Alicja Puczyłowska Streszczenia

Synteza i charakterystyka nowych boranowych soli litu
do zastosowania w elektrolitach polimerowych
Alicja Puczyłowska
Kierujący pracą: dr inż. Ewa Zygadło- Monikowska
Opiekun naukowy pracy: mgr inż. Justyna Ostrowska
Wprowadzenie
Współczesny rozwój w dziedzinie elektrotechniki pociąga za sobą zapotrzebowanie
na baterie nowej generacji: bardziej wydajne, o większej pojemności, charakteryzujące się
większym bezpieczeństwem użytkowania oraz zdolne do wielokrotnych cykli ładowania
i rozładowania bez znacznej utraty pojemności [1]. Do takich urządzeń obecnie można
zaliczyć baterie litowo-jonowe. Typowa bateria litowo-jonowa składa się z dwóch
elektrod: katody i anody, dwóch kolektorów prądowych oraz elektrolitu, który tworzy sól
litowa rozpuszczona w ciekłych aprotonowych rozpuszczalnikach organicznych [2].
Trwające od wielu lat badania dążą do ograniczenia niebezpieczeństwa wycieku elektrolitu
oraz zmniejszenia masy i objętości omawianych baterii przy zachowaniu ich dobrych
właściwości elektrochemicznych. Korzystnym rozwiązaniem tych problemów okazało się
zastosowanie żelowych elektrolitów polimerowych, między innymi przez takie firmy jak
SANYO Electric Co. czy Sony [3]. Dalszym postępem w rozwoju baterii byłaby całkowita
eliminacja rozpuszczalników z ich wnętrza poprzez zastosowanie stałych elektrolitów
polimerowych. Projekt ten jednak pozostaje na razie jedynie w sferze badań ze względu
na ich zbyt niską przewodność jonową [4]. Problem ten próbuje się rozwiązać między
innymi przez syntezę nowych soli litowych. Wiele uwagi poświęca się obecnie solom
boranowym, takim jak szczawianoborany litu (LiBOB, LiODFB) [5]. W swojej pracy
postanowiłam zsyntezować analog takich soli, fluorohydroksy(szczawiano)boran litu
i scharakteryzować jego właściwości fizyczne oraz przewodzące.
Wyniki i dyskusja
Przeprowadziłam reakcję pomiędzy alkoholem metylowym, eteratem fluorku boru
i butylolitem w wyniku, której uzyskałam – trifluoro(metoksy)boran litu. Następnie
poddając
go
procesowi
hydrolizy uzyskałam
nową boranową sól
–
trifluoro(hydroksy)boran litu. Budowę otrzymanej soli potwierdziłam spektralnie.
H
H3C
OH
+ BF3
H3C
O
+
F
F
B
F
F
+
n-BuLi
-BuH
H3C
O
B
F
F
F
Li
+
H 2O
H
O
B
F
F
Li
+
Na
kolejnym
etapie
pracy
przeprowadziłam
syntezę
fluorohydroksy(szczawiano)boranu litu w reakcji otrzymanego trifluoro(hydroksy)boranu
litu z kwasem szczawiowym i czterochlorkiem krzemu według następującego schematu:
O
2
HO
+
OH
SiCl 4
+2
H
O
B
O
O
F
O
F
Li
+
DMC
2O
O Li
+
+
SiF 4
+ 4 HCl
B
F
F
OH
Wydzieloną sól oczyściłam poprzez krystalizację. Budowę produktu tej reakcji
scharakteryzowałam przez wykonanie widm 1H, 19F, 11B NMR oraz FTIR. Dodatkowo
zbadałam właściwości termiczne obydwu otrzymanych związków litu wykonując analizę
DSC. Wyznaczyłam przewodność jonową soli HOBF3Li oraz Li[HO(F)B(C2O4)] w formie
roztworów w mieszaninie węglanów: etylenu, propylenu i dimetylu (EC/PC/DMC),
wszystkie próbki wykazywały wysoką przewodność, rzędu 10-3 S cm-1 w temperaturze
pokojowej. Zmierzyłam przewodność jonową mieszanin Li[HO(F)B(C2O4)] z LiBF4
w stosunku molowym 1:1 w roztworach w EC/PC/DMC. Wyniki wskazują, że elektrolity
w postaci mieszanin charakteryzują się bardzo podobną przewodnością jonową w całym
badanym zakresie temperatur, której wartości są nieco wyższe niż dla czystych soli
szczawianowych. Wykonałam stały elektrolit polimerowy z udziałem HOBF3Li oraz
poli(tlenku etylenu), jako matrycy polimerowej. Pomiar przewodności wykazał, że sól
HOBF3Li w stałych elektrolitach polimerowych tak jak i we wcześniej omawianych
ciekłych elektrolitach charakteryzuje się wyższą przewodnością jonową w całym zakresie
temperatur w stosunku do układów z LiBF4.
Wnioski
Przeprowadzone przeze mnie badania wykazały możliwość otrzymania stabilnej
soli litowej [HOBF3]Li w wyniku hydrolizy trifluoro(metoksy)boranu litu. Sól ta
zastosowana w reakcji z kwasem szczawiowym i SiCl4 pozwala na zamknięcie
pięcioczłonowego pierścienia szczawianoboranowego, jako anionu soli litowej, podobnie
do reakcji z udziałem LiBF4. Otrzymany związek charakteryzuje się stosunkowo dużą
stabilnością termiczną i hydrolityczną oraz wykazuje wysoką przewodność jonową. Cechy
te predestynują Li[HO(F)B(C2O4)] do zastosowania w badaniach nad nowymi
elektrolitami do ogniw litowo-jonowych.
Literatura
[1] K. Shukla, T. P. Kumar, Current Science 94 (2008) 314
[2] B. Scrosati, J. Garche, J. Power Sources 195 (2010) 2419
[3] W. A. Schalkwijk, B. Scrosati, Advances In Lithium - Ion Baterries, Kluwer Academic
Publishers (2002)
[4] K. Murata, S. Izuchi, Y. Yoshihisa, Electrochim. Acta 45 (2000) 150
[5] S. S. Zhang, Electrochem. Commun. 8 (2006) 1423
[6] E. Zygadło - Monikowska, Z. Florjańczyk, P. Kubisa, T. Biedroń, A. Tomaszewska,
J. Ostrowska, N. Langwald, J. Power Source 195 (2010) 6202