Lityum hava pilleri için EMITFSI esaslı nanokompozit elektrolitlerin geliştirilmesi

Abstract

Lityum hava pillerin teorik spesifik enerjisi, yaklaşık olarak 11000 Wh/Kg'lık bir değerle lityum iyon pillerden yirmi kat daha yüksektir. Fakat pratik olarak uygun bir güç kaynağı şeklinde kullanılmadan önce birçok zorluğun üstesinden gelinmesi gerekmektedir. Lityum hava pillerde elektrolitin önemi çok büyüktür ve özellikle elektrolit içerisindeki geri dönüşümlü oksijenin elektrokimyasanı anlamak gerekmektedir. İyonik sıvılar, birçok üstün özellikleriyle beraber oda sıcaklığında ergimiş tuzlardır. İyonik sıvılara olan ilginin gün geçtikçe artmasının sebebi, birincil ve ikincil lityum pilleri ve kapasitörleri de içine alan yeni nesil uygulamalarda düşük uçuculuk, yüksek iyonik iletkenlik ve geniş elektrokimyasal aralığı göstermesidir. Bu çalışmada, 1M 1-ethyl-3-methyl-imidazoliumbis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMITFSI) / Lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) içeren kompozit polimer elektrolitler, argon atmosferi altında bir glovebox içerisinde, viskoziteyi, iyonik iletkenliği ve termal özellikleri iyileştirmek amacıyla üretilmiştir. Boşluklu yapısıyla GDL (hava geçirimli tabaka) katot olarak kullanılmıştır. Bir lityum disk anot olarak kullanılırken, ECC-Air test hücresinde anot ile katotun birbirine temas edip kısa devre oluşumunu engellemek için cam fiber bir seperatör kullanılmıştır. Hücre, çevrimsel olarak 0,1 mA/cm2 akım yoğunluğunda, 1,5V-4,5V voltaj aralığında test edilmiştir. Elektrokimyasal empedans spektroskopi (EIS) analizleri, eklenen PVDF, PEO ve Al2O3 gibi polimerik ve inorganik katkıların, elektrolitin direnci üzerindeki etkisini incelemek üzere yapılmıştır. Elektrokimyasal testler sonrasında, GDL katodun morfolojisi, çevrim sırasında oluşan lityum bileşiklerini tespit etmek amacıyla taramalı electron mikroskobu ve x-ışınları kırınım analizi kullanılarak yapılmıştır.

Lithium-O2 battery, with a theoretical specific energy of about 11000 Wh/Kg, twenty times as high as Li-ion battery, faces many challenges in development before it can become a practically appropriate power source. The role of electrolyte is very important in this system and in particular it is necessary to understand reversible O2 electrochemistry in the electrolyte. Ionic liquids are molten salts at room temperature that have many unique properties. There has been continued increase of interest in ionic liquids because their properties make them preferred for many applications including batteries and capacitors. Their low volatility, high ionic conductivity, and large electrochemical window make them ideal candidates for next generation electrolytes for primary and secondary lithium batteries. In this study, it was optimized composite-polymer electrolytes containing 1M 1-ethyl-3-methyl-imidazoliumbis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMITFSI) / Lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), which possessed low viscosity and high ionic conductivity and thermal properties, under dry argon atmosphere in a glove box. Porous electrode, Gas Diffusion Layer (GDL), was used as cathode, a lithium disk was used as anode while glass fiber was used as the separator in ECC-Air test cell. The cells were cyclically tested using 0.1 mA/cm2 current density over a voltage range of 1.5–4.5 V. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements was applied to investigate the effect of the PVDF, PEO and Al2O3 additives on the resistivity of the electrolyte. After the electrochemical cycling test, the morphologies of the cathodes (GDL) were analyzed using scanning electron microscopy and X-ray diffraction patterns to determine occurring lithium compounds during cycling test.