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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A method for determining the rate of sorption of chloraluminate complexes on graphite material as the main cathode reaction in aluminum-ion batteries with an ionic liquid as an electrolyte is proposed in terms of classic chemical kinetics approach. The method is applied to the description of the rate of a one-electron cathode reaction that is in the case the sorption/desorption of complexes on the electrode surface with no migration in the interlayer space of graphite taken into account. The experimental part is based on the selection and providing of measurement conditions and the ratio of the components of the cell to ensure that the rate of the cathode process sets the rate of current generation of the cell. The rate of supply/removal of electrons, as participants in the reaction, thus can be directly related to the reaction rate on graphite. The point of reaching the limiting current on the polarization curve in that case corresponds the limiting rate of the chemical sorption reaction. The approach takes into account the effect of other limiting processes, such as the rate of removal/supply of electrons, the rate of removal/supply of ions to/from the electrolyte volume, and the rate of anodic dissolution/deposition of aluminum. The calculated value of the reaction rate for graphite material grade EC-02 and low-temperature ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazole chloride in a mixture with aluminum chloride (1 : 1.3) was calculated to be 46 µmol/cm2 · s.

About the authors

K. V. Druzhinin

Institute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the RAS; Institute of New Materials and Technologies, Ural Federal University

Author for correspondence.
Email: druzginin@mail.ru
Russia, Yekaterinburg; Russia, Yekaterinburg

A. S. Kukin

Institute of New Materials and Technologies, Ural Federal University

Email: druzginin@mail.ru
Russia, Yekaterinburg

K. Yu. Balakin

Institute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the RAS

Email: druzginin@mail.ru
Russia, Yekaterinburg

References

  1. 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.
  2. Licht S. Marsh C. A Novel aqueous aluminum/ferricyanide battery // J. Electrochem. Soc. 1992. 139. № 12. P. L109–L111.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Fouletier M., Armand M. Electrochemical method for characterization of graphite-aluminium chloride intercalation compounds // Carbon. 1978. 17. P. 427–429.
  6. 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.
  7. Gifford R., Palmisano B. An aluminum/chlorine rechargeable cell employing a room temperature molten salt electrolyte // J. Electrochem. Soc. 1987. 134. P. 650–654.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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. 13 384–13 389.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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. Р. 14283.
  15. 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.
  16. 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (349KB)
3.

Download (643KB)
4.

Download (145KB)
5.

Download (1MB)
6.

Download (201KB)
7.

Download (51KB)
8.

Download (34KB)

Copyright (c) 2023 К.В. Дружинин, А.С. Кукин, К.Ю. Балакин

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».