Di-HexC10TFSI ionischen Flüssigkeiten. (A) Wärmestrom als Funktion der Temperatur im Bereich von -70 bis 150 ° C, wie durch DSC gemessen wird ; und (B) Gewichtsverlust als Funktion der Temperatur, wie durch TGA gemessen. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54864/54864fig3.jpg" /> Abbildung 3. Cyclovoltammetrische Experimente. (A) Cyclovoltammetrische von monoHexC10TFSI bei 100 gegen Pt; (B) Cyclovoltammetrische Di-HexC10TFSI bei verschiedenen Temperaturen in LiCoO 2 / Li -Redoxpaar; und (C </strong&gt;) Cyclovoltammetrische von mono HexC10TFSI + LiTFSI bei verschiedenen Temperaturen in LiCoO 2 / Li Redoxpaar. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Chemical Sciences 27. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/54864/54864fig4.jpg" /> Abbildung 4. Leitfähigkeit und Viskositätsmessungen. (A) Di-HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) und mono HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) als Funktion der Temperatur, (B) Mono HexC10TFSI + LiTFSI mit verschiedenen Konzentrationen von LiTFSI als Funktion der Temperatur geladen. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Chemical Sciences 27. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Abbildung 5. Knopfzellenbatterie Experimente. (A) Schematische Darstellung der Knopfzellenbatterie; (B) Entladungskapazität als Funktion der Zykluszahl für eine Batterie , die mono-Hexc10TFSI + LiTFSI enthält (0,3 M) und Di-HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) bei 100 ° C; (C) Entladungskapazität als Funktion der Zykluszahl für eine Batterie , welche die mono-Hexc10TFSI dotiert mit verschiedenen Konzentrationen von LiTFSI bei 100 ° C; (D) Galvanostatische Ladungs-Entladungs - Radfahren für eine Batterie mit dem Mono-Hexc10TFSI + LiTFSI (1,6 M) Zusammensetzung bei 100 ° C, aktuelle Geschwindigkeit , mit C / 7. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Chemical Sciences 27. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <table border = &quot;1&quot; fo: keep-together.within-page = &quot;1&quot; fo: keep-mit-next.within-page = &quot;always&quot;&gt; <tbody><tr><td rowspan="2"> IL </td><td> T g a </td><td> T m a </td><td> T d b </td><td rowspan="2"> Viskosität (Pa · s) bei 25 ° C, 1 Hz </td></tr><tr><td> (° C) </td><td> (° C) </td><td> (° C) </td></tr><tr><td> Mono-HexC10Cl </td><td> - </td><td> - </td><td> 340 </td><td> 9,0 × 10 2 </td></tr><tr><td> Mono-HexC10TFSI </td><td> - </td><td> - </td><td> 355 </td><td> 3,0 × 10 -1 </td></tr><tr><td> di-HexC10Cl </td><td> -30 </td><td> 60 </td><td> 385 </td><td> 2,6 × 10 5 </td></tr><tr><td> di-HexC10TFSI </td><td> - </td><td> - </td><td> 375 </td><td> 5,2 × 10 0 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Eigenschaften von Ionic Flüssigkeiten untersucht. a von -70 bis 150 ° C bestimmt; es zeigt an, dass ein T g oder T m nicht in dem Temperaturbereich getestet wurde beobachtet. b , um die Temperatur bei 10% Gewichtsverlust. Die Proben werden mit Stickstoff während des Test geschützt.

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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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Nanyang Technological University

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

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

Synthese und Mikrodiffraktion bei extremen Drücken und Temperaturen

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Research and Development of High-performance Explosives

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. For newly developed formulations, the process begins with small-scale mixes, thermal testing, and impact and friction sensitivity. Only then do subsequent larger scale formulations proceed to detonation testing, which will be covered in this paper. Recent advances in characterization techniques have led to unparalleled precision in the characterization of early-time evolution of detonations. The new technique of Photonic Doppler Velocimetry (PDV) for the measurement of detonation pressure will be shared and compared with traditional fiber-optic detonation velocity and plate-dent calculation of detonation pressure. In particular, the role of aluminum in explosive formulations will be discussed. Recent developments led to the development of explosive formulations that result in reaction of aluminum very early in the detonation product expansion. This enhanced reaction leads to changes in the detonation velocity and pressure due to reaction of the aluminum with oxygen in the expanding gas products.

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. This paper will share typical development tests associated with the measurement of detonation velocity and detonation pressure.

Forschung und Entwicklung von High-Performance Sprengstoffe

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance ...

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 ...

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The characteristics of the C84-embedded Si surface, such as atomic resolution topography, local electronic density of states, band gap energy, field emission properties, nanomechanical stiffness, and surface magnetism, were examined using a variety of surface analysis techniques under ultra, high vacuum (UHV) conditions as well as in an atmospheric system. Experimental results demonstrate the high uniformity of the C84-embedded Si surface fabricated using a controlled self-assembly nanotechnology mechanism, represents an important development in the application of field emission display (FED), optoelectronic device fabrication, MEMS cutting tools, and in efforts to find a suitable replacement for carbide semiconductors. Molecular dynamics (MD) method with semi-empirical potential can be used to study the nanoindentation of C84-embedded Si substrate. A detailed description for performing MD simulation is presented here. Details for a comprehensive study on mechanical analysis of MD simulation such as indentation force, Young&#39;s modulus, surface stiffness, atomic stress, and atomic strain are included. The atomic stress and von-Mises strain distributions of the indentation model can be calculated to monitor deformation mechanism with time evaluation in atomistic level.

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.

Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si-Substrat mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie und Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was employed here for demonstration purposes. Multiple evaporation tests on the model compound as a humectant with various concentrations in solutions were conducted for comparison purposes. A conventional weight loss approach is known as the most straightforward, but time-consuming, measurement technique for evaporation rate detection. Yet, a clear disadvantage is that a large volume of sample is required and multiple sample tests cannot be conducted at the same time. For the first time in literature, an electrical impedance sensing chip is successfully applied to a real-time evaporation investigation in a time sharing, continuous and automatic manner. Moreover, as little as 0.5 ml of test samples is required in this impedance-based apparatus, and a large impedance variation is demonstrated among various dilute solutions. The proposed high-sensitivity and fast-response impedance sensing system is found to outperform a conventional weight loss approach in terms of evaporation rate detection.

This paper presents an impedance-based apparatus for evaporation rate detection of solutions. It offers clear advantages over a conventional weight loss approach: a fast response, high-sensitivity detection, a small sample requirement, multiple sample measurements, and easy disassembly for cleaning and reuse purposes.

Ein Hochleistungs-Impedanz-basierte Plattform für die Verdampfungsrate Erkennung

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

Detecting the Water-soluble Chloride Distribution of Cement Paste in a High-precision Way

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a high-precision chloride profile. Firstly, paste specimens are molded, cured, and exposed to cyclic wet-dry conditions. Then, powder samples at different specimen depths are grinded when the exposure age is reached. Finally, the water-soluble chloride content is detected using a silver nitrate titration method, and chloride profiles are plotted. The key to improving the accuracy of the chloride distribution along the depth is to exclude the error in the powderization, which is the most critical step for testing the distribution of chloride. Based on the above concept, the grinding method in this protocol can be used to grind powder samples automatically layer by layer from the surface inward, and it should be noted that a very thin grinding thickness (less than 0.5 mm) with a minimum error less than 0.04 mm can be obtained. The chloride profile obtained by this method better reflects the chloride distribution in specimens, which helps researchers to capture the distribution features that are often overlooked. Furthermore, this method can be applied to studies in the field of cement-based materials, which require high chloride distribution accuracy.

A protocol for obtaining a water-soluble chloride profile by using a high precision milling method is presented.

Die wasserlöslichen Chlorid Verteilung der Zementleim erkennen auf präzise Weise

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a ...

Determination of Aggregate Surface Morphology at the Interfacial Transition Zone (ITZ)

Here, we present a comprehensive method to illustrate the uneven distribution of the interfacial transition zone (ITZ) around the aggregate and the effect of aggregate surface morphology on the formation of ITZ. First, a model concrete sample is prepared with a spherical ceramic particle in roughly the central part of the cement matrix, acting as a coarse aggregate used in common concrete/mortar. After curing until the designed age, the sample is scanned by X-ray computed tomography to determine the relative location of the ceramic particle inside the cement matrix. Three locations of the ITZ are chosen: above the aggregate, on the side of the aggregate, and below the aggregate. After a series of treatments, the samples are scanned with a SEM-BSE detector. The resultant images were further processed using a digital image processing method (DIP) to obtain quantitative characteristics of the ITZ. The surface morphology is characterized at the pixel level based on the digital image. Thereafter, K-means clustering method is used to illustrate the effect of surface roughness on ITZ formation.

Determination of Aggregate Surface Morphology at the Interfacial Transition Zone ITZ

Hereby, we proposed a protocol to illustrate the effect of aggregate surface morphology on the ITZ microstructure. The SEM-BSE image were quantitatively analyzed to obtain ITZ's porosity gradient via digital image processing and a K-means clustering algorithm was further employed to establish a relationship between porosity gradient and surface roughness.

Bestimmung der aggregierten Oberflächenmorphologie in der Grenzflächenübergangszone (ITZ)

Here, we present a comprehensive method to illustrate the uneven distribution of the interfacial transition zone (ITZ) around the aggregate and the effect ...

Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber reinforced composites, due to its excellent mechanical properties. Delignified wood, however, is rather fragile in a wet state, which makes handling and shaping challenging. Here we present two fabrication processes, closed-mold densification and vacuum densification, to produce high-performance cellulose composites based on delignified wood, including an assessment of their advantages and limitations. Further, we suggest strategies for how the composites can be re-used or decomposed at the end-of-life cycle. Closed-mold densification has the advantage that no elaborate lab equipment is needed. Simple screw clamps or a press can be used for densification. We recommend this method for small parts with simple geometries and large radii of curvature. Vacuum densification in an open-mold process is suitable for larger objects and complex geometries, including small radii of curvature. Compared to the closed-mold process, the open-mold vacuum approach only needs the manufacture of a single mold cavity.

Delignified densified wood represents a new promising lightweight, high-performance and bio-based material with great potential to partially substitute natural fiber reinforced- or glass fiber reinforced composites in the future. We here present two versatile fabrication routes and demonstrate the possibility to create complex composite parts.

Herstellung und Design von holzbasierten Hochleistungs-Verbundwerkstoffen

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber ...