Fizičko-hemijska karakterizacija binarnih smeša jonskih tečnosti i laktona i njihova primena kao elektrolita za litijum-jonske baterije

Abstract

U ovoj doktorskoj disertaciji ispitivani su elektroliti na bazi binarnih smeša imidazolijumovih jonskih tečnosti i laktona koji su pogodni za primenu u litijum-jonskim baterijama. Fizičkohemijska svojstva binarnih smeša jonskih tečnosti na bazi imidazolijum katjona i bis (trifluorometilsulfonil)imidnog anjona i laktona ispitana su u celom opsegu molskih udela i na različitim temperaturama. Na osnovu izmerenih gustina, viskoznosti i električne provodljivosti izračunati su različiti fizičko-hemijski parametri i diskutovane interakcije između komponenata smeša. Ispitana je termička i elektrohemijska stabilnost odabranih elektrolita. Na osnovu dobijenih rezultata, prvo je odabran odgovarajući lakton koji je kasnije kombinovan sa jonskim tečnostima na bazi imidazola, koje se međusobno razlikuju u dužini bočnog niza katjona. Na osnovu fizičko-hemijskih svojstava na različitim temperaturama i pri različitim sastavima binarnih smeša diskutovan je način organizacije njihovih komponenata. U binarne smeše koje su se pokazale kao najperspektivnije sa stanovišta električne provodljivosti, viskoznosti, elektrohemijske stabilnosti i (ne)zapaljivosti dodata je litijumova so. Tako dobijeni ternarni sistemi su okarakterisani u zavisnosti od koncentracije litijumove soli. Odabrani elektroliti upotrebljeni su za ispitivanje performansi litijum-jonske ćelije sa elektrodama na bazi anatas TiO2 nanocevi. Cikličnom voltametrijom i galvanostatskim cikliranjem ispitane su performanse ćelije u toku 350 ciklusa punjenja i pražnjenja. Na osnovu ciklovoltametrijskih merenja izračunati su koeficijenti difuzije jona Li + i energija aktivacije za difuziju. Kombinacijom jonskih tečnosti i laktona moguće je dobiti elektrolite smanjene viskoznosti, povećane električne provodljivosti, povećane termičke stabilnosti usled međusobnog stabilizacionog efekta laktona na imidazolijumove jonske tečnosti.

In this doctoral dissertation, binary mixtures based on imidazolium ionic liquids with lactones were tested for use in lithium-ion batteries. The physicochemical properties of binary mixtures of imidazolium based ionic liquids with bis (trifluoromethylsulfonyl)imide anions and lactones were examined throughout the whole composition range and at different temperatures. Based on the measured densities, viscosity and electrical conductivity, various physical chemical parameters and discrete interactions between the components of the mixture are calculated. Thermal and electrochemical stability of selected binary mixtures were examined. Based on obtained results was selected lactone which is later combined with imidazolium based ionic liquid, differing from each other in the length of the cation. Based on the physico-chemical properties at different temperatures and in the different compositions of binary mixtures, the way of organizing their components is discussed. Lithium salt is added to the binary mixtures that have been shown as the most perspective from the standpoint of electrical conductivity, viscosity, electrochemical stability and (non)flammability. The resulting ternary systems are characterized according to the concentration of lithium salt. The selected electrolytes were used to test the performance of the lithium-ion cell with anatase TiO2 nanotubular electrodes. Cyclic voltammetry and galvanostatic cycling tested the cell's performance during the 350 charge and discharge cycles. Based on cyclic voltammetric measurements, the Li + ion diffusion coefficients and activation energies for diffusion were calculated. Combination ionic liquid and lactone could be obtained electrolytes with lower viscosity, higher electrical conductivity, improved thermal stability due to stabilization effect of lactone on imidazolium based ionic liquids.