CALCULATION OF THE ELECTRODE REACTION RATE ON A GRAPHITE CATHODE OF ALUMINUM-ION BATTERY WITH 1-ETHYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM CHLORIDE

K. V. Druzhinin; Дружинин К. В.; A. S. Kukin; Кукин А. С.; K. Yu. Balakin; Балакин К. Ю.

doi:10.31857/S0235010623050043

Вычисление предельной скорости электродной реакции на графитовом электроде алюминий-ионного источника тока с 1-этил-3-метилимидазолхлоридом

Авторы: Дружинин К.В.¹^,2, Кукин А.С.², Балакин К.Ю.¹
Учреждения:
1. Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН
2. Институт новых материалов и технологий Уральского федерального университета
Выпуск: № 5 (2023)
Страницы: 502-512
Раздел: Статьи
URL: https://bakhtiniada.ru/0235-0106/article/view/141796
DOI: https://doi.org/10.31857/S0235010623050043
EDN: https://elibrary.ru/UZXFDK
ID: 141796

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В рамках подхода стандартной химической кинетики предложен способ определения предельной скорости сорбции хлоралюминатных комплексов на графитном материале, как основной катодной реакции в алюминий-ионных источниках тока с ионной жидкостью в качестве электролита. Способ применен к описанию скорости одноэлектронной катодной реакции, представляемой, как сорбция/десорбция комплексов на электродной поверхности без учета миграции в межслоевом пространстве графита. Экспериментальная часть основана на подборе условий измерений и соотношения компонентов измерительной ячейки таким образом, чтобы скорость катодного процесса задавала скорость генерации тока элементом в целом. При соблюдении этого условия скорость подвода/отвода электронов, как участников реакции можно связать непосредственно со скоростью реакции на графите. В этом случае точка выхода на предельный ток на поляризационной кривой будет означать предельную скорость реакции хемосорбции. В рамках подхода учтено влияние других лимитирующих процессов – скорость отвода/подвода электронов, скорость отвода/подвода ионов в/из объема электролита, скорость анодного растворения/осаждения алюминия. Рассчитанная величина скорости реакции для графитного материала марки ЕС-02 и низкотемпературной ионной жидкости 1-этил-3-метилилмидазолхлорида в смеси с хлоридом алюминия (1 : 1.3) составила 46 мкмоль/см²· с.

Ключевые слова

алюминий-ионный источник тока, углеродный катод, скорость электродной реакции

Список литературы

Muldoon J., Bucur C.B., Gregory T. Quest for nonaqueous multivalent secondary batteries: magnesium and beyond // Chem. Rev. 2014. 114. № 23. P. 11 683–11 720.
Licht S. Marsh C. A Novel aqueous aluminum/ferricyanide battery // J. Electrochem. Soc. 1992. 139. № 12. P. L109–L111.
Lee S., Cho J. Critical requirements for rapid charging of rechargeable Al- and Li-ion batteries // Angew. Chem., Int. Ed. 2015. 54. № 33. P. 9452–9455.
Zafar Z.A., Imtiaz S., Razaq R., Ji S., Huang T., Zhang Z., Huang Y., Anderson J.A. Cathode materials for rechargeable aluminum batteries: current status and progress // J. Mater. Chem. A. 2017. 5. P. 5646–5660.
Fouletier M., Armand M. Electrochemical method for characterization of graphite-aluminium chloride intercalation compounds // Carbon. 1978. 17. P. 427–429.
Gao Y., Zhu C., Chen Z., Gang L. Understanding ultrafast rechargeable aluminum-ion battery from first-principles // J. Phys. Chem. C. 2017. 121. P. 7131–7138.
Gifford R., Palmisano B. An aluminum/chlorine rechargeable cell employing a room temperature molten salt electrolyte // J. Electrochem. Soc. 1987. 134. P. 650–654.
Lin M.-C., Gong M., Lu B., Wu Y., Wang D.-Y., Guan M., Angell M., Chen C., Yang J., Hwang B.-J., Dai H. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery // Nature. 2015. 520. № 7547. P. 324–328.
Sun H., Wang W., Yu Z., Yuan Y., Wang S., Jiao S. A new aluminium-ion battery with high voltage, high safety and low cost // Royal Soc. Chem. 2015. 65. P. 15–18.
Jung S.C., Kang Y.-J., Yoo D.-J., Choi J.W., Han Y.-K. et al. Flexible few-layered graphene for the ultrafast rechargeable aluminum-ion battery // J. Phys. Chem. C. 2016. 120. № 25. P. 13384–13389.
Wu M., Xu B., Chen L.Q., Ouyang C. Geometry and fast diffusion of AlCl4 cluster intercalated in graphite // El. Acta. 2016. 195. P. 158–165.
Pham H.D., Horn M., Fernando J.F.S., Patil R., Phadatare M., Golberg D., Olin H., Dubal D.P. Spent graphite from end-of-life Li-ion batteries as a potential electrode for aluminium ion battery // Sus. Mater. Tech. 2020. 26. P. e00230-1–e00230-6.
Wu Y., Gong M., Lin M.-C., Yuan C., Angell M., Huang L., Wang D.-Y., Zhang X., Yang J., Hwang B.-J., Dai H. 3D graphitic foams derived from chloroaluminate anion intercalation for ultrafast aluminum-ion battery // Adv. Mater. 2016. 28. P. 9218–9222.
Wang D.-Y., Wei C.-Y., Lin M.-C., Pan C.-J., Chou H.-L., Chen H.-A., Gong M., Wu Y., Yuan C. et al. Advanced rechargeable aluminium ion battery with a high-quality natural graphite cathode // Nat. Commun. 2017. 8. P. 14283.
Agiorgousis M.L., Sun Y.-Y., Zhang S. The role of Ionic Liquid electrolyte in an aluminum–graphite electrochemical cell // ACS Energy Lett. 2017. 2. P. 689–693.
Jiao H., Wang C., Tu J., Tian, D., Jiao S. A rechargeable Al-ion battery: Al/molten AlCl3–urea/graphite // Chem. Commun. 2017. 53. P. 2331–2334.