基于离子液体的电解质合成、锂离子电池组装及高温性能测试

本实验的总体目标是组装一种使用不可燃、热稳定性良好的含双三氟甲烷磺酰亚胺锂的磷𬭩基离子液体电解质的高温功能型锂离子电池。该方法解决了高温储能领域中的关键挑战，特别是传统电解质在锂离子电池应用中的安全性问题。该技术的主要优势在于，提供了一种合成与表征热稳定电解质的方法，并可用于构建可在高温下正常工作的锂离子电池。

尽管该方法为优化锂离子电池的仿生液体电解质的理性设计提供了见解，但也可应用于超级电容器和其他储能设备。通常，初次接触该方法的研究人员会遇到困难，因为测量需在惰性气氛下使用极度干燥的材料进行。由于仿生液体具有高黏度，将其引入电池的过程具有挑战性，因此该方法的可视化演示至关重要。

在充满氩气的手套箱中，使用玻璃移液管将8.3克三己基膦和5.22克1-氯代癸烷加入含有搅拌子的已烘干厚壁耐压反应瓶中。用聚四氟乙烯垫片密封反应瓶，并在氩气氛围下于140摄氏度搅拌反应24小时。在140摄氏度下减压除去挥发性物质，得到粗品单己基-10-氯化物。

用10毫升二氯甲烷与饱和食盐水1:1的混合液，将单-己基-10-氯化物萃取到二氯甲烷相中，共萃取三次。除去二氯甲烷相中的挥发性物质，以分离得到单-己基-10-氯化物产物。接下来，将6.25克双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）溶解于10毫升去离子水中。

然后，将7.75克单-己基-10-氯化物溶解于10毫升二氯甲烷（DCM）中。加入TFSI溶液。盖紧容器，并在室温下搅拌混合物24小时，得到粗品单-己基-10-TFSI。

用20毫升二氯甲烷分三次萃取单己基-10-TFSI。取1毫升二氯甲烷相，加入一至两滴1 N硝酸银溶液，检测氯离子的存在。若观察到白色沉淀（氯化银），则重复萃取步骤。

然后，用一克无水硫酸镁干燥单己基-10-TFSI溶液。将干燥后的溶液倾析，并使用旋转蒸发仪除去溶剂，以分离产物。若要合成双膦鎓类似物，可采用1,10-二氯癸烷并适当调整其摩尔比，按此步骤进行。

进行黏度测量时，需在充满氮气的手套袋中设置可控应变流变仪。取1 mL离子液体置于流变仪的帕尔帖温控台上，确保铝板完全被覆盖。在所有测试运行中，将样品与直径为20毫米的平行铝板之间的间隙设定为1至2毫米。

以100赫兹的剪切速率对样品进行10秒的预剪切，然后进行15分钟的平衡步骤。接着，在1赫兹的固定频率下，通过振荡应变扫描（应变振幅从0.1%到10%）确定线性黏弹性区域（LVR）。在LVR范围内选择一个应变值，并进行频率从0.1到10赫兹的振荡频率扫描。

在选定的频率和应变下测定复数黏度。随后，在该频率和应变条件下，进行振荡模式的温度扫描，温度范围从10°C升至95°C，每5°C为一个增量，每个温度点平衡1分钟。为测量样品的电导率，首先在真空条件下于100°C干燥离子液体12小时。

将约四毫升离子液体放入试管中。插入电导率探头，并根据需要添加样品，以完全覆盖探头传感器。在搅拌的同时将样品加热至第一个测量温度。

将样品在该温度下平衡30分钟，然后读取电导率。对每个温度点重复此过程。接下来，在手套箱中搭建锂-锂铂三电极循环伏安法装置。

将离子液体放入CV池中，将电极浸入液体中，并确保池体密封。在首次测量温度下平衡样品20分钟，然后以每秒1毫伏的速率在-0.2伏至6.5伏之间扫描电位。第一个是锂离子相对于锂参比电极的电位。

针对每个目标温度重复此测量。在开始电池制备之前，将锂TFSI在70摄氏度的真空烘箱中干燥三天。将待测的离子液体在100摄氏度下剧烈搅拌并置于高真空环境中干燥24小时。

将干燥的液体和已烘干的烧瓶及搅拌子放入手套箱中。在烧瓶中分别加入6.4毫摩尔的离子液体和双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）。搅拌混合物过夜，以获得电解质浓度为1.6摩尔的均匀混合物。

将扣式电池的硬件组件和直径为12.7毫米的钴酸锂电极在70 °C下干燥过夜，然后转移至手套箱中。将一个弹簧和一个不锈钢垫片放入扣式电池的底盖内，再将电极置于钢垫片上。

将电解质混合物置于加热板上加热至 60 摄氏度，同时将两片聚丙烯膜隔膜浸入该混合物中搅拌 15 分钟。用约 0.5 毫升的电解质混合物覆盖钴酸锂正极表面，然后将两片隔膜置于纽扣电池中央。在隔膜上方滴加数滴电解质混合物，确保电池内的所有缝隙均被填满。

将覆盖电解质的阴极加热至 60 摄氏度，持续 15 分钟。剪取一块直径为 12.7 毫米、厚度为 0.75 毫米的锂金属，并将其放置在浸有电解质的隔膜上。盖上纽扣电池外壳，并使用封口机进行密封。

将电池从手套箱中取出，静置12小时。为测试电池在高温下的性能，将电化学测试仪的电缆穿过烘箱后壁引入内部。将扣式电池连接至烘箱内的测试仪，并将电池在烘箱中放置30分钟，使其温度与烘箱环境达到平衡。

在测试站选择恒电流充放电循环，并将循环次数设置为500次。设定充电和放电参数以及静置时间，然后启动充放电循环，以评估随时间变化的电荷输出性能。本研究评估了四种基于鏻离子液体在高温锂离子电池中的应用。

热重分析显示，分解温度范围为340至385摄氏度。基于TFSI的离子液体黏度较低，因此更适用于完全填充电池组件中的孔隙和缝隙。在钴酸锂正极存在下，对单己基和双己基C10TFSI与锂-TFSI进行的循环伏安法测量显示出了预期的钴酸锂氧化还原峰。

对于这两种液体，电流均随温度升高而显著增加。单己基-C10TFSI 混合物在所有温度下均表现出更高的电流响应。在 100 摄氏度下对含有单己基-C10TFSI 的纽扣电池进行充放电循环测试，结果显示，当双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）浓度较低时，电池容量衰减迅速。

在接近饱和浓度时，经过20次循环后，容量衰减降低至约百分之十。对含有1.6摩尔TFSI和单己基C10TFSI的纽扣电池进行了在100摄氏度下的扩展恒电流充放电循环测试。电池的初始容量约为135毫安时每克。

一个月后，容量已下降至 70 毫安时每克。在进行此操作时，重要的是在电池组装前彻底干燥所有组件，例如电解质和电极。此外，在组装纽扣电池时，必须小心地将电解质涂覆在正极和隔膜上。

观看本视频后，您应能够合成离子液体电解质并制备锂离子电池。操作离子液体时必须格外小心，因为与常规电解质相比，其高黏度会带来额外的操作困难。