الکترولیت موضعی بر پایه هگزاندیئول برای استفاده در باتری روی-یون آبی
محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولید
1 - استادیار، دانشکده مهندسی متالورژی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران.
کلید واژه: باتری روی-یون, الکترولیت موضعی, ساختار حل‌شوندگی, هگزاندیئول,
چکیده مقاله :
الکترولیت‌های فوق‌غلیظ با پنجره‌پایداری‌الکتروشیمیایی بالا و ایمنی بیشتر دستاورد بزرگی در باتری‌های آبی بوده است. بااین‌حال نفوذ‌کند یون‌های فلزی مانند روی در این الکترولیت‌ها و هزینه بالای تولید، باعث شده است عملکرد آن‌ها در باتری‌های عملی با محدودیت زیادی روبه‌رو شود. به‌منظور مقابله با این مشکلات، از حلال‌های آلی به‌عنوان رقیق‌کننده می‌توان استفاده کرد که علاوه بر کاهش هزینه تولید، باعث بهبود ساختار حل‌شوندگی و درنتیجه سینتیک باتری می‌شود. در این پژوهش، خواص فیزیکوشیمیایی الکترولیت موضعی 10 مولال کلرید روی رقیق‌شده با نسبت‌های وزنی مختلف هگزاندیئول بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد با افزایش این نسبت وزنی از 1:1 الکترولیت خاصیت اشتعال‌پذیری پیدا کرده و قابل‌استفاده در باتری‌های عملی باامنیت بالا نخواهد بود. درسوی دیگر، افزودن رقیق‌کننده به الکترولیت فوق غلیظ 10 مولال کلرید روی باعث کاهش ویسکوزیته خواهد شد که تأثیر بسزایی در سینتیک باتری خواهد داشت. در نسب وزنی 1:1 ویسکوزیته برابر با mm2/s 8/17 بوده است در حالی نمونه رقیق‌نشده ویسکوزیته برابر با mm2/s 6/27 از خود نشان داده است. استفاده از رقیق‌کننده باعث افزایش پنجره پایداری الکتروشیمیایی شده و به حدود V 41/3 نیز خواهد رسید که دلیل آن تغییر در ساختار حل‌شوندگی الکترولیت است. این تغییرات به‌خوبی با آزمون طیف‌سنجی رامان بررسی شده‌اند. رفتار الکتروشیمیایی الکترولیت با الکترود CuHCF مورد ارزیابی قرار گرفته شده است. باتری در الکترولیت موضعی ظرفیت اولیه حدود mAh/g 51 و حفظ ظرفیت %53 را از خود نشان داده است در حالی که حفظ ظرفیت در الکترولیت رقیق‌نشده تنها %13 درصد بوده است.
High-concentration electrolytes with a wide electrochemical stability window and improved safety have been a significant advancement in the field of aqueous batteries and capacitors in recent years. However, the sluggish diffusion of metal ions such as lithium, magnesium, and zinc in these electrolytes, along with their high production costs, has limited their performance in practical applications. To overcome these challenges, organic solvents can be used as diluents, reducing production costs and improving solubility and battery kinetics. In this study, the physicochemical properties of a localized 10 m zinc chloride electrolyte diluted with various weight ratios of hexanediol were investigated. The results indicate that a weight ratio of hexanediol above 1:1 makes the electrolyte flammable, making it unsuitable for high-security batteries. Conversely, adding a diluent to the high-concentrated 10 m zinc chloride electrolyte reduces viscosity, significantly enhancing battery kinetics. At a 1:1 weight ratio, the viscosity was 17.8 mm²/s, compared to 27.6 mm²/s for the undiluted sample. Using a diluent also increased the electrochemical stability window to approximately 3.41 V, due to changes in the electrolyte's solubility structure, as confirmed by Raman spectroscopy. The electrochemical behavior of the electrolyte was evaluated with a CuHCF working electrode, showing an initial capacity of about 51 mAh/g and a capacity retention of 53%, compared to only 13% for the undiluted electrolyte.
[1] Q. Liu, H. Wang, C. Jiang, and Y. Tang, "Multi-ion strategies towards emerging rechargeable batteries with high performance," Energy Storage Materials, vol. 23, pp. 566-586, 2019.
[2] M. Adil, A. Sarkar, A. Roy, M. R. Panda, A. Nagendra, and S. Mitra, "Practical aqueous calcium-ion battery full-cells for future stationary storage," ACS applied materials & interfaces, vol. 12, no. 10, pp. 11489-11503, 2020.
[3] S. Gheytani et al., "An aqueous Ca‐ion battery," Advanced Science, vol. 4, no. 12, p. 1700465, 2017.
[4] K. Xu, "Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries," Chemical reviews, vol. 104, no. 10, pp. 4303-4418, 2004.
[5] Y. Yamada, J. Wang, S. Ko, E. Watanabe, and A. Yamada, "Advances and issues in developing salt-concentrated battery electrolytes," Nature Energy, vol. 4, no. 4, pp. 269-280, 2019.
[6] H. Gao et al., "Recent advances in “water in salt” electrolytes for aqueous rechargeable monovalent-ion (Li+, Na+, K+) batteries," Journal of Energy Chemistry, vol. 69, pp. 84-99, 2022.
[7] L. Wang, J. Bao, Q. Liu, and C.-F. Sun, "Concentrated electrolytes unlock the full energy potential of potassium-sulfur battery chemistry," Energy Storage Materials, vol. 18, pp. 470-475, 2019.
[8] A. Bouibes, S. Saha, and M. Nagaoka, "Theoretically predicting the feasibility of highly-fluorinated ethers as promising diluents for non-flammable concentrated electrolytes," Scientific reports, vol. 10, no. 1, p. 21966, 2020.
[9] P. Jaumaux et al., "Localized water‐in‐salt electrolyte for aqueous lithium‐ion batteries," Angewandte Chemie International Edition, vol. 60, no. 36, pp. 19965-19973, 2021.
[10] R. Y. Wang, C. D. Wessells, R. A. Huggins, and Y. Cui, "Highly reversible open framework nanoscale electrodes for divalent ion batteries," Nano letters, vol. 13, no. 11, pp. 5748-5752, 2013.
[11] D. H. Jeon, "Wettability in electrodes and its impact on the performance of lithium-ion batteries," Energy storage materials, vol. 18, pp. 139-147, 2019.
[12] R. J. H. Clark, Advances in infrared and Raman spectroscopy. 1983.
[13] Q. Du, E. Freysz, and Y. R. Shen, "Vibrational spectra of water molecules at quartz/water interfaces," Physical Review Letters, vol. 72, no. 2, p. 238, 1994.
[14] F. Li, Z. Men, S. Li, S. Wang, Z. Li, and C. Sun, "Study of hydrogen bonding in ethanol-water binary solutions by Raman spectroscopy," Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, vol. 189, pp. 621-624, 2018.
[15] H. Tomiyasu, H. Shikata, K. Takao, N. Asanuma, S. Taruta, and Y.-Y. Park, "An aqueous electrolyte of the widest potential window and its superior capability for capacitors," Scientific reports, vol. 7, no. 1, p. 45048, 2017.
[16] D. R. Shankaran and S. S. Narayanan, "Characterization and application of an electrode modified by mechanically immobilized copper hexacyanoferrate," Fresenius' journal of analytical chemistry, vol. 364, pp. 686-689, 1999.