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1.Synthesis de mono e di-fosfï¿½io líquidos iônicos emparelhado com Cloreto (Cl) e bis (trifluorometano) sulfonimida ânions (TFSI) NOTA: O procedimento para o líquido iónico mono-fosfónio possuindo três hexilo e uma cadeia alquilo decilo torno do catião fosfónio é descrita, e este líquido iónico é abreviado como mono-HexC10Cl. O mesmo procedimento é repetido utilizando 1,10-dichlorodecane obter o líquido iónico di-fosfónio com um rendimento elevado, e este líquido iónico é abreviado como di-HexC10Cl. <ol><li> Enquanto numa caixa de luvas sob atmosfera de árgon, pesar trihexylphosphine (8,3 g, 29 mmol) utilizando uma pipeta de vidro, e dispensam em um recipiente de pressão de parede pesado. Em seguida, adicionar 1-chlorodecane (5,22 g, 29,6 mmol) utilizando uma pipeta de vidro para o mesmo recipiente. Tapar o recipiente que contém a mistura com um casquilho de PTFE. </li><li> Aquece-se a mistura resultante sob atmosfera de árgon a 140 ° C durante 24 h, enquanto se mistura para se obter o mono-HexC10Cl. A mistura serávêm viscoso. </li><li> Colocar a mistura sob alto vácuo a 140 ° C com agitação para remover todos os materiais de partida restantes voláteis para se obter o produto em bruto mono-HexC10Cl. <ol><li> Para purificar, extrai-se a mono-HexC10Cl a partir da mistura em bruto utilizando aproximadamente 10 ml de uma mistura 1: 1 de diclorometano (DCM) a uma solução saturada de cloreto de sódio (salmoura) numa ampola de decantação de 250 ml. Recolher a fase DCM. Repetir o processo de extracção três vezes. </li><li> Combinam-se as soluções de 15 ml de DCM recolhidos contendo o produto, e evapora-se o solvente usando um evaporador rotativo para se obter o produto mono-HexC10Cl. </li></ol></li><li> Dissolve-se o mono-HexC10Cl (7,75 g, 16,74 mmol) em 10 ml de DCM e adicionar LiTFSI (6,25 g, 21,76 mmol), pré-dissolvido em 10 ml de água desionizada. Tapar a mistura resultante e agita-la à temperatura ambiente durante 24 horas. </li><li> Extrai-se a mono-HexC10TFSI a partir da mistura usando um funil de separação de 250 ml cheio com aproximadamente 20 ml de DCM. Repita o extprocesso raction três vezes. Juntar as soluções DCM. </li><li> Adicionar 1-2 gotas de 1 N de solução de AgNO3 1 ml da fase de DCM, para se confirmar a completa eliminação de aniões cloreto a partir da fase orgânica. Um precipitado branco será produzido se aniões cloreto permanecem em solução. Repita a etapa de extração até que nenhum precipitado branco é produzido. </li><li> Adicionar 1 g de MgSO4 anidro à solução de DCM, agita-se a mistura e, em seguida decantar a solução de DCM seco. Em seguida, evapora-se o solvente por evaporação rotativa. O rendimento é tipicamente superior a 98%. </li><li> Repetir o mesmo procedimento utilizando 1,10-dichlorodecane para obter os dois líquidos iónicos di-fosfónio, di-HexC10Cl e di-HexC10TFSI, com um rendimento elevado. </li><li> Caracterizar os líquidos iônicos utilizando 1 H, 13 C e 19 F NMR em deutério-clorofórmio (shift 7,24) e enviar as amostras para análise elementar e análise de espectrometria de massa. </li></ol> 2. Characterization dos líquidos iônicos <ol><li> Calorimetria de varrimento diferencial (DSC) <ol><li> Pesar 5 a 10 mg do líquido iônico (registro a massa real) e adicioná-lo ao centro de um prato de amostra de alumínio, que é posteriormente hermeticamente fechado. Certifique-se de concluir esta etapa eficaz como o dos líquidos iônicos são hydroscopic eo peso vai mudar se deixado em repouso. </li><li> Coloque o prato de amostra e um pan (referência) descarregado na calorimetria exploratória diferencial. Certifique-se de colocar a amostra de referência e pan no local apropriado, tal como determinado por DSC específico utilizado. </li><li> Programa de uma rampa de temperatura e ciclo de arrefecimento: 1) de calor a partir de -70 ° C a 200 ° C a uma taxa de aquecimento de 10 ° C / min, 2) arrefecer a -70 ° C a uma velocidade de arrefecimento de 5 ° C / min, e 3) repetir o ciclo de calor-cool três vezes. </li><li> Por análise do traçado térmico, determinar o ponto de fusão (Tm), a cristalização (T c)e temperaturas de transição vítrea (Tg) (se aplicável). </li></ol></li><li> Análise gravimétrica térmica (TGA) <ol><li> Limpo e rasgou a panela de platina no braço móvel da TGA. Adicionam-se 5 a 10 mg do líquido iónico na panela. Apenas toque na panela usando uma pinça. </li><li> Aquece-se a amostra de 20-500 ° C a uma taxa de aquecimento de 10 ° C / min. </li><li> Identificar a temperatura de decomposição em que 10% do peso da amostra original é perdido. Para os estudos de estabilidade a longo prazo, a amostra é aquecida a uma temperatura estabelecida durante um tempo prolongado e monitorizar a perda de peso. </li></ol></li><li> As medições de viscosidade <ol><li> Com uma pipeta de vidro, coloque 1 ml de líquido iônico no palco Peltier de um reômetro de tensão controlada. Verifique se a placa de alumínio é totalmente coberto com o líquido iônico. </li><li> Usar um diâmetro paralelo placa de alumínio 20 mm (ou cone) e ajustar a distância entre a placa de alumínio e a superfície de topo de Tele amostra a 1,0 - 2,0 mm de todas as corridas. </li><li> Para minimizar o efeito da humidade no ar, executar as medições em um saco de luva cheio com azoto gasoso. </li><li> Antes de cada ensaio, pré-cisalhamento da amostra a uma velocidade de corte de 100 Hz durante 10 segundos para eliminar qualquer memória física da amostra, siga com um passo de equilíbrio de 15 min a fim de que a amostra para atingir uma condição de estado estacionário. </li><li> Determinar a região viscoelástica linear (LVR) através de um varrimento de tensão oscilatória a uma frequência fixa (1 Hz) com uma amplitude de tensão de 0,1 a 10%. </li><li> Seleccionar uma estirpe que se encontra no LVR e realizar o varrimento de frequência de oscilação de 0,1 a 10 Hz. Determinar a viscosidade complexa com uma frequência e tensão particular. </li><li> Executar uma varredura temperatura oscilante controlado pelo software do aparelho de 10 ° C a 95 ° C com incrementos de 5 ° C e um equilíbrio de 1 min a cada temperatura. Definir tensão e frequenciay, por exemplo, ser de 1,0% e 1 Hz, respectivamente. viscosidades complexas a diferentes temperaturas são lidos. </li></ol></li><li> As medições de condutividade <ol><li> Seca-se o líquido iónico a 100 ° C sob alto vácuo durante 12 h para remover quantidades vestigiais de humidade antes de serem testadas. </li><li> Numa caixa de luvas sob uma atmosfera de árgon, a carga de aproximadamente 4 ml de amostra num tubo de ensaio, não se esqueça de adicionar amostra suficiente para mergulhar a fita de detecção da sonda de condutividade completamente. </li><li> Usar um bloco de aquecimento para controlar a temperatura e manter-se a agitação durante a medição para manter a homogeneidade. </li><li> Leia a condutividade a cada temperatura, após um tempo de equilíbrio de 30 min. </li></ol></li><li> A voltametria cíclica (CV) <ol><li> Montar uma platina sistema de lítio / lítio / três eletrodos no porta-luvas sob uma atmosfera de árgon. </li><li> Carregue o recipiente com o líquido iónico e certifique-se todos os eletrodos são imersed no líquido iónico. Selar o recipiente sob árgon. </li><li> Equilibrar o vaso à temperatura desejada durante 20 minutos. Varrer a taxa potencial em 1 mV / seg entre -0,2 V e 6,5 V versus Li + / Li. </li></ol></li></ol> 3. Preparação dos electrólitos <ol><li> Seca-se o líquido iónico sob alto vácuo a 80 ° C durante a noite com agitação rigorosa para assegurar a remoção de vestígios de água. </li><li> Seca-se a LiTFSI a 70 ° C durante três dias numa estufa de vácuo. </li><li> Transferir o líquido iónico anidro e sal LiTFSI à caixa de luva. </li><li> Adicionar o líquido iónico (por exemplo, mono-HexC10TFSI, 4,50 g, 6,4 mmol) e LiTFSI (1,83 g, 6,4 mmol) a um frasco seco no forno contendo uma barra de agitação. Agita-se a mistura durante a noite até que seja homogénea para se obter uma concentração de 1,6 M para o electrólito. </li></ol> 4. Fabricação de a célula de bateria de íon de lítio Coin <ol><li> No porta-luvas sob atmosp argônioaqui, colocar uma mola e um disco de aço inoxidável na tampa inferior da célula moeda. Coloque um diâmetro de 12,7 milímetros LiCoO 2 eléctrodo (24 mg) no disco de aço inoxidável. </li><li> Soak duas peças dos separadores (membranas de polipropileno porosos) no electrólito líquido iónico acima preparada a 60 ° C sobre uma placa quente durante 15 min. </li><li> Adicionar o electrólito líquido iónico à superfície do cátodo LiCoO 2 até que o material esteja completamente coberto com electrólito (Å) 0,5 mL. </li><li> Colocar os separadores embebido no electrólito no centro da célula moeda. Em seguida, adicione mais algumas gotas de eletrólito líquido iônico (alguns microlitros) para os separadores. </li><li> Cortar um pedaço de metal de lítio com um diâmetro de 12,7 mm na caixa de luva. Colocar o metal lítio em cima dos separadores. </li><li> Tampe a célula moeda e selá-lo com um crimper no porta-luvas. </li><li> Transferir a célula tipo moeda fora da caixa de luva e de repouso da célula durante 12 horas antes de se iniciar the bateria / ensaios eletroquímicos. </li></ol> 5. Desempenho da bateria a 100 ° C <ol><li> Coloque a célula moeda num forno operando a 100 ° C, que tem um pequeno orifício na parede traseira onde os cabos da estação de teste electroquimica ter sido enfiado. Ligue a célula tipo moeda à estação de teste eletroquímico. </li><li> Deixar a célula a 100 ° C durante 30 minutos para equilibrar com a temperatura. </li><li> Selecione ciclismo de carga-descarga galvanostático na estação de teste eletroquímico. Defina o número de ciclos a 500. </li><li> Ajustar a corrente de carga para 500 mA e o limite superior de tensão para 4,2 V. Set um tempo de repouso de 60 segundos a 0 V depois de cada carga. </li><li> Definir a corrente de descarga para 500 mA ea voltagem limite inferior a 3,0 V. Set um tempo de repouso de 60 segundos a 0 V depois de cada descarga. </li><li> Inicie o ciclismo de carga-descarga a uma corrente de 500 mA entre 3,0 V e 4,2 V usando o software. Avaliar a ag saída de cargatempo ainst. </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

Nossa abordagem para o desenvolvimento de temperatura não-inflamável e de alta baterias Li-ion funcionais envolve a síntese de novos eletrólitos líquidos iônicos e sua posterior avaliação em células de moedas protótipos. Especificamente, mono-e di-HexC10TFSI HexC10TFSI electrólitos baseados foram testados em uma célula de moedas possuindo um ânodo de metal Li e LiCoO 2 cátodo. Os passos críticos dentro desta abordagem são: 1) identificar o eletrólito chumbo de acordo com um conjunto de especificações de projeto; 2) manter a secura e garantir água não entra na célula; e 3) desenvolver um procedimento de montagem celular que oferece uma bateria de trabalho. Devido ao grande número de líquidos iónicos disponíveis e dadas as diferentes combinações de catiões e aniões, um processo reiterativo é levada a cabo, que envolve a selecção de um líquido iónico, a avaliação do desempenho, e, em seguida, a optimização ou modificação da composição líquido iónico. Um material electrólito ideal deveria possess as seguintes características: 1) ampla janela eletroquímica, dentro dos quais o eletrólito é estável; 2) alta condutividade iônica e baixa condutividade eletrônica para facilitar o transporte de íons entre os eletrodos e inibir auto-descarga; 3) a estabilidade química e térmica de modo a que o electrólito é compatível com outros componentes celulares, tais como separadores, os eléctrodos e os seus substratos, etc., e para aumentar a segurança da célula; 4) não-inflamabilidade e baixa pressão de vapor para evitar a pressão celular build-up e fogo durante a falha de célula; e 5) baixa toxicidade e de baixo custo. estabilidade térmica elevada do electrólito é crítica para o funcionamento seguro e um número elevado de ciclos para as baterias operam a temperaturas superiores a 25 ° C. materiais electrolíticos tradicionais são solventes de carbonato de base que são inflamáveis ​​e voláteis, e, assim, não pode ser utilizado em baterias de alta temperatura. 28 electrólitos poliméricos também estão sendo investigados como eles possuem o mérito de não-volalidade e não-inflamabilidade. No entanto, electrólitos poliméricos são geralmente estruturas sólidas e têm condutividades inferiores (&lt;10 4 S / cm), em comparação com os líquidos iónicos e solventes com base de carbonato. 29,30 De acordo com os requisitos para o material electrólito ideal acima descrita, a escolha do electrólito pode ser um desafio. Muitas vezes, essas exigências contradizem uns aos outros e trade-offs devem ser tomadas para maximizar o desempenho da bateria. Um desafio representativa que encontramos envolvido a selecção da concentração de sal de lítio. Nós escolhemos inicialmente 0,3 M como a concentração para ser utilizado na bateria, uma vez que produziu a maior condutividade. Qualquer aumento da concentração de sal de 0,3 M para além do aumento da viscosidade e a condutividade reduzido devido a um aumento na massa. No entanto, observou-se que esta baixa concentração de sal ciclismo limitada de carga-descarga, enquanto o uso de concentrações mais elevadas, tais como 1,0 M e 1,6 M (which possuía valores de condutividade inferiores), deu o ciclismo mais estável na célula moeda. As tentativas para aumentar a concentração de sal Li além de 1,6 M foram infrutíferas, como estávamos no limite de solubilidade. Além disso, utilizando este procedimento, o cátodo, ânodo e separador, juntamente com o electrólito, pode ser trocado e variados para avaliar outras configurações de bateria. A humidade é conhecida para deteriorar o desempenho da bateria e reduzir a duração do ciclo, bem como influência as propriedades físicas do material (por exemplo, viscosidade). Assim, todos os materiais que constituem a bateria deve ser preparada e caracterizada sob condições anidras e sob a protecção do gás árgon. Por exemplo, um procedimento de secagem rigorosa é usado para remover quantidades vestigiais de humidade a partir dos líquidos iónicos e os sais de Li. Por estas razões, os líquidos iónicos são sempre secas a 100 ° C durante 24 horas com agitação rigorosa sob alto vácuo durante a noite antes da utilização. o rheologicos estudos são realizados em um saco de luva cheio com azoto selado para garantir que os líquidos iónicos que não são expostas ao ar, como os líquidos iónicos são higroscópicos e facilmente absorver água. Assim, todos os materiais envolvidos devem ser manipulados ou preparados na caixa de luva ou protegido por gás inerte (árgon) em condições anidras. Cuidados especiais também devem ser tomados ao manusear os recipientes de vidro e transferir o líquido iônico dentro e para fora do porta-luvas. Por fim, todos os componentes de hardware da bateria são secos num forno de vácuo a 70 ° C durante a noite para remover a humidade antes da montagem na caixa de luva. Várias técnicas foram encontradas dificuldades quando se monta a baterias baseadas líquido iónico, como resultado da natureza viscosa dos líquidos iónicos em comparação com os solventes de carbonato de fluir prontamente. Quando os separadores de imersão no líquido iónico antes da montagem da célula, é difícil para molhar todas as pores separadoras. Assim, aquecida a separadores em que o líquido iónico a 60 ° C durante 15 minutos com agitação para assegurar o humedecimento completo do separador. Da mesma forma, as fendas / poros nos eléctrodos deve também ser preenchido com electrólito líquido iónico suficiente para garantir um bom contacto com os outros componentes da bateria. A fim de obter resultados consistentes, várias gotas de líquido iónico são dispensadas para cobrir completamente a superfície do eléctrodo e é aquecida a 60 ° C durante 15 minutos antes de integrar o eléctrodo de LiCoO 2 para a bateria. Estes passos são críticos como quantidades insuficientes de eletrólito irá permitir um curto-circuito durante o funcionamento da célula moeda. Antes do ensaio, é importante ter o resto da bateria montada à temperatura ambiente durante 12 horas para garantir que o electrólito é disperso ao longo da bateria. Com a manipulação adequada de todos os materiais para garantir a secura, cobrindo completamente todos os componentes da bateria de célula (por exemplo, eletrodo e separares) com o electrólito, e permitindo que a bateria de célula para equilibrar, uma bateria de célula pode ser fabricada que é adequado para testar electrólitos líquidos iónicos a altas temperaturas. Se ocorrer uma falha ou resultados incomuns são obtidos, rever os passos e sugestões acima, e repetir os experimentos. Limitações também podem surgir devido às propriedades inerentes dos materiais usados ​​para construir a pilha de relógio. Por exemplo, se os testes são realizados acima de 100 ° C, os separadores e eléctrodos necessitam de ser alterados. Em conclusão, os protocolos estão descritos para preparar iônicos bis líquidos e lítio à base de fosfónio (TRIFLUOROMETHANE) sulfonimida electrólitos de sais, e para montar uma bateria de célula de lítio-íon não-inflamável e de alto funcionamento temperatura. A viscosidade, a estabilidade térmica, a condutividade, e a estabilidade electroquimica de mono-fosfónio e di-fosfónio líquidos iónicos são medidos. Preparação de uma bateria de célula contendo ouo electrólitos LiTFSI mono-fosfónio ou LiTFSI + o di-fosfónio +, e subsequente teste de bateria a 100 ° C revelou a influência da concentração de sal de lítio de ciclismo bem sucedida. Estes procedimentos experimentais validados irá facilitar o estudo de baterias de alta temperatura, especialmente aqueles que empregam electrólitos viscosos e anidras.

As baterias Li-ion são dispositivos que transformam a energia entre a energia elétrica ea energia química e fornecem um meio conveniente para armazenar e fornecer energia sob demanda e on-the-go. Hoje, as baterias de iões de lítio dominar o mercado de eletrônicos portáteis devido à sua alta densidade de energia e re-exigibilidade, e são de interesse para aplicações em larga escala e de especialidade, tais como a perfuração do down-hole e automotivo. 1-5 baterias são compostas de quatro componentes principais: cátodo, ânodo, separador, e eletrólitos. Embora a composição química dos dois eléctrodos determina a densidade de energia teórica da bateria, a segurança e a temperatura de trabalho é limitado, principalmente, pelo material de electrólito. 6-9 Carbonato de base eletrólitos solvente orgânico (por exemplo, carbonato de dimetilo (DMC) e carbonato de etileno (CE)) são amplamente utilizados em baterias de iões de lítio, devido à sua baixa viscosidade, alta condutividade, e solubilidade do sal de lítio de alta. Além disso, certos Combinações dos solventes carbonato (DMC / CE) também formam uma interface eletrólito sólido estável (SEI), impedindo assim a reações de degradação entre o eletrólito e eletrodo, e prolongando a vida útil da bateria. No entanto, solventes carbonato sofrem de baixos pontos de ebulição e pontos de inflamação, limitando a temperatura de operação das baterias de iões de lítio para abaixo de 55 ° C, com questões de segurança potencialmente graves se houver um curto-circuito. 10,11 Os líquidos iónicos são uma classe de sais que têm temperaturas de fusão abaixo de 100 ° C. 12 Em contraste com os sais inorgânicos típicos, os líquidos iónicos possuem uma ampla gama de líquidos e pode ser líquido à temperatura ambiente. Os líquidos iónicos são compostas de um ou vários centros catiónicos orgânicos, tais como imidazólio, de fosfónio, de piridínio, ou amónio e emparelhado com um anião inorgânico ou orgânico, tal como metanossulfonato, hexafluorofosfato, ou halogeneto. 13,14 A grande variedade de possíveis combinações de catiões e de aniõespermite um grande número de composições com propriedades ajustáveis. Além disso, as fortes interacções iónicas dentro dos líquidos iónicos resultar em pressão de vapor desprezável, não inflamabilidade, e alta estabilidade térmica e electroquímica. 15,16 Substituindo electrólitos convencionais com líquidos iônicos é uma solução que aborda as questões de segurança inerentes em baterias de iões de lítio atuais, e pode permitir que aplicações de alta temperatura. 17-27 Para ilustrar os métodos gerais de transformação sintética e materiais utilizados para a construção de baterias de iões de lítio contendo líquidos iónicos para aplicações de alta temperatura, que descrevem a síntese, propriedades térmicas e caracterização electroquímica de mono- e di-fosfónio líquidos iónicos emparelhado com quer o cloreto (Cl) ou bis (trifluorometano) sulfonimida (TFSI) ânion. Diferentes concentrações de bis (trifluorometano) sulfonimida (LiTFSI) são subsequentemente adicionados à Liqu iónico fosfónioIDs para dar electrólitos. Com base no desempenho dos electrólitos fosfónio TFSI com LiTFSI adicionada em comparação com os análogos de cloreto, uma célula de moeda é construído quer com o mono- ou di-fosfónio electrólitos TFSI juntamente com um ânodo de metal Li e LiCoO 2 cátodo. Finalmente, o desempenho da bateria é avaliada a 100 ° C durante as duas pilhas de células de moedas diferentes. Os procedimentos detalhados, os desafios na execução, e os conhecimentos adquiridos de realizar estas experiências são descritos abaixo.

<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

A instabilidade química do eletrólito tradicional continua a ser uma questão de segurança em dispositivos de armazenamento de energia amplamente utilizados, tais como baterias Li-ion. baterias de iões de lítio para uso em dispositivos que operam a temperaturas elevadas requerem eletrólitos termicamente estáveis ​​e não-inflamáveis. Os líquidos iônicos (ILS), que são não-inflamável, não-volátil, termicamente sais fundidos estáveis, são um substituto ideal para ponto de ebulição inflamável e de baixo eletrólitos de solventes orgânicos usados ​​atualmente hoje. Descrevemos aqui os procedimentos para: 1) sintetizar líquidos iónicos mono- e di-fosfónio emparelhados com cloreto ou cloreto de bis (trifluorometano) sulfonimida () aniões TFSI; 2) medir as propriedades térmicas e estabilidade destes líquidos iónicos por calorimetria de varrimento diferencial (DSC) e análise gravimétrica térmica (TGA); 3) medir as propriedades eletroquímicas dos líquidos iônicos por voltametria cíclica (CV); 4) preparar eletrólitos contendo bis () sulfonamida trifluorometano; 5) medir o conductivity dos electrólitos como uma função da temperatura; 6) montar uma bateria de célula com dois dos eletrólitos, juntamente com um ânodo de metal Li e LiCoO2 cátodo; e 7) avaliar o desempenho da bateria a 100 ° C. Nós, adicionalmente descrever os desafios em execução, bem como os conhecimentos adquiridos de realizar esses experimentos.

Os líquidos iónicos, mono-e di-HexC10Cl HexC10Cl, foram preparados através de uma reacção nucleófila, e de uma reacção de permuta de halogeneto subsequente deu o mono-di-HexC10TFSI e HexC10TFSI líquidos iónicos, respectivamente (Figura 1A). 14 Todos os quatro eram líquidos iónicos líquidos incolores e ligeiramente viscosa (Figura 1B). Um 1 H RMN representativo do líquido iónico mono-HexC10TFSI é mostrado na Figura 1C, e junto com espectrometria de massa e os dados de análise elementar confirmou a estrutura. Em seguida, a estabilidade térmica dos quatro líquidos iónicos foram determinados (Tabela 1). Como representante líquido iónico, o di-HexC10TFSI será descrito em detalhe. Em primeiro lugar, DSC foi realizada para determinar se havia quaisquer transições de fase entre -70 a 150 ° C (Figura 2A). Sem temperatu transição vítrea<html> re ou fusão de temperatura foi observado para o líquido iônico di-HexC10TFSI, indicando a ampla gama de líquido e fase estabilidade ao longo desta gama de temperaturas. Em um teste de rampa de temperatura utilizando TGA a uma taxa de aquecimento de 10 ° C / min, o líquido iónico di-HexC10TFSI não mostraram uma perda de peso até 300 ° C. A temperatura de decomposição térmica foi determinada como sendo 365 ° C (Figura 2B). A estabilidade electroquímica do mono-HexC10TFSI e di-HexC10TFSI líquidos iónicos foi determinada a 100 ° C por CV usando um de três eléctrodos Li / Li / configuração de platina (figura 3A). CV medições foram realizadas a 100 ° C entre 6,5 e -0,5 V (versus Li + / Li) com uma taxa de varrimento de 1 mV / seg. O mono-HexC10TFSI e di-HexC10TFSI líquidos iónicos eram estáveis até, pelo menos, 5,0 V versus Li + / Li a 100 ° C. Acima de 5,0 V, a decomposição do anião TDI ocorreu. t. &quot;FO: manter-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; As viscosidades dos líquidos iónicos a 25 ° C foram então determinados (Tabela 1) Uma vez que as viscosidades das mono-HexC10TFSI e di-HexC10TFSI líquidos iónicos foram significativamente inferior (7 Pa · s a temperatura ambiente) em comparação com os líquidos iónicos à base de Cl, o restante dos estudos foram realizados com estes dois líquidos iónicos. LiTFSI foi posteriormente misturado com mono-HexC10TFSI e di-HexC10TFSI, respectivamente, a um peso percentagem de 5% (0,3 M), e a viscosidade e a condutividade dos electrólitos foram medidos. em todas as temperaturas entre 25 e 100 ° C, o electrólito di-HexC10TFSI + LiTFSI tinha uma viscosidade mais elevada do que o mono-HexC10TFSI + LiTFSI. Aumentando a temperatura viscosidades inferiores proporcionou (Figura 4A). da mesma forma, os valores de condutividade aumentada a temperaturas mais elevadas para ambos os electrólitos, com o mono-HexC10TFSI LiTFSI + electrólito apresentando maiores valores de condutividade do que o di-HexC10TFSI +LiTFSI electrólito em todas as temperaturas. Em seguida, a dependência da viscosidade e condutividades iónicas na quantidade de LiTFSI adicionados (0,3 M e 1,6 M) para o mono-HexC10TFSI LiTFSI + e electrólitos di-HexC10TFSI LiTFSI + foi determinada como uma função da temperatura. Como mostrado na Figura 4B, a concentração do sal de LiTFSI influenciada tanto a condutividade e viscosidade. concentrações de sal superior proporcionada uma mistura mais viscoso e, por conseguinte, um meio menos condutora. Aumentando a temperatura diminuiu significativamente a viscosidade e, assim, aumentou a condutividade para todas as composições. O electrólito mono-HexC10TFSI LiTFSI + exibiram viscosidades mais baixas e condutividades mais elevadas do que a correspondente electrólito di-HexC10TFSI LiTFSI +. Por exemplo, à temperatura ambiente, o electrólito mono-HexC10TFSI + LITFSI (0,3 M e 1,6 M) apresentada relativamente baixas condutividades (~ 0,01 mS / cm), enquanto que a 100 ° Ca condutividade aumentou em duas ordens de grandeza e foram cerca de 1 mS / cm. O aumento da quantidade de LiTFSI deu condutividades mais baixas e maiores viscosidades. Por exemplo, quando a temperatura foi aumentada para 100 ° C, a condutividade do mono-HexC10TFSI + LiTFSI 0,3 M (~ 1,7 mS / cm) electrólitos era quase duas vezes o valor medido para a composição 1,6 M (~ 1,0 mS / cm) . Antes das experiências com células de moedas, experiências CV foram realizados para determinar a resposta electroquímica do mono-HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) e o di-HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) a 25, 60, e 100 ° C na presença do par redox Li / LiCoO 2, respectivamente (Figura 3B). A tensão foi varrido 1,5-4,6 V com uma taxa de corrente de 1 mV / seg. A corrente aumentou dramaticamente 25-100 ° C, indicando que, como a temperatura aumentou, a viscosidade diminui com uma resultante queda da resistência interna. Tele mono-HexC10TFSI LiTFSI + apresentaram uma resposta actual maior do que o di-HexC10TFSI LiTFSI + a cada temperatura. Os picos de reação LiCoO2 redox esperados foram observados em aproximadamente 3,6 V e 4,1 V. O Li + e intercalação de-intercalação estava praticamente completa a partir de 2,5 V a 4,6 V, a decomposição de materiais e não óbvia foi observada dentro desta gama. Dada a viscosidade mais baixa e mais alta condutividade, bem como a estabilidade electroquímica entre 2,5 e 4,6 V, ambos os electrólitos mono-HexC10TFSI LiTFSI + e di-HexC10TFSI LiTFSI + foram usados ​​como os electrólitos para pilhas de células de avaliação em moeda. A concepção da bateria, componentes, e estrutura montada são mostrados na Figura 5A com os dois colectores de corrente de aço inoxidável localizados nas extremidades para criar a bateria tipo sanduíche. Li de metal serve como ânodo sentado no colector de corrente de fundo, que é separada do cateterismo LiCoO2ode por dois separadores de membrana de polipropileno porosos. Os separadores foram embebido no electrólito líquido iónico antes da construção da bateria. A junta de vedação e espaçadores, ou molas, foram então utilizadas para criar um selo hermético da bateria e para manter e alinhar os componentes da bateria em conjunto. Todos os componentes da bateria, bem como o LiCoO 2 foram secos numa estufa de vácuo a 70 ° C durante a noite para remover a humidade. O electrólito a ser testado foi seco a 100 ° C sob alto vácuo durante a noite antes da utilização. Todos os passos foram realizados a montagem na caixa de luvas sob uma atmosfera de árgon. Uma vez montada, a célula de moeda foi selado e a bateria removida da caixa de luvas. Nós próxima realizados ciclismo de carga-descarga (CD) para avaliar a capacidade específica e ciclo de vida da bateria. O desempenho do mono-HexC10TFSI + LiTFSI e os eletrólitos di-HexC10TFSI + LiTFSI com 0,3 M de LiTFSI em Li / LiCoO2 </sub&gt; células a 100 ° C foi determinada pela primeira vez como ambos os electrólitos deu os maiores condutividades a esta concentração LiTFSI. Como mostrado na Figura 5B, as baterias com falha dentro de 10 ciclos. A célula que contém a moeda de electrólito mono-HexC10TFSI LiTFSI + mostraram uma capacidade inicial mais elevada de cerca de 140 mAh / g e, em seguida, diminuiu em cerca de 20% em cada ciclo adicional. O ciclo da célula moeda com o electrólito di-HexC10TFSI + LiTFSI iniciado com uma capacidade menor, devido à maior viscosidade do electrólito, mas, em seguida, diminuiu, embora não tão fortemente como para a célula de moeda que contém o electrólito mono-HexC10TFSI + LiTFSI . A bateria de repente falhou após ciclo de sete. O mono-HexC10TFSI LiTFSI + electrólito mostrou maior capacidade específica e ciclismo mais estável do que a célula com o electrólito di-HexC10TFSI LiTFSI +. O fraco desempenho para ambos os líquidos iônicos foi atribuída à baixa concentração de LiTFSI. Assim, a concentração do LiTFSI para o mono-HexC10TFSI LiTFSI + electrólito foi aumento de 1,0 M e 1,6 M, e a experiência foi repetida. Melhorou significativamente o desempenho da bateria foi obtido (Figura 5C). Especificamente, o uso de ambos os electrólitos mono-HexC10TFSI 1.0 M e 1.6 M + LiTFSI demonstraram uma redução na capacidade dramaticamente decomposição a 100 ° C na célula de moeda. Cerca de 90% da capacidade manteve-se após 20 ciclos para a célula que contém a moeda de mono-HexC10TFSI + LiTFSI (1,6 M) de electrólito. Os resultados da célula de moeda com a formulação de eletrólito 1,0 M foram semelhantes: ciclismo estável ocorreu durante os primeiros 15 ciclos e, em seguida, uma diminuição repentina de 100 mA / g ocorreu no ciclo 20. A maior concentração de LiTFSI era necessário para manter a capacidade no Temperatura alta. Para investigar mais o ciclo de vida das baterias, um galvanostático experiência de ciclismo de carga-descarga estendida foi conduzido com a célula de moeda contendo o monoHexC10TFSI + LiTFSI (1,6 M) de electrólito com uma taxa atual de C / 7, correspondendo a uma carga completa / descarga da capacidade de catodo em 7 horas. A bateria operada por um mês a 100 ° C e um ciclo de 70 vezes (Figura 5D). A elevada capacidade inicial de ~ 135 mAh / g diminuiu para 70 mAh / g após 70 ciclos. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54864/54864fig1.jpg" /> Figura 1. Síntese e caracterização estrutural de um líquido iónico fosfónio. (A) via de síntese para o líquido iónico monoHexC10TFSI; (B) Fotografia de um líquido iônico mono-HexC10TFSI purificada; e (C) Espectro de 1H RMN para mono-HexC10TFSI. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Figura 2. Dados de caracterização da estabilidade térmica para o mono-di-HexC10TFSI e HexC10TFSI líquidos iónicos. (A) O fluxo de calor como uma função de temperatura de -70 a 150 ° C, como medido por DSC; e (B) A perda de peso em função da temperatura, tal como medida por TGA. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54864/54864fig3.jpg" /> Figura 3. experimentos de voltametria cíclica. (A) voltamétrico de monoHexC10TFSI a 100 contra o PT; (B) A voltametria cíclica de di-HexC10TFSI a várias temperaturas em LiCoO 2 / par redox Li; e (C </strong&gt;) voltamétrico de mono-HexC10TFSI + LiTFSI em várias temperaturas em LiCoO 2 / Li par redox. Reproduzido com permissão de Ciências Químicas 27. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54864/54864fig4.jpg" /> Figura 4. condutividade e viscosidade medições. (A) di-HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) e mono-HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) como uma função da temperatura, (B) de mono-HexC10TFSI LiTFSI + carregado com diferentes concentrações de LiTFSI como uma função da temperatura. Reproduzido com permissão de Ciências Químicas 27. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig4large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Figura 5. Coin experimentos bateria celular. (A) Esquema da bateria de célula; (B) capacidade de descarga em função do número de ciclos de uma bateria contendo o mono-Hexc10TFSI + LiTFSI (0,3 M) e di-HexC10TFSI + LiTFSI (0,3 M) a 100 ° C; (C) A capacidade de descarga em função do número de ciclos de uma bateria contendo o mono-Hexc10TFSI dopado com diferentes concentrações de LiTFSI a 100 ° C; (D) de bicicleta de carga-descarga galvanostáticos para uma bateria com o mono-Hexc10TFSI + LiTFSI (M 1,6) composição a 100 ° C, a taxa de corrente em C / 7. Reproduzido com permissão de Ciências Químicas 27. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54864/54864fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <table border = &quot;1&quot; fo: manter-together.within-page = &quot;1&quot; fo: manter-com-next.within-page = &quot;always&quot;&gt; <tbody><tr><td rowspan="2"> IL </td><td> Um Tg </td><td> T m um </td><td> T d b </td><td rowspan="2"> Viscosidade (Pa-seg) a 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 x 10 2 </td></tr><tr><td> mono-HexC10TFSI </td><td> - </td><td> - </td><td> 355 </td><td> 3,0 x 10 -1 </td></tr><tr><td> di-HexC10Cl </td><td> -30 </td><td> 60 </td><td> 385 </td><td> 2,6 x 10 5 </td></tr><tr><td> di-HexC10TFSI </td><td> - </td><td> - </td><td> 375 </td><td> 5,2 x 10 0 </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Propriedades de Ionic Líquidos sob investigação. uma Determinado a partir de -70 a 150 ° C; isso indica que um Tg ou Tm não foi observada na gama de temperatura testada. b A temperatura na perda de peso de 10%. As amostras são protegidos por azoto durante o teste.

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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.

Síntese de líquidos iónicos baseados eletrólitos, Assembléia de baterias de iões de lítio, e as medições de desempenho em alta temperatura

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 visualizações.  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.

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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.

Construção e Teste de Pilhas da moeda de baterias de lítio

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

Engenharia

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.

Síntese e microdiffraction a pressões e temperaturas extremas

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.

Seletiva Área Modificação de Superfície Wettability Silicon por Pulsed Laser irradiação UV em meio líquido

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.

Pesquisa e Desenvolvimento de explosivos de alto desempenho

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.

Falha Análise de Baterias Usando baseado no Synchrotron microtomografia de raios-X dura

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.

sondagem C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si substrato utilizando Scanning Probe Microscopy e Dinâmica Molecular

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.

A plataforma baseada em alta impedância de desempenho para a detecção Taxa de evaporação

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.

Detectando a distribuição de cloreto solúvel em água da pasta de cimento em uma maneira de alta precisão

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.

Determinação da morfologia agregada da superfície na Zona de Transição Interfacial (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.

Fabricação e design de compósitos de alto desempenho baseados em madeira

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