The effect of TiO2 nanoparticles and the “liquid phase therapy” on the resistance of the interphase lithium/polymer electrolyte with the introduction of ionic liquid

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The effect of treating a metal lithium surface with 1 M LiN(CF3SO2)2 solution in 1,3-dioxolane/1,2-dimethoxyethane (2:1) mixture on the resistance of the lithium/polymer and lithium/nanocomposite electrolyte based on the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate was studied. It has been shown that “liquid-phase therapy” reduces the resistance at the Li/electrolyte interface by 2.5 times at room temperature and expands the operating temperature range to –30°C. The introduction of TiO2 nanoparticles into the polymer electrolyte, along with “liquid-phase therapy” of both the cathode and the Li-anode, provides a high and stable discharge capacity of the Li//LiFePO4 battery for 100 charge-discharge cycles.

Full Text

Restricted Access

About the authors

G. R. Baymuratova

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry RAS

Author for correspondence.
Email: guzalia.rb@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka

A. V. Yudina

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry RAS

Email: oyarm@icp.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka

K. G. Khatmullina

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry RAS; National Research University “Moscow Energy Institute”

Email: guzalia.rb@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka; Moscow

A. A. Slesarenko

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry RAS

Email: guzalia.rb@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka

O. V. Yarmolenko

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry RAS

Email: oyarm@icp.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka

References

  1. Pei, Y., Zhang, Y., Ma, J., Fan, M., Zhang, S., and Wang, J., Ionic Liquids for Advanced Materials, Mater. Today Nano, 2022, vol. 17, p. 100159.
  2. Dong, K., Liu, X., Dong, H., Zhang, X., and Zhang, S., Multiscale Studies on Ionic Liquids, Chem. Rev., 2017, vol. 117, p. 6636.
  3. Chen, N., Zhang, H., Li, L., Chen, R., and Guo, S., Ionogel Electrolytes for High‐Performance Lithium Batteries: A Review, Adv. Energy Mater., 2018, vol. 8, p. 1702675.
  4. Watanabe, M., Thomas, M.L., Zhang, S., Ueno, K., Yasuda, T., and Dokko, K., Application of Ionic Liquids to Energy Storage and Conversion Materials and Devices, Chem. Rev., 2017, vol. 117, p. 7190.
  5. Yu, L. and Chen, G.Z., Ionic Liquid-Based Electrolytes for Supercapacitor and Supercapattery, Front. Chem., 2019, vol. 7, p. 272.
  6. Tripathi, A.K., Ionic Liquid–Based Solid Electrolytes (Ionogels) for Application in Rechargeable Lithium Battery, Mater. Today Energy, 2021, vol. 20, p. 100643.
  7. Correia, D.M., Fernandes, L.C., Martins, P.M., García‐Astrain, C., Costa, C.M., Reguera, J., and Lanceros‐Méndez, S., Ionic Liquid–Polymer Composites: A New Platform for Multifunctional Applications, Adv. Funct. Mater., 2020, vol. 30, p. 1909736.
  8. Qiu, C., Li, Z., Pan, J., Hong, Y., Li, J., Lin, Y., Shi, K., and Liu, Q., Designing Stable Electrode Interfaces from a Pyrrolidine-Based Electrolyte for Improving LiNi0.8 Co 0.1Mn0.1 O 2 Batteries, Ind. Eng. Chem. Res., 2022, vol. 61, p. 14173.
  9. del Bosque, A., Muñoz, B.K., Sánchez, M., and Ureña, A., Thermomechanically Robust Ceramic/Polymer Nanocomposites Modified with Ionic Liquid for Hybrid Polymer Electrolyte Applications, ACS Appl. Energy Mater., 2022, vol. 5, p. 4247.
  10. Li, M., Liao, Y., Liu, Q., Xu, J., Sun, P., Shi, H., and Li, W., Application of the Imidazolium Ionic Liquid Based Nano-Particle Decorated Gel Polymer Electrolyte for High Safety Lithium Ion Battery, Electrochim. Acta, 2018, vol. 284, p. 188.
  11. Khatmullina, K.G., Slesarenko, N. A., Chernyak, A.V., Baymuratova, G.R., Yudina, A.V., Berezin, M.P., Tulibaeva, G.Z., Slesarenko, A.A., Shestakov, A.F., and Yarmolenko, O.V., New Network Polymer Electrolytes Based on Ionic Liquid and SiO2 Nanoparticles for Energy Storage Systems, Membranes, 2023, vol. 13, p. 548.
  12. Slesarenko, N.A., Chernyak, A.V., Khatmullina, K.G., Baymuratova, G.R., Yudina, A.V., Tulibaeva, G.Z., Shestakov, A.F., Volkov, V.I., and Yarmolenko, O.V., Nanocomposite Polymer Gel Electrolyte Based on TiO2 Nanoparticles for Lithium Batteries, Membranes, 2023, vol. 13, p. 776.
  13. Баймуратова, Г.Р., Хатмуллина, К.Г., Юдина, А.В., Ярмоленко, О.В. Дизайн твердотельного литиевого аккумулятора c LiFePO4-катодом и полимерным гель- электролитом с наночастицами диоксида кремния. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 188. [Baymuratova, G.R., Khatmullina, K.G., Yudina, A.V., and Yarmolenko, O.V., Design of a Solid-State Lithium Battery Based on LiFePO4 Cathode and Polymer Gel Electrolyte with Silicon Dioxide Nanoparticles, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 329.]
  14. Wu, J.-Y., Ling, S.-G., Yang, Q., Li, H., Xu, X.-X., and Chen, L.-Q., Forming solid electrolyte interphase in situ in an ionic conducting Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 – polypropylene (PP) based separator for Li-ion batteries, Chin. Phys. B, 2016, vol. 25, A. 078204.
  15. Gao, H., Xue, L., Xin, S., Park, K., and Goodenough, J.B., A plastic-crystal electrolyte interphase for all-solid-state sodium batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, vol. 56, p. 5541.
  16. Basile, A., Bhatt, A., and O’Mullane, A., Stabilizing lithium metal using ionic liquids for long-lived batteries, Nat. Commun., 2016, vol. 7, Article no. ncomms 11794.
  17. Budi, A., Basile, A., Opletal, G., Hollenkamp, A.F., Best, A.S., Rees, R.J., Bhatt, A.I., O’Mullane, A.P., and Russo, S.P., Study of the initial stage of solid electrolyte interphase formation upon chemical reaction of lithium metal and N-methyl-N-propyl-pyrrolidinium-bis(fluorosulfonyl)imide, J. Phys. Chem. C, 2012, vol. 116, p. 19789.
  18. Ярмоленко, О.В., Юдина, А.В., Игнатова, А.А., Шувалова, Н.И., Мартыненко, В.М., Богданова, Л.М., Черняк, А.В., Забродин, В.А., Волков, В.И. Новые полимерные электролиты состава диакрилат полиэтиленгликоля – LiBF4 – тетрафторборат 1-этил-3-метилимидазолия с введением алкиленкарбонатов. Известия АН. Сер. хим. 2015. Т. 64. С. 2505. [Yarmolenko, O.V., Yudina, A.V., Ignatova, A.A., Shuvalova, N.I., Martynenko, V.M., Bogdanova, L.M., Chernyak, A.V., Zabrodin, V.A., and Volkov, V.I., New polymer electrolytes based on polyethylene glycol diacrylate–LiBF4–1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate with the introduction of alkylene carbonates, Russ. Chem. Bull. (Int. Ed.), 2015, vol. 64, p. 2505.]

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Impedance plots of Li//Li cells at 20°C with electrolytes PE (1), PE* (2), NPE (3) and NPE* (4), where * are treated with 1M LiTFSI in DOL/DME, and the corresponding equivalent circuit.

Download (124KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Impedance hodographs of Li//Li cells in the temperature range from –30 to 80°C with PE (a) and NPE (b) electrolytes without treatment, with PE* (c) and NPE* (d), treated with 1M LiTFSI in DOL/DME.

Download (268KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Characteristics of Li//LiFePO4 cells with PE* (1) and NPE* (2), where (a) charge-discharge profiles for the 5th cycle, (b) dependence of the cathode discharge capacity for cells with PE* (1) and NPE* (2) on the cycle number at a current density of 17 mA/g in the range of 2.6–3.8 V.

Download (106KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».