CC BY
24
УДК 544.421.42:536.755
1* 2 2 1 Е. М. Новаев , И. А. Липатова , Е.С. Давыдова В.Т. Новиков
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Объединенный институт высокотемпературных материалов РАН, Москва, Россия 125416, Москва, ул. Ижорская, д. 13 * e-mail: egornovaev@mail.ru
РАЗРАБОТКА ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА Al-ИОННОГО АККУМАЛЯТОРА
С целью повышения емкости положительного электрода Al-ионного аккумулятора, в работе методом циклической вольтамперометрии в электролите состава бутилметилимидазолия хлоридМ.Ю3 были исследованы свойства углеродных материалов различной структуры, таких как многостенные нанотрубки, порошок графита и активированный уголь.
Ключевые слова: алюминий-ионный аккумулятор, углеродные материалы, интеркаляция.
Актуальность создания алюминий-ионных аккумуляторов, при прочих близких условиях -удельной электрической емкости (до 300 А-ч/кг) и энергоемкости (до 600 Вт-ч/кг) - прежде всего, определяется их стоимостью, а также безопасностью производства и эксплуатации. Предполагаемый принцип устройства алюминий-ионных
аккумуляторов представлен на рис. 1.
Разряд батареи
А12С17 ЕМ1+
А| + 7А1С14 — 4А12С17 + Зе" Сп[А1Су + е" —► С„ + А1С1"
Рис. 1. Разрядный цикл ЛЬионного аккумулятора с металлическим алюминиевым отрицательным, графитовым положительным электродом. Электролит: А1С13/ЕМ1С [1] Проведённые в течение нескольких последних лет исследования по перезаряжаемым А1-батареям выявили ряд сдерживающих развитие технологии проблем, включающих механическое разрушение катода, низкое напряжение разряда, низкие ёмкостные характеристики и малое число циклов заряда/разряда с быстрым падением ёмкости.
Центральной задачей, решение которой позволит повысить энергоемкость устройства и его стабильное функционирование, является разработка
высокоемкостного материала для положительного электрода алюминий-ионного аккумулятора, обладающего высокой интеркаляционной емкостью по отношению к алюминий-содержащим компонентам электролита. Известно, что теоретическая емкость алюминия, применяемого в качестве отрицательного электрода, составляет 2980 А-ч/кг против 370 А-ч/кг для графита в качестве положительного электрода при
условии интеркаляционного механизма
функционирования последнего.
Также одной из важных задач является подбор токоотвода. Al-ионный аккумулятор потенциально способен выдавать напряжение порядка 2 В, поэтому необходимо подобрать токоотвод, который при таком напряжении, не будет взаимодействовать с электролитом. Было решено провести электрохимический эксперимент, реализованный при комнатной температуре в герметичной не термостатируемой трехгорлой трехэлектродной ячейке без разделения электродных камер, электрод сравнения и вспомогательный электрод выполнены из Al фольги. Электролит - бутилметилимидазолия хлорид + AlCl3 (мольное соотношение 1:2). Сборка и заливка электролита производились в перчаточном боксе. В качестве рабочего электрода (исследуемого токоотвода) были представлены такие материалы, как Cu, Ni, Pt, Au, Ti, нержавеющая сталь и тонкослойный графлекс (ТРГ с наполнителем). Из всех предложенных материалов только графлекс показал удовлетворительные результаты. Исследуемые металлы проявили электрохимическую активность, при высоких потенциалах происходило каталитическое разложение ионной жидкости предположительно с выделением газообразного хлора, как видно на рис. 2 на примере Ni сетки (30 mesh) и Си фольги.
Рис. 2. Циклическая вольтамперограмма на Cu (а) и Ni (б).
На рис. 3 приведены циклические вольтамперограммы (ЦВА) терморасширенного графита (графлекса), из которых видно, что в диапазоне потенциалов от 0 до 1,6 В графлекс проявляет инертность. Было решено использовать терморасширенный графит в последующей работе в качестве подложки/токоотвода рабочего электрода.
I, мА
-0.8-1
Е, мВ АI /АI
Рис. 3. Циклическая вольтамперограмма на графлексе (ТРГ с наполнителем).
Скорость развертки 5 мВ/с.
Для испытания положительного электрода использовали ту же трехэлектродную ячейку. Электрод сравнения - А1 фольга, вспомогательный электрод - А1 фольга, рабочий электрод - токоотвод (гралфлекс) + активный слой. Электролит - бутилметилимидазолия хлорид + А1С13.
Активный слой изготавливали смешением 90% углеродного материала с 10% (сух. масс.) фторопласта с последующим каландрированием до толщины —100 мкм. Для изготовления рабочего электрода полученный слой размером 1*1 см2 припрессовывали к пленке терморасширенного графита, далее подвергали вакуумной обработке при температуре 250 °С в течение 4 ч.
В качестве материалов активного слоя были исследованы многостенные нанотрубки BAYTUBES C 150 P (Bayer), порошок графита TIMREX High Surface HSAG 300 (Timcal), активированный уголь марки БАУ-А [2].
На рис. 4 представлены ЦВА трех различных рабочих электродов. На графиках наблюдаются обратимые окислительно-восстановительные процессы в области потенциалов 1200-1800 мВ, которые предположительно отвечают обратимой
интеркаляции/деинтеркаляции ионов A12C17-. Согласно рис. 4 интеркаляция анионов в нанотрубках начинается при более анодных потенциалах, что обеспечивает более высокое напряжение на Al-ионном элементе. Наибольшая площадь пика деинтеркаляции аниона наблюдается при использовании порошка графита, что свидетельствует о большей энергоемкости среди других углеродных материалов.
Е. Б
Рис. 4. Циклическая вольтамперограмма на BAYTUBES C 150 P (Bayer), HSAG 300 (Timcal), БАУ-А. Скорость развертки 5 мВ/с,
Работа выполнена при поддержке РНФ, научный проект №14-50-00124.
Новаев Егор Михайлович, студент 4 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Липатова Ирина Александровна, аспирант, кафедры Физической химии ОИВТ РАН, Россия, Москва. Давыдова Елена Станиславовна, к.х.н., старший научный сотрудник ОИВТ РАН, Россия, Москва. Новиков Василий Тимофеевич, к.х.н., профессор кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. 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 - V. 520. - Р. 324-328.
2. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. /Под общей редакцией проф. д-ра техн. наук А.В. Тарасова. - М.: Металлургия, 2000. - 352 с.
Novaev Egor Mihailovich1 *, Lipatova Irina Alexandrovna2, Davydova Elena Stanislavovna2, Novikov Vasiliy Timofeevich1
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences * e-mail: egornovaev@mail.ru
DEVELOPMENT POSITIVE ELECTRODE AL-IONIC OF THE BATTERY
Abstract. Characteristics of carbon-based materials of different structures, such as multi-wall nanotubes, graphite powders and activated charcoal in the electrolyte containing butylmethylimidazoliy chlorid/AlCl3 have been studied in order to increase capacity of a positive electrode of Al-ionic battery using cyclic voltammetry Key words: aluminum - ion accumulator, carbon materials, intercalation.
