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用于可充电镁电池的电化学稳定正极集流体

2018-06-26 14:22:53 网络整理 阅读:151 评论:0

日益增长的能源危机和对可持续能源的需求促进了对先进能源储存系统的广泛关注。由于低成本和安全性高等优点,镁基电池吸引了越来越多的关注,镁金属成本比锂金属低24倍,并且安全性高,因为镁金属在空气中是稳定的,并且Mg2+在镁金属表面沉积不形成枝晶。这使得可以设计以镁金属为负极的具有显著高能量密度的电池系统,因为镁金属具有3832AhL-1的理论体积比容量,这比锂金属的理论体积比容量2062AhL-1高得多。

当考虑镁沉积/溶解效率和负极稳定性时,最有希望的电解质是基于溶解在四氢呋喃(THF)中的有机卤铝酸镁物质。Aurbach等人开发的基于全苯基配合物(APC)的电解质,其电化学窗口为3.3Vvs.Mg。即使这些电解质对镁负极优异的性能,它们都含有高浓度的氯离子且对几乎所有已常规用作电池集流体的金属和合金是腐蚀性的。研究了这些电解质中典型金属(如Fe,Cu和Al)的阳极行为,几乎所有金属的稳定性均低于2.0V,相对于Mg,并且还没有发现具有与铂相当的稳定性的实用金属。这一事实严重制约了镁电池的发展。

该研究的目的是确定在可充电镁电池开发的电解液中具有可观的阳极稳定性的合适金属。所测试的金属包括Mo,W,不锈钢(SS)和Cu。其他几种金属,如Ni,Ti和Al,已知其阳极稳定性有限(<2.2V),,因此未包括在本研究中。

用于可充电镁电池的电化学稳定正极集流体

利用三电极装置,-0.5V~3.5V范围内10mV/s测试CV,金属作为工作电极,镁带作为对电极和参比电极。在所有工作电极上,在0V附近观察到对应于Mg沉积和溶解的峰(0V以下的峰对应于Mg沉积,0-1.0V的峰对应于Mg溶解)。铂和玻碳电极在整个电位范围内都是稳定的,并且由于电解质的氧化分解,仅可观察到超过2.8V的明显的阳极电流。就阳极稳定性而言,Mo和W表现类似于Pt和玻璃碳的稳定性,在2.8V以上的阳极电流增加是由于电解质的分解,这也在Pt和玻碳电极上观察到。

1000圈循环后,Mo、W电极仍然保持光亮,APC电解液保持澄清,且SEM图中没有观察到表面形态明显变化;当使用SS箔作为工作电极时,观察到CV曲线中1.2V的氧化峰。这个峰可归因于SS的氧化腐蚀,因为电解质在此范围内是稳定的,因此SS的稳定阳极范围仅为1.2V。图2c所示的SEM图像也显示了表面形态被破坏。与SS相似,Cu电极在1.7V处观察到明显的阳极峰。图2d所示的SEM图中清楚地表明最初光滑的表面在CV扫描期间被损坏。

用于可充电镁电池的电化学稳定正极集流体

用于可充电镁电池的电化学稳定正极集流体

通常,材料的耐腐蚀性取决于其表面上形成的反应产物以及产物的稳定性。CV循环1000圈后的新鲜表面和Ar离子溅射后的表面下5nm的XPS表征显示Mo和W上存在钝化层,1000次CV循环后仍稳定的事实表明钝化层有利于Mo和W在APC电解液中的稳定性。

镁动力

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