Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Synthesis and characterization of a new complex lithium salt for application in lithium-ion batteries

Sandra Agnieszka Młynarska

Abstract

Introduction It is hard to imagine today's reality without rechargeable batteries. There is a great need to improve the known technologies to improve the performance of such devices. Currently, research focuses on lithium-ion batteries, and among them a large attention is paid to the materials used as electrolytes fulfilling the role of electrodes’ separators and electrical charge carriers. Widely used as an electrolyte is salt LiPF6. This salt provides high ionic conductivity, but has several disadvantages, which include thermal and hydrolytic instability. That is why search for new lithium-ion compounds to replace it continues. Research on new lithium salts, out of which a very promising group are borate salts, both in monomeric form as well as of oligomeric or polymeric structure is being carried out. According to previous studies in the Department of Chemistry and Polymer Technology of Warsaw University of Technology, borate salts can be obtained by complexation reactions of salts of carboxylic acids using boron fluoride. The best results are obtained for the borate derivatives containing oligomeric oxyethylene groups. Results and discussion My work is devoted to the synthesis of carboxyborate lithium salt poly(oxyethylene glycol) bis(carboxymethyl) ether acid of molecular mass Mn = 600. The aim of the research was to select the conditions for the synthesis and purifying of the received salt in terms of its efficiency and cleanliness. The synthesis consists of two stages: the first one was the reaction of poly(oxyethylene glycol) bis(carboxymethyl) ether acid of molecular mass Mn = 600 with n-butyllithium. The product was the lithium salt of the acid. The second stage of the synthesis was the reaction of the received lithium salt with BF3, which product was the carboxyborate lithium salt. I have conducted spectral characteristics of the obtained carboxyborate lithium salt poly(oxyethylene glycol) bis(carboxymethyl) ether acid. I have made FTIR, DSC, MALDI-ToF, 1H NMR, 11B NMR and 19F NMR analyzes of samples of this salt. I have tested the impact of different solvents for the salt. I have also tested the impact of n-butyllithium for this salt and the salt of analogous structure, but a smaller number of oxyethylene groups in the polymer chain - carboxyborate lithium salt poly(oxyethylene glycol) bis(carboxymethyl) ether acid of molecular mass Mn = 250. I have also made polymer electrolytes consisting of carboxyborate lithium salt and poly(ethylene oxide) with different molar ratio. I have made DSC analysis of prepared electrolytes and compared their ion conductivity in the temperature range 10 - 80 °C. Conclusions The reaction of poly(oxyethylene glycol) bis(carboxymethyl) ether acid of molecular mass Mn600 with n-butyllithium gives the lithium salt of this acid. In the reaction of this salt with BF3, the carboxyborate lithium salt poly(oxyethylene glycol) bis(carboxymethyl) ether acid is obtained. The form of this salt is amorphous. It contains an average of 11.2 oxyethylene groups in the polymer chain. The glass transition temperature Tg is -16.13 ° C. Undergoes hydrolysis, decomposing into acid, from which it was created. In the reaction of carboxyborate lithium salt with n-butyllithium, the synthesis reaction of this salt has been reversed with recreating the lithium salt – for both reactions of salts of acid of molecular mass Mn = 600 and Mn = 250. The resistance measurements of polymer electrolytes, with the usage of impedance spectroscopy, showed ionic conductivity characteristics of PEO complexes with a high degree of crystallinity. The highest ion conductivity in the temperature range 10 - 70 °C has shown the electrolyte of 1:1 molar ratio of the number of lithium ions to ethylene oxide, it means the one with the highest carboxyborate lithium salt content relative to PEO. At room temperature the conductivity is of the order of 10-6 S cm-1.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Sandra Agnieszka Młynarska (FC) Sandra Agnieszka Młynarska,, Faculty of Chemistry (FC)
Title in Polish
Synteza i badanie właściwości nowej kompleksowej soli litu do zastosowania w bateriach litowo-jonowych
Supervisor
Ireneusz Wielgus (FC/CPCT) Ireneusz Wielgus,, Chair Of Polymer Chemistry And Technology (FC/CPCT)Faculty of Chemistry (FC)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Chair Of Polymer Chemistry And Technology (FC/CPCT)
Study subject / specialization
, Technologia Chemiczna
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
08-02-2016
Issue date (year)
2016
Reviewers
Ireneusz Wielgus (FC/CPCT) Ireneusz Wielgus,, Chair Of Polymer Chemistry And Technology (FC/CPCT)Faculty of Chemistry (FC) Wanda Ziemkowska (FC/DCOC) Wanda Ziemkowska,, Department Of Catalysis And Organometallic Chemistry (FC/DCOC)Faculty of Chemistry (FC)
Keywords in Polish
trifluorek boru (BF3), butylolit (BuLi), bateria litowo-jonowa, elektrolity polimerowe
Keywords in English
Boron trifluoride (BF3), butyllithium (BuLi), lithium-ion battery, polymer electrolytes
Abstract in Polish
Wstęp Trudno wyobrazić sobie dzisiejszą rzeczywistość bez akumulatorów elektrycznych. Istnieje duża potrzeba udoskonalania znanych technologii w celu polepszenia parametrów takich urządzeń. Obecnie badania naukowe skupiają się nad akumulatorami litowo-jonowymi, a w wśród nich duża uwaga poświęcana jest materiałom stosowanym jako elektrolity spełniające rolę separatorów elektrod oraz nośników ładunku elektrycznego. Powszechnie jako elektrolit stosowana jest sól LiPF6. Sól ta zapewnia wysoką przewodność jonową, jednak posiada wiele wad, do których zalicza się niestabilność termiczną i hydrolityczną. Dlatego trwają poszukiwania nowych związków jonowych litu, które mogłyby ją zastąpić. Prowadzone są badania nad nowymi solami litowymi, spośród których bardzo obiecującą grupę stanowią sole boranowe, zarówno w postaci monomerycznej jak również o budowie oligomerycznej lub polimerowej. Według dotychczasowych badań w Katedrze Chemii i Technologii Polimerów Politechniki Warszawskiej sole boranowe można uzyskać poprzez reakcje kompleksowania soli kwasów karboksylowych za pomocą fluorku boru. Najlepsze wyniki uzyskuje się dla pochodnych boranowych zawierających oligomeryczne grupy oksyetylenowe. Wyniki własne i dyskusja Moja praca poświęcona jest syntezie karboksyboranowej soli litowej bis(karboksymetylowego) eteru glikolu oligooksyetylenowego o masie Mn = 600. Celem badań było dobranie warunków syntezy oraz oczyszczania powstałej soli ze względu na jej wydajność i czystość. Synteza składała się z dwóch etapów: pierwszym z nich była reakcja bis(karboksymetylowego) eteru glikolu oligooksyetylenowego o masie Mn = 600 z n-butylolitem. Produktem była sól litowa tego eteru. Drugim etapem syntezy była reakcja otrzymanej soli litowej z eteratem BF3, której produktem była sól karboksyboranowa. Przeprowadziłam charakterystykę spektralną otrzymanej karboksyboranowej soli litowej bis(karboksymetylowego) eteru glikolu oligooksyetylenowego. Wykonałam analizę FTIR, DSC, MALDI-ToF, 1H NMR, 11B NMR i 19F NMR próbek tej soli. Zbadałam wpływ różnych rozpuszczalników na tę sól. Zbadałam również wpływ n-butylolitu na tę sól oraz na sól o analogicznej budowie, lecz mniejszej liczbie grup oksyetylenowych w łańcuchu polimerowym – sól litową bis(karboksymetylowego) eteru glikolu oligooksyetylenowego o masie Mn = 250. Wykonałam również elektrolity polimerowe, składające się z otrzymanej soli karboksyboranowej oraz poli(tlenku etylenu) o różnym stosunku molowym. Wykonałam analizę DSC przygotowanych elektrolitów oraz porównałam ich przewodność jonową w zakresie temperatur 10 – 80 °C. Wnioski W reakcji bis(karboksymetylowego) eteru glikolu oligooksyetylenowego o masie Mn = 600 z n-butylolitem otrzymuje się sól litową tego kwasu. W reakcji tej soli z eteratem BF3 otrzymuje się karboksyboranową sól litową bis(karboksymetylowego) eteru glikolu oligooksyetylenowego. Sól ta ma postać amorficzną. Zawiera średnio 11,2 grupy oksyetylenowe w łańcuchu polimerowym. Jej temperatura zeszklenia Tg wynosi -16,13 oC. Ulega hydrolizie, rozkładając się do kwasu, z którego powstała. W reakcji karboksyboranowej soli litowej z n-butylolitem nastąpiło odwrócenie reakcji syntezy tej soli z odtworzeniem soli litowej – zarówno dla reakcji soli eteru o Mn = 600, jak i Mn = 250. Pomiary oporności elektrolitów polimerowych z zastosowaniem spektroskopii impedancyjnej wykazały wartości przewodności jonowej charakterystyczne dla kompleksów PEO o wysokim stopniu krystaliczności. Najwyższą przewodność w badanym zakresie temperatur 10 – 70 °C wykazał elektrolit o stosunku molowym liczby jonów litu do tlenku etylenu 1:1, czyli posiadający największą zawartość karboksyboranowej soli litowej o Mn = 600 w stosunku do PEO. Przewodność ta w temperaturze pokojowej jest rzędu 10-6 S∙cm-1.
File
  • File: 1
    S. Młynarska - praca inżynierska - 1029215.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 8424

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTeb953eeef0c841dba8907acb75c425cf/
URN
urn:pw-repo:WUTeb953eeef0c841dba8907acb75c425cf

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page