Electroreduction of nickel (II) chloride, nickel (II) fluoride and tungsten (VI) oxide mixtures in a heat activated battery

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The paper presents the results of studies of the discharge characteristics of elements of a heat activated battery (HAB) containing mixtures of NiCl2-NiF2-WO3 as a positive electrode. It is shown that the addition of tungsten oxide to a mixture of lithium halides makes it possible to increase the removable current density and discharge voltage. It has been established that the reason for the increase in these electrical characteristics is the presence of tungstate compounds (nickel tungstate, lithium tungstate) in the reduction products, which are formed during the operation of the studied HAB elements in a stationary mode. These compounds have a sufficiently high conductivity, which makes it possible to reduce the passivation of the positive electrode and reduce the internal resistance of the HAB element. The optimal composition of the cathode mixture for the studied discharge conditions of HAB elements has been determined. The maximum capacity of the discharge plateau is 0.4 A×h×g–1, the voltage of the discharge plateau varies from 2.40 to 1.65 V, depending on the density of the discharge current. The reduction products of NiCl2–NiF2–WO3 cathode mixtures were studied using XRD, SEM and STA methods. It has been established that nickel halides, which are part of the studied cathode mixtures, are reduced to metal and lithium halides by a two-electron mechanism, according to the electrochemical reaction: NiX2+Li++2e→Ni+2LiX, where X is Cl, F. The reduced nickel forms a metallic dendritic sponge, the density of which, under equal discharge conditions, is determined by the ratio of the components in the initial cathode mixture. The pores of the dendritic sponge are partially filled with a salt fraction based on lithium halides. The reduction of tungsten oxide to metal has an intermediate stage of formation in tungstate compounds occurring during the stationary operation of the HAB element. In the reduction products of cathode mixtures with a content of up to 5 wt.% of tungsten oxides, the formation of LiCl–Li2O solid solutions is observed. At higher concentrations of the oxide component in the cathode mixtures, zones containing pure lithium oxide are formed in the salt fraction of the reduction products. Tungsten is deposited on the surface of nickel dendrites, forming areas in the form of dotted inclusions. The STA curves of the salt fraction formed during electrochemical reactions have a single thermal effect corresponding to the temperatures of co–melting of a solid solution of LiCl–Li2O and a triple mixture of lithium halides LiF–LiCl–LiBr.

Full Text

Restricted Access

About the authors

O. V. Volkova

Institute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: volkova@ihte.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

V. V. Zakharov

Institute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: volkova@ihte.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

S. V. Pershina

Institute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: volkova@ihte.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

B. D. Antonov

Institute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: volkova@ihte.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

A. A. Pankratov

Institute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: volkova@ihte.ru
Russian Federation, Ekaterinburg

References

  1. Masset P.J., Guidotti R.A. Thermal activated («thermal») battery technology Part IIIa: FeS2 cathode material // Journal of Power Sources. 2008. 177. P. 595–609.
  2. Butler P., Wagner C., Guidotti R., Francis I. Long-life, multi-tap thermal battery development // Journal of Power Sources. 2004. 136. P. 240–245.
  3. Nelson P.A. Advanced high-temperature batteries // Journal of Power Sources. 1990. 29. P. 565–577.
  4. Au M. Nanostructured thermal batteries with high power density // Journal of Power Sources. 2003. 115. P. 360–366.
  5. Guidotti R., Reinhardt F.W., Dai J., Reisner D.E. Performance of thermal cells and batteries made with plasma-sprayed cathodes and anodes // Journal of Power Sources. 2006. 160. P. 1456–1464.
  6. Masset P.J., Guidotti R.A. Thermal activated («thermal») battery technology Part IIIb. Sulfur and oxide-based cathode materials // Journal of Power Sources. 2008. 178. P.456–466.
  7. Masset P.J. Thermal stability of FeS2 cathode material in «thermal» batteries: effect of dissolved oxides in molten salt electrolytes // Z. Naturforsch. 2008. 63a. P. 596–602.
  8. Volkova O.V., Zakharov V.V., Reznitskikh O.G. Electroreduction of chromium (III) chloride in a thermal battery // Russian Metallurgy. 2017. № 8. P. 655–659.
  9. Volkova O.V., Zakharov V.V. Electroreduction of chromium (III) chloride and molybdenum (VI) oxide mixtures in a thermally activated battery // Russian Metallurgy. 2018. № 2. P. 201–204.
  10. Volkova O.V., Zakharov V.V., Plaksin S.V., Il’ina E. A., Pankratov A.A. Electroreduction of Cobalt (II) Chloride and Cobalt (II) Fluoride Mixtures in a Thermally Activated Chemical Current Source // Russian Metallurgy. 2021. № 2. P. 159–164.
  11. Volkova O.V., Zakharov V.V., Il’ina E. A., Pankratov A.A. Electroreduction of Nickel (II) Chloride and Cobalt (II) Chloride Mixtures in a Heat Activated Battery // Russian Metallurgy. 2021. № 2. P. 118–128.
  12. Volkova O.V., Zakharov V.V., Il’ina E. A., Antonov B.D., Pankratov A.A. Electroreduction of Nickel (II) Chloride and Cobalt (II) Fluoride Mixtures in a Heat Activated Battery // Russian Metallurgy. 2023. № 2. P. 106–113.
  13. Volkova O.V., Zakharov V.V., Vovkotrub E.G., Plaksin S.V., Pershina S.V. Elektrovosstanovleniye smesey khlorida nikelya (II) i oksida molibdena (VI) v termoaktiviruyemom khimicheskom istochnike toka [Electroreduction of mixtures of nickel (II) chloride and molybdenum (VI) oxide in a thermoactivated chemical current source] // Rasplavy (Melts). 2019. № 5. P. 411–422. [In Russian]
  14. Volkova O.V., Zakharov V.V., Pershina S.V., Antonov B.D., Vakhromeeva А.Е. Elektrovosstanovleniye smesey khlorida nikelya (II) i oksida volframa (VI) v termoaktiviruyemom khimicheskom istochnike toka [Electroreduction of nickel (II) chloride and tungsten (VI) oxide mixtures in a heat activated battery] // Rasplavy (Melts). 2021. № 6. P. 647–655. [In Russian]
  15. Volkova O.V., Zakharov V.V., Pershina S.V., Antonov B.D., Pankratov A.A. Electroreduction of Nickel (II) Chloride, Cobalt (II) Fluoride, and Molybdenum (VI) Oxide Mixtures in a Heat Activated Battery // Russian Metallurgy. 2023. № 8. P. 1122–1128.
  16. Volkova O.V., Zakharov V.V., Il’ina E. A., Antonov B.D., Pankratov A.A. Electroreduction of Nickel (II) Chloride and Nickel (II) Fluoride Mixtures in a Heat Activated Battery // Russian Metallurgy. 2024. № 8. P. 42–48.
  17. Brown B.W., Banks E. The Sodium Tungsten Bronzes // J. Am. Chem. Soc. 1954. 76(4). P. 963–966.
  18. Dickens P.G., Whittingham M.S. The Tungsten Bronzes and Related Compounds // Q. Rev. Chem. Soc. 1968. № 22. P. 30–44.
  19. Goodenough, J.B. Metallic oxides // Progress in Solid State Chemistry. 1971. № 5. P. 145–399.
  20. Zakharov V.V. Sposob izgotovleniya litiy-bornogo kompozita i reaktor [Method of manufacturing lithium-boron composite and reactor]. Patent RU № 2395603. Published 27.07.2010. [In Russian]

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Discharge curves of TCIT elements taken at 600°C. Cathode mixture NiX2-WO3 (20 wt.%), discharge current density: 1 - 0.25; 3 - 2 A × cm-2. NiX2: NiCl2-NiF2 (30 wt.%) cathode mixture, discharge current density: 2 - 0.25; 4 - 2 A × cm-2.

Download (68KB)
3. Fig. 2. Discharge curves of Li-B/ NiX2-WO3 (20 wt.%) TCIT cells, where NiX2: NiCl2-NiF2 (30 wt.%), taken at different current densities: 1 - 0.25; 2 - 0.5; 3 - 1.0; 4 - 2 A × cm-2. Discharge T = 480°C.

Download (66KB)
4. Fig. 3. Discharge curves of TCIT elements with different composition of NiX2-WO3 cathode mixture (x mass %), x: 1 - 0; 2 - 5; 3 - 10; 4 - 15; 5 - 20 wt.%. The discharge current density is 0.5 A × cm-2, discharge T = 480°C.

Download (68KB)
5. Fig. 4. Diffractograms of reduction products of the cathode mixture NiX2-WO3 (20 wt.%), where NiX2: NiCl2-NiF2 (30 wt.%), at different capacity withdrawal: 1 - maximum capacity withdrawal (Cmax); 2 - 0.5Cmax. Discharge current density 0.5 A × cm-2, T discharge = 480°C.

Download (133KB)
6. Fig. 5. SEM of cross-sectional spalling of cathodic reaction products of TCIT elements obtained at discharge with current density of 0.5 A × cm-2, discharge T = 480°C: a - NiX2-WO3 (5 wt.%); b - NiX2-WO3 (20 wt.%), where NiX2: NiCl2-NiF2 (30 wt.%).

Download (446KB)
7. Fig. 6. DSC curves of reduction products of various cathodes of TCIT elements: 1 - NiX2; 2 - NiX2-WO3 (5 wt.%); 3 - NiX2-WO3 (20 wt.%), where NiX2: NiCl2-NiF2 (30 wt.%). Discharge conditions of TCIT elements: discharge current density 0.5 A × cm-2, T-discharge = 480°C; a - maximum capacity withdrawal (Cmax); b - capacity withdrawal 0.5Cmax.

Download (97KB)

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».