Deriváty 1,2,3-triazolu jako potenciální elektrolyty pro Li-iontové baterie

Bc. Tomáš Černý

Master's thesis

1,2,3-Triazole derivatives as potential electrolytes for Li-ion batteries

Anotácia:

Lithium iontová baterie (LIB) v současnosti reprezentuje jednu z nejperspektivnějších technologií pro uchovávání elektrické energie. Na poli dobíjecích akumulátorů zaujímají LIB výsostné postavení díky mimořádným vlastnostem, jako jsou vysoká energetická hustota a nominální napětí, vysoký počet dobíjecích cyklů, bezpečnost a spolehlivost. Jednou ze základních komponent každé LIB je elektrolyt, který plní roli transportního média Li+ iontů mezi oběma elektrodami. Komerční LIB nejčastěji využívají kapalný elektrolyt tvořený anorganickou lithnou solí LiPF6, která je rozpuštěna v bezvodém polárním aprotickém rozpouštědle (typicky směs karbonátů). Nicméně tato původní koncepce lithného elektrolytu již dosáhla svých technologických limitů a rovněž začíná být nevyhovující z pohledu nízké hydrolytické a termální stability LiPF6. Perspektivní výzkumnou cestu, která eliminuje výše zmíněné nedostatky anorganických elektrolytů, představují organické lithné soli. V této oblasti se těší popularitě především anionty Hückelova typu, tedy lithné soli odvozené od heteroaromatických N-kyselin na bázi imidazolu či 1,2,3-triazolu. Rešeršní část této diplomové práce čtenáře blíže seznamuje s historickým vývojem dobíjecích LIB, představuje základní součásti článku a principy jeho fungování. Klíčové pasáže jsou pak věnovány (an)organickým elektrolytům v LIB a jejich vlastnostem. Pozornost je zaměřena hlavně na elektrolyty odvozené od aniontů Hückelova typu a na jejich chování v rozpouštědlových systémech. Závěrečná kapitola se pak zabývá elektronovými vlastnostmi 1H 1,2,3-triazolu a možnostmi syntézy tohoto heteroaromatického kruhu. V rámci experimentální části této diplomové práce bylo navrženo a úspěšně syntetizováno celkem 17 lithných solí (z toho 12 nových) odvozených od základního 1,2,3-triazolu, dále benztriazolu a 4 fenyl-1,2,3-triazolu. Využité syntetické cesty zahrnovaly zejména diazotaci 1,2-diaminů, Henryho reakci, cyklokondenzaci -nitrostyrenů s NaN3 a finální neutralizaci N-kyselin pomocí MeOLi. Struktura a čistota všech meziproduktů i cílových lithných solí byla ověřena pomocí dostupných analytických metod (NMR, EI-MS, HR-MALDI-MS, IČ). Závěrem byla měřena rozpustnost cílových lithných solí ve vybraných polárních aprotických rozpouštědlech.

Abstract:

Lithium-ion battery (LIB) represents one of the most promising technologies for electrical energy storage today. In the field of rechargeable batteries, LIBs occupy a privileged position due to their outstanding characteristics such as high energy density and nominal voltage, high number of recharge cycles, safety and reliability. The electrolyte is as one of the most important components of any LIB and enables the transport of Li+ ions between both electrodes. Commercial LIBs are commonly based on a liquid electrolyte consisting of the inorganic lithium salt (LiPF6) dissolved in an anhydrous polar aprotic solvent (typically a mixture of carbonates). However, this original concept of lithium electrolyte has reached its technological limits and it is also becoming unsatisfactory in terms of low hydrolytic and thermal stability. Nowadays, organic lithium salts represent a promising approach that addresses the abovementioned shortcomings of inorganic electrolytes. In this field, Hückel-type anions, i.e. lithium salts derived from heteroaromatic N-acids based on imidazole or 1,2,3 triazole, are particularly popular. The introduction part of this thesis focuses on the historical development of LIBs, describing the basic components of the cell and the principles of its operation. Key passages are devoted to the (an)organic electrolytes in LIBs and their features. The electrolytes derived from Hückel-type anions and their behavior in solvent systems are thoroughly elucidated. The final chapter describes the electronic properties of 1H-1,2,3-triazole and the possibilities of synthesis of this heteroaromatic ring. In the experimental part of this thesis, 17 lithium salts (12 new) derived from the 1,2,3-triazole, benzotriazole, and 4-phenyl-1,2,3-triazole were designed and successfully synthesized. The synthetic routes mainly involved a diazotation of 1,2-diamines, Henry reaction, cyclocondensation of -nitrostyrenes with NaN3, and final neutralization of N-acids by MeOLi. The structure and purity of all intermediates as well as target lithium salts were verified by available analytical methods (NMR, EI-MS, HR MALDI-MS, IR). Finally, the solubility of the target lithium salts in selected polar aprotic solvents was specified.

Kľúčové slová

Lithium iontová baterie, organický elektrolyt, Hückelovy anionty, 1H-1, 2, 3-triazol, LiDCTA

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 9. 5. 2024

Zverejniť od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: Ing. Milan Klikar, Ph.D.

University of Pardubice

Faculty of Chemical Technology

Master programme / odbor:
Organic Chemistry and Technology / Organic Chemistry