WikiDer > Магниевый аккумулятор - Википедия

Magnesium battery - Wikipedia

Магниевые батареи батареи, которые используют магний катионов в качестве активного агента переноса заряда в растворе и в качестве элементарного анода электрохимическая ячейка. Оба неперезаряжаемые первичная ячейка и перезаряжаемый вторичная ячейка химии были исследованы. Магниевые первичные батареи были коммерциализированы и нашли применение в качестве резервных и обычных батарей.

Вторичные магниевые батареи являются активной темой исследований, в частности, как возможная замена или улучшение химический состав литий-ионных батарей в некоторых приложениях. Существенным преимуществом магниевых ячеек является их использование твердого магниевого анода, что позволяет плотность энергии конструкция ячейки, чем у лития, который во многих случаях требует вставленный литиевый анод. Также были исследованы аноды вставного типа («ион магния»).

Первичные клетки

Первичные клетки магния были разработаны с начала 20 века. Ряд химикатов для резервная батарея исследованы типы катодных материалов, в том числе хлорид серебра, хлорид меди (I), хлорид палладия (II), йодид меди (I), тиоцианат меди (I), диоксид марганца и воздуха (кислород).[1] Например, к 1943 году на рынке появилась резервная батарея хлорида серебра / магния, активируемая водой.[2]

Сухие магниевые батареи типа BA-4386 были полностью коммерциализированы, их стоимость на единицу приближалась к стоимости цинковых батарей - по сравнению с эквивалентными цинково-угольными элементами батареи имели большую емкость по объему и более длительный срок хранения. BA-4386 широко использовался в вооруженных силах США с 1968 по 1984 год, когда его заменили на литий-тионилхлоридный аккумулятор.[3][4]

Магниево-воздушный топливный элемент имеет теоретическое рабочее напряжение 3,1 В и удельную энергию 6,8 кВтч / кг. General Electric изготовил топливный элемент с магниевым воздухом, работающий в нейтральном NaCl решение еще в 1960-х гг. Воздушно-магниевый аккумулятор является первичным элементом, но его можно «заправлять» путем замены анода и электролита. Воздушно-магниевые батареи были коммерциализированы и находят применение в качестве резервных систем на суше, а также в качестве подводных источников энергии с использованием морской воды в качестве электролита.[5] В Марк 44 торпеда использует водно-активируемую магниевую батарею.

Вторичные клетки

Обзор

Магний исследуется как возможная замена или улучшение литий-ионный аккумулятор в некоторых приложениях: по сравнению с литий в качестве материала анода магний имеет (теоретическую) плотность энергии на единицу массы ниже, чем у лития (18,8 МДж / кг против 42,3 МДж / кг), но объемную плотность энергии примерно на 50% выше (32,731 ГДж / м3 против 22,569 ГДж / м3).[примечание 1][заметка 2][6] По сравнению с металлическими литиевыми анодами, магниевые аноды не проявляют дендрит формирование[7] что может позволить использовать металлический магний без вставка соединение на аноде;[заметка 3] Возможность использования магниевого анода без интеркаляционного слоя увеличивает теоретическую максимальную относительную объемную плотность энергии примерно в 5 раз по сравнению с литий-ионным элементом.[9] Кроме того, моделирование и анализ элементов показали, что батареи на основе магния могут иметь преимущество в стоимости перед литиевыми из-за обилия магния на Земле и относительной нехватки отложений лития.[6][7]

Возможность использования батареи на основе Mg была признана еще в 1990-х годах на основе V2О5, TiS2, или Ti2S4 катодные материалы и аноды из металлического магния. Однако сообщалось о наблюдении нестабильности в состоянии разряда и неопределенности относительно роли воды в электролите, ограниченного прогрессом.[10][11] О первом успешном перезаряжаемом элементе было сообщено в 2000 году на основе Mo типа Chevrel.6S8 катод с органоалюминатом магния / THF на основе электролита.[12]

По состоянию на 2018 год исследования вторичных магниевых аккумуляторов не привели к созданию коммерчески доступных аккумуляторов, с особыми проблемами, связанными с электролитами и материалами катода.[6][13] По состоянию на 2015 год препятствиями на пути к производству коммерчески полезной магниевой батареи было отсутствие продемонстрированных на практике электролитов и катодных материалов с высокой плотностью энергии для ионов магния.[6]

Исследование

Аноды и электролиты

Ключевым недостатком использования металлического магниевого анода является тенденция к образованию пассивирующего (непроводящего) слоя при подзарядке, блокирующего дальнейшую зарядку (в отличие от поведения лития);[14] Считалось, что пассивирующие слои образовались в результате разложения электролита во время восстановления ионов магния. Обычные противоионы, такие как перхлорат и тетрафторборат были обнаружены способствующие пассивации, как и некоторые общие полярные апротонные растворители Такие как карбонаты и нитрилы.[15]

В ранних попытках разработки магниевых батарей исследовалось использование «вставных электродов из магния», основанных на обратимом введении металлического магния в анод из металлического сплава (например, Висмут/Антиномия или же Банка).[16] Было показано, что они способны предотвращать пассивирование поверхности анода, но страдают от разрушения анода из-за изменения объема при введении, а также из-за медленной кинетики введения.

Примеры исследованных типов вставных анодов включают Sn, Mg.2Sn.[17][18][19]

Гриньяр основан эфирный электролиты не пассивируются;[20] Органобораты магния также показали гальваническое покрытие без пассивации. Соединение Mg (BPh2Бу2)2 была использована в первой продемонстрированной перезаряжаемой магниевой батарее, ее полезность была ограничена электрохимическим окислением (то есть низким анодным пределом окна напряжения).[21] Другие исследованные электролиты включают: борогидриды, феноляты, алкоксиды, комплексы на основе амидо (например, на основе гексаметилдисилазан), карборан соли, фторированные алкоксибораты, a Mg (BH4) (NH2) твердотельный электролит и гелевые полимеры, содержащие Mg (AlCl2EtBu)2 в тетраглим/ПВДФ.[22][23]

Текущая волна интереса к магниево-металлическим батареям началась в 2000 году, когда израильская группа сообщила об обратимом покрытии магнием из смешанных растворов хлорид магния и хлорид алюминия в эфирах, таких как THF.[24][25] Основным преимуществом этого электролита является значительно больший положительный предел окна напряжения (и, следовательно, более высокое напряжение батареи), чем у ранее описанных электролитов для покрытия магнием. С тех пор сообщалось о нескольких других солях магния, менее агрессивных, чем хлорид.[26]

Одним из недостатков по сравнению с литием является более высокий заряд магния (+2) в растворе, что имеет тенденцию приводить к повышенной вязкости и снижению подвижности электролита.[27] В растворе может существовать ряд разновидностей в зависимости от противоионов / комплексообразователей - они часто включают однозарядные частицы (например, MgCl+ в присутствии хлорида), хотя часто образуются димеры (например, Mg2Cl3+ ).[28] Движение иона магния в решетку катодной матрицы также (по состоянию на 2014 год) проблемно медленное.[29]

В 2018 г.безхлоридный электролит вместе с хинон полимерный катод продемонстрировал многообещающие характеристики с мощностью до 243 Втч (870 кДж) на кг плотность энергии, до 3,4 кВт / кг удельная мощностьи до 87% удержания за 2500 циклов. Утверждалось, что отсутствие хлорида в электролите улучшает ионную кинетику и, таким образом, уменьшает количество используемого электролита, увеличивая показатели плотности.[30]

Перспективным подходом может быть комбинация Mg анода с сероуглеродным катодом.[31] Следовательно, необходим ненуклеофильный электролит, который не превращает серу в сульфид только благодаря своим восстанавливающим свойствам. Такие электролиты были разработаны на основе хлорсодержащих [32][33][34] и не содержащие хлора комплексные соли.[23] Электролит в [23] представляет собой соль Mg, содержащую катион Mg и две бор-гексафторизопропилилатные группы в качестве анионов. Эту систему легко синтезировать, она демонстрирует ионную проводимость, аналогичную ионно-литиевым элементам, ее окно электрохимической стабильности составляет до 4,5 В, она стабильна на воздухе и универсальна по отношению к различным растворителям.[35]

Катодные материалы

Для катодных материалов был исследован ряд различных соединений на пригодность, включая те, которые используются в первичных магниевых батареях. Новые исследуемые или предлагаемые катодные материалы включают: дисульфид циркония, оксид кобальта (II, III), диселенид вольфрама, пятиокись ванадия и ванадат на основе катодов. Шпинели на основе кобальта показали худшую кинетику внедрения по сравнению с их поведением с литием.[6][1] В 2000 г. фаза шевреля форма Мо6S8 было показано, что он хорошо подходит в качестве катода, выдерживая 2000 циклов при 100% разряде с 15% потерями; недостатками были плохие низкотемпературные характеристики (пониженная подвижность Mg, компенсируемая заменой селена), а также низкое напряжение, c. 1,2 В и низкая плотность энергии (110 мАч / г).[6] А дисульфид молибдена катод показал улучшенное напряжение и плотность энергии, 1,8 В и 170 мАч / г. Сульфиды переходных металлов считаются многообещающими кандидатами в катоды ионно-магниевых батарей.[36] Гибридный магниевый элемент с использованием смешанного электролита магния / натрия с добавлением натрия в нанокристаллический дисульфид железа (II) катод был зарегистрирован в 2015 году.[37]

Диоксид марганца Катоды на основе показали хорошие свойства, но ухудшились при циклировании.[38] Модифицированный на основе марганца шпинель ("постшпинели") являются активной темой исследования (2014 г.) катодов с введением ионов магния.[39]

В 2014 году сообщалось, что в перезаряжаемой магниевой батарее используется ионный обмен, оливин тип MgFeSiO4 катод с бис (трифторметилсульфонил) имид / триглимным электролитом - ячейка показала емкость 300 мАч / г при напряжении 2,4 В.[40] MgMnSiO4 также был исследован как потенциальный Mg2+ вставной катод.[41]

Катодные материалы, отличные от неорганических оксидов / сульфидов металлов, также были исследованы: в 2015 году катод на основе полимера, включающего антрахинон Сообщалось;[42] и другие органические и органополимерные катодные материалы, способные подвергаться окислительно-восстановительным реакциям, также были исследованы, такие как поли-2,2'-дитиодианилин.[43] Катоды на основе хинона также сформировали катод магниевой батареи с высокой плотностью энергии, о которой исследователи сообщили в 2019 году.[30]

В 2016 году комбинированный пористый углерод / йодный катод был объявлен потенциальной альтернативой Mg.2+ вставные катоды - химический состав потенциально подходит для перезаряжаемых проточная батарея.[44]

Коммерциализация

В октябре 2016 г. Honda и Saitec (Центр промышленных технологий Сайтамы) заявил, что у него есть коммерчески доступная Mg-батарея на основе ксерогель катод пятиокись ванадия/сера.[45][46] Также заявлена ​​дата коммерциализации 2018 года.[45][нуждается в обновлении]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Li: стандартный электродный потенциал -3,04; катионный заряд +1; Постоянная Фарадея 96485,33289 C / моль; Энергия на моль 293315,411986 Дж / моль; Атомная масса 6,94 г / моль; Плотность энергии (масса) 42264,4685858 Дж / г; плотность 0,534 г / см3; плотность энергии (объемная) 22569,2262248 Дж / см3
  2. ^ Mg: стандартный электродный потенциал -2,372; катионный заряд +2; Постоянная Фарадея 96485,33289 C / моль; Энергия на моль 457726,41923 Дж / моль; Атомная масса 24,305 г / моль; Плотность энергии (масса) 18832,6031364 Дж / г; плотность 1,738 г / см3; плотность энергии (объемная) 32731,0642511 Дж / см3
  3. ^ Требование внедрить «металлический» литий значительно снижает удельную энергию литий-ионной батареи по сравнению с металлической литиевой батареей, то есть 372 мАч / г против 3862 мАч / г (или 837 мАч / см3 против 2061 мАч / см3). для лития / графита (как LiC6) против металлического лития.[6][8]

Рекомендации

  1. ^ а б Мохтади и Мизуно 2014, §3.
  2. ^ Блейк, Иван К. (август 1952 г.), "Резервная батарея хлорида серебра и магния", Журнал Электрохимического общества, 99 (8): 202С, Дои:10.1149/1.2779735
  3. ^ Кромптон, Томас Рой (2000), Справочник по батареям, §39
  4. ^ Офис подотчетности правительства США (26 сентября 1985 г.), Армия закупает батареи: магний против лития, Счетная палата правительства США
  5. ^ Чжан, Тяньрань; Тао, Чжаньлянь; Чен, июнь (март 2014 г.), «Магниево-воздушные батареи: от принципа к применению», Материалы Horizons, 1 (2): 196–206, Дои:10.1039 / c3mh00059a
  6. ^ а б c d е ж грамм Гербранд Седер, Пьермануэле Канепа (февраль 2017 г.), «Одиссея многовалентных катодных материалов: открытые вопросы и будущие вызовы» (PDF), Химические обзоры, 117 (5): 4287–4341, Дои:10.1021 / acs.chemrev.6b00614, PMID 28269988
  7. ^ а б Мохтади и Мизуно 2014, с.1292, столбец 2.
  8. ^ Мохтади и Мизуно 2014, с.1292, столбец 1.
  9. ^ Орикаса и др., 2014 г., Вступление.
  10. ^ Новак, Петр; Шкловер, В .; Nesper, R. (1994). «Введение магния в оксиды ванадия: структурное исследование». Zeitschrift für Physikalische Chemie. 185: 51–68. Дои:10.1524 / zpch.1994.185.part_1.051. S2CID 101615877.
  11. ^ Брюс, Питер; Krok, F .; Новинский, Ян; Гибсон, Вернон; Тавваколи, К. (1991). «Химическая интеркаляция магния в твердые хозяева». Журнал химии материалов. 1 (4): 705–706. Дои:10.1039 / JM9910100705.
  12. ^ Аурбах, Дорон; Lu, Z .; Schecter, A .; Гизбар, H; Turgeman, R .; Cohen, Y .; Москович, М .; Леви, Э. (2000). «Опытные образцы систем магниевых аккумуляторных батарей». Природа. 407 (6805): 724–727. Bibcode:2000Натура 407..724А. Дои:10.1038/35037553. PMID 11048714. S2CID 4394214.
  13. ^ Мохтади и Мизуно 2014, Заключение, с.1309.
  14. ^ Bucur, Claudiu B .; Грегори, Томас; Оливер, Аллен Дж .; Малдун, Джон (2015), «Признание магниевой батареи», J. Phys. Chem. Lett., 6 (18): 3578–3591, Дои:10.1021 / acs.jpclett.5b01219, PMID 26722727
  15. ^ Мохтади и Мизуно 2014, § 1.1.
  16. ^ Мохтади и Мизуно 2014, §1.2.
  17. ^ Singh, N; Артур, Тимоти С .; Ling, C .; Matsui, M .; Мизуно, Ф. (2013). «Оловянный анод с высокой плотностью энергии для перезаряжаемых ионно-магниевых батарей». Химические коммуникации. 49 (2): 149–151. Дои:10,1039 / c2cc34673g. PMID 23168386. S2CID 13471874.
  18. ^ Nguyen, D.-T .; Песня, С.-В. (2016). «Характеристики хранения магния и поведение поверхностной пленки оловянного анодного материала». ХимЭлектроХим. 3 (11): 1813–1819. Дои:10.1002 / celc.201600400.
  19. ^ Nguyen, D.-T .; Песня, С.-В. (2017). «Станнид магния как анодный материал большой емкости для магниево-ионных аккумуляторов». Журнал источников энергии. 368: 11–17. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2017.09.054.
  20. ^ Мохтади и Мизуно 2014, §2; Рис.1, стр.1293.
  21. ^ Мохтади и Мизуно 2014, §2.
  22. ^ Мохтади и Мизуно 2014, Таблица 1, стр. 1298.
  23. ^ а б c Чжао-Каргер, Чжижун; Бардажи, Мария Элиза Гиль; Фур, Олаф; Фихтнер, Максимилиан (2017). «Новый класс некоррозионных высокоэффективных электролитов для магниевых аккумуляторных батарей». Журнал химии материалов A. 5 (22): 10815–10820. Дои:10.1039 / C7TA02237A. ISSN 2050-7496. S2CID 99093669.
  24. ^ Aurbach, D .; Lu, Z .; Schechter, A .; Gofer, Y .; Gizbar, H .; Turgeman, R .; Cohen, Y .; Мошкович, М .; Леви, Э. (2000). «Опытные образцы систем аккумуляторных магниевых батарей». Природа. 407 (6805): 724–727. Bibcode:2000Натура 407..724А. Дои:10.1038/35037553. PMID 11048714. S2CID 4394214.
  25. ^ Мохтади и Мизуно 2014, §2 «В начале 2000 года Аурбах и др. Сообщили о прорыве, который заключался в получении электролита с более высокой окислительной стабильностью (2,5 В относительно Mg), чем органобораты (1,9 В против Mg для Mg (BPh2Bu2) 2), путем объединения реактива Гриньяра с алюминием. -основные кислоты Льюиса ». с.1296, столбец 2.
  26. ^ Мохтади и Мизуно 2014, §2.1.
  27. ^ Ричард Ван Норден (5 марта 2014 г.), «Революция в области аккумуляторов: лучшая батарея», www.nature.com, 507 (7490), стр. 26–28, Bibcode:2014Натура.507 ... 26В, Дои:10.1038 / 507026a, PMID 24598624
  28. ^ Мохтади и Мизуно 2014, §2.1.5.
  29. ^ Мизуно, Фуминори; Сингх, Нихилендра; Артур, Тимоти С .; Fanson, Paul T .; Раманатан, Майанди; Бенмайза, Адил; Пракаш, Джай; Лю И-Шэн; Гланс, Пер-Андерс; Го, Цзинхуа (11 ноября 2014 г.), «Понимание и преодоление проблем, связанных с контактами электрод / электролит в перезаряжаемых магниевых батареях», Передний. Energy Res., 2, Дои:10.3389 / fenrg.2014.00046
  30. ^ а б Донг, Хуэй; Лян, Яньлян; Тутуса, Оскар; Чжан, Е; Хао, Фанг; Яо, Ян; Мохтади, Рана (20 марта 2019 г.), «Направление химии хранения Mg в органических полимерах в сторону высокоэнергетических Mg-батарей», Джоуль, 3 (3): 782–793, Дои:10.1016 / j.joule.2018.11.022
  31. ^ Чжао-Каргер, Чжижун; Фихтнер, Максимилиан (2019). «Помимо интеркаляции для перезаряжаемых магниевых батарей: краткий обзор и перспектива». Границы химии. 6: 656. Дои:10.3389 / fchem.2018.00656. ISSN 2296-2646. ЧВК 6341060. PMID 30697538.
  32. ^ Ким, Хи Су; Артур, Тимоти С .; Allred, Gary D .; Зайчек, Ярослав; Newman, John G .; Роднянский, Александр Е .; Оливер, Аллен Дж .; Боггесс, Уильям С.; Малдун, Джон (09.08.2011). «Состав и совместимость магниевого электролита с серным катодом». Nature Communications. 2 (1): 427. Bibcode:2011НатКо ... 2..427 тыс.. Дои:10.1038 / ncomms1435. ISSN 2041-1723. ЧВК 3266610. PMID 21829189.
  33. ^ Чжао-Каргер, Чжижун; Чжао, Сянъюй; Фур, Олаф; Фихтнер, Максимилиан (28 августа 2013 г.). «Ненуклеофильные электролиты на основе бисамида для магниевых аккумуляторных батарей». RSC Advances. 3 (37): 16330–16335. Дои:10.1039 / C3RA43206H. ISSN 2046-2069.
  34. ^ Чжао-Каргер, Чжижун; Чжао, Сянъюй; Ван, Ди; Димант, Томас; Бем, Р. Юрген; Фихтнер, Максимилиан (2015). «Повышение производительности магниево-серных батарей с модифицированными ненуклеофильными электролитами». Современные энергетические материалы. 5 (3): 1401155. Дои:10.1002 / aenm.201401155. ISSN 1614-6840.
  35. ^ Чжао-Каргер, Чжижун; Лю, Рунью; Дай, Вэньсюй; Ли, Чжэнью; Димант, Томас; Винаян, Б. П .; Бонатто Минелла, Кристиан; Юй Синвэнь; Мантирам, Арумугам; Бем, Р. Юрген; Рубен, Марио (10.08.2018). «К высокообратимым магниево-серным батареям с эффективным и практичным электролитом Mg [B (hfip) 4] 2». Письма ACS Energy. 3 (8): 2005–2013. Дои:10.1021 / acsenergylett.8b01061.
  36. ^ Мохтади и Мизуно 2014, §3.3.
  37. ^ Уолтер, Марк; Кравчик, Константин В .; Ибаньес, Мария; Коваленко, Максим В. (2015), «Эффективный и недорогой натрий-магниевый гибридный аккумулятор», Chem. Mater., 27 (21): 7452–7458, Дои:10.1021 / acs.chemmater.5b03531
  38. ^ Мохтади и Мизуно 2014, §3.4.
  39. ^ Примеры источников:
  40. ^ Орикаса и др., 2014 г..
  41. ^ НуЛи, Янна; Ян, июнь; Ван, Цзюлинь; Ли, Юнь (2009), «Электрохимическое интеркалирование Mg2 + в силикате магния и марганца и его применение в качестве катода высокоэнергетической перезаряжаемой магниевой батареи», J. Phys. Chem. C, 113 (28): 12594–12597, Дои:10.1021 / jp903188b
  42. ^ Битенц, Ян; Пирнат, Клемен; Банчич, Таня; Габершчек, Миран; Генорио, Боштьян; Рандон-Витанова, Анна; Доминко, Роберт (21 декабря 2015 г.), «Полимер на основе антрахинона в качестве катода в перезаряжаемых магниевых батареях», ChemSusChem, 8 (24): 4128–4132, Дои:10.1002 / cssc.201500910, PMID 26610185
  43. ^ Чжан, Чжэнчэн; Чжан, Шэн Шуй, ред. (2015), «Аккумуляторы: материалы, технологии и новые тенденции», Зеленая энергия и технологии: 629, Дои:10.1007/978-3-319-15458-9, ISBN 978-3-319-15457-2
  44. ^ Тиан, Хуацзюнь; Гао, Дао; Ли, Сяоган; Ван, Сивэнь; Ло, Чао; Фань, Сюлинь; Ян, Чхонъинь; Суо, Лиумин; Ма, Чжаохуэй; Хан, Вэйцян; Ван, Чуньшэн (10 января 2017 г.), «Химия магниево-йодных аккумуляторов большой мощности», Nature Communications, 8 (14083 (2017)): 14083, Bibcode:2017НатКо ... 814083Т, Дои:10.1038 / ncomms14083, ЧВК 5234091, PMID 28071666
  45. ^ а б «Заряженные электромобили | Honda и Saitec разрабатывают ионно-магниевый аккумулятор с катодом из оксида ванадия». chargedevs.com. Получено 2017-05-30.
  46. ^ Инамото, Масаси; Курихара, Хидеки; Ядзима, Тацухико (2014), "Характеристики электрода геля пятиокиси ванадия, легированного серой, полученного с помощью микроволнового облучения для перезаряжаемых магниевых батарей", Современная физическая химия, 4 (3): 238–243, Дои:10.2174/1877946805666150311234806

Источники

  • Мохтади, Рана; Мизуно, Фуминори (2014), «Магниевые батареи: современное состояние, проблемы и перспективы на будущее», Beilstein J. Nanotechnol., 5: 1291–1311, Дои:10.3762 / bjnano.5.143, ЧВК 4168907, PMID 25247113
  • Орикаса, Юки; Масезе, Титус; Кояма, Юкинори; Мори, Такуя; Хаттори, Масаси; Ямамото, Кентаро; Окадо, Тэцуя; Хуанг, Чжэнь-Донг; Минато, Такетоши; Тассель, Седрик; Ким, Джангын; Кобаяши, Йоджи; Абэ, Такеши; Кагеяма, Хироши; Учимото, Йошихару (2014 г.), «Перезаряжаемая магниевый аккумулятор с высокой плотностью энергии, в котором используются нетоксичные элементы, богатые землей», Научные отчеты, 4: 5622, Bibcode:2014НатСР ... 4Э5622О, Дои:10.1038 / srep05622, ЧВК 4092329, PMID 25011939