Новости космоса и технологий. » Химия » Слои пассивирования на основе бората позволяют использовать обратимые кальциевые батареи

Слои пассивирования на основе бората позволяют использовать обратимые кальциевые батареи

Опубликовал: Admin, 29-09-2020, 01:01, Химия, 69, 0


Слои пассивирования на основе бората позволяют использовать обратимые кальциевые батареи
2 Электролит на основе) не позволяет наносить покрытие /удалять кальций. (Справа) Пассивирующий слой на основе бората (сформированный в Ca (BF 4 ) 2 на основе электролита) позволяет наносить покрытие /снимать кальций. Была разработана процедура предварительной пассивации кальциевого электрода, позволяющая осуществлять покрытие Ca в Ca (TFSI) 2 На основе электролита. Затем была продемонстрирована более быстрая кинетика нанесения покрытия /снятия изоляции благодаря отсутствию контактных ионных пар ». width = "406" height = "204"> Исследование опубликовано в журнале Энергетика и экология объединил экспериментальные и теоретические подходы к изучению пассивирующих слоев, образующихся на электродах из металлического кальция, и их влияния на обратимую работу батарей на основе кальция. Работой руководят исследователи из ICMAB-CSIC, которые сотрудничали с синхротроном ALBA (канал MIRAS), а также с другими международными лабораториями и университетами.

А аккумулятор состоит из трех основных компонентов: двух электродов (анода и катода), разделенных электролитом. Изучение границы раздела между электролитом и электродами имеет решающее значение в случае обратимых аккумуляторов, которые постоянно подвергаются процессу заряда /разряда.

Теперь исследователи из Института материаловедения Барселоны (ICMAB-CSIC) в сотрудничестве с исследователями из синхротрона ALBA (луч MIRAS), Лаборатории реактивности и химии солид (LRCS, Амьен, Франция), Института наук Analytiques et de Physico-Chimie pour l'environnement et les matériaux (IPREM, По, Франция) и Национальный университет Сингапура (NUS) проанализировали слои пассивации, сформированные на кальций металлические электроды и их влияние на обратимую работу кальциевых батарей.

Металлический кальций как материал для аккумуляторов нового поколения

Разработка аккумуляторов большой емкости имеет решающее значение для перехода от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии. Поскольку существуют серьезные сомнения в устойчивости литий-ионных аккумуляторов в этом контексте, в настоящее время проводятся исследования нескольких технологий следующего поколения. Для разработки нового химического состава батарей с высокой плотностью энергии и длительным сроком службы требуются материалы анода и катода с повышенной емкостью и цикличностью.

Металлический кальций имеет теоретическую гравиметрическую емкость примерно в 36 раза выше, чем нынешний графитовый анод, используемый в литий-ионных батареях. Его высокая емкость в сочетании с высокой восстанавливающей способностью делает металлический кальций отличным кандидатом в качестве анодного материала для батарей следующего поколения.

Тем не менее, применение анода из металлического кальция сильно ограничено из-за отсутствия растворов электролита, позволяющих его обратимый режим работы. Поскольку электролит находится в постоянном контакте как с анодом, так и с катодом, межфазные процессы являются ключевыми в обратимом заряде /разрядке аккумулятора.

2 (Электролит без ионных пар; красная кривая) или Ca (BF 4 ) 2 (Электролит с ионными парами; синяя кривая) электролиты. На вставках показаны предлагаемые структуры сольватации катионов в каждом электролите, которые, как ожидается, будут ответственны за различие в электрохимическом поведении между два электролита. ">

Формирование пассивирующих слоев на анодах из металлического кальция

Именно благодаря своей высокой восстанавливающей способности раствор электролита имеет тенденцию вступать в реакцию при контакте с металлическим кальцием, образуя нерастворимые соединения, которые накапливаются на поверхности электрода. В идеальном случае эти продукты разложения электролита образуют покрывающий слой, допускающий наличие Ca 2+ миграции, но предотвращая дальнейшее разложение электролита, тем самым образуя стабильную межфазную фазу твердого электролита (SEI).

Наличие такого слоя SEI по существу не является вредным для работы батареи. Напротив, его правильная работа обеспечивает долгий срок службы, как это наблюдается у коммерческих литий-ионных батарей. Однако, учитывая двухвалентный заряд Ca 2+ Создание подходящего слоя кальция SEI является открытой проблемой для этой технологии.

В этом исследовании, опубликованном в Энергетика и экология , авторы предоставляют первое подробное описание пассивирующего слоя на основе бората (или SEI), сформированного на металлическом кальции, с учетом миграции двухвалентных катионов и обратимого действия металла.

ИК-спектроскопия (выполняется на канале MIRAS, синхротрон ALBA), XPS (выполняется в IPREM) и TEM-EELS (выполняется в LRCS) позволяет определить химический состав пассивирующего слоя и продемонстрировать присутствие боратов CaF 2 и органические (полимерные) частицы при использовании Ca (BF 4 ) 2 электролита, тогда как при использовании контрольного электролита без бора (Ca (TFSI) 2 ) основными компонентами были карбонаты.

«Мы заметили, что электролит, содержащий Ca (BF 4 ) 2 , Образует слой SEI, богатый органическими соединениями и содержащий боратные частицы, в основном[BO3]Составляющие. Присутствие таких боровых фрагментов является решающим для транспорта Ca 2+ , поскольку контрольный электролит, без какого-либо источника бора, создавал блокирующий слой SEI, который останавливает электрохимический отклик металлического электрода ", - объясняет Хуан Фореро-Сабойя, исследователь ICMAB и первый автор статьи.

Идентификация видов боратов как ответственных за перенос ионов кальция - первый шаг на пути инженерии SEI. «Понимание химической природы этих пассивирующих пленок и возможность их создания имеет решающее значение для будущих разработок батарей на основе кальций-металл и других двухвалентных металлов», - добавляет Фореро-Сабоя.

В связи с этим авторы также представляют доказательство концепции, показывающее, что борат - богатый пассивирующий слой гарантирует электрохимический отклик в различных электролитных средах. Тестирование различных растворов электролитов с предварительно пассивированными электродами из металлического кальция выявило тесную взаимосвязь между кинетикой металлизации /снятия покрытия (связанной с энергетическими характеристиками металлического анода) и структурой сольватации катионов в растворе.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии