MeltsMeltsРасплавы0235-01063034-5715The Russian Academy of Sciences66125910.31857/S0235010623050043UZXFDKArticlesСтатьиCALCULATION OF THE ELECTRODE REACTION RATE ON A GRAPHITE CATHODE OF ALUMINUM-ION BATTERY WITH 1-ETHYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM CHLORIDEВычисление предельной скорости электродной реакции на графитовом электроде алюминий-ионного источника тока с 1-этил-3-метилимидазолхлоридомDruzhininK. V.ДружининК. В.druzginin@mail.ruKukinA. S.КукинА. С.druzginin@mail.ruBalakinK. Yu.БалакинК. Ю.druzginin@mail.ruInstitute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the RASИнститут высокотемпературной электрохимии УрО РАНInstitute of New Materials and Technologies, Ural Federal UniversityИнститут новых материалов и технологий Уральского федерального университета01092023550251225022025Copyright ©; 2023, К.В. Дружинин, А.С. Кукин, К.Ю. БалакинCopyright ©; 2023, К.В. Дружинин, А.С. Кукин, К.Ю. Балакин2023К.В. Дружинин, А.С. Кукин, К.Ю. БалакинК.В. Дружинин, А.С. Кукин, К.Ю. Балакинhttps://journals.eco-vector.com/0235-0106/article/view/661259

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.

В рамках подхода стандартной химической кинетики предложен способ определения предельной скорости сорбции хлоралюминатных комплексов на графитном материале, как основной катодной реакции в алюминий-ионных источниках тока с ионной жидкостью в качестве электролита. Способ применен к описанию скорости одноэлектронной катодной реакции, представляемой, как сорбция/десорбция комплексов на электродной поверхности без учета миграции в межслоевом пространстве графита. Экспериментальная часть основана на подборе условий измерений и соотношения компонентов измерительной ячейки таким образом, чтобы скорость катодного процесса задавала скорость генерации тока элементом в целом. При соблюдении этого условия скорость подвода/отвода электронов, как участников реакции можно связать непосредственно со скоростью реакции на графите. В этом случае точка выхода на предельный ток на поляризационной кривой будет означать предельную скорость реакции хемосорбции. В рамках подхода учтено влияние других лимитирующих процессов – скорость отвода/подвода электронов, скорость отвода/подвода ионов в/из объема электролита, скорость анодного растворения/осаждения алюминия. Рассчитанная величина скорости реакции для графитного материала марки ЕС-02 и низкотемпературной ионной жидкости 1-этил-3-метилилмидазолхлорида в смеси с хлоридом алюминия (1 : 1.3) составила 46 мкмоль/см2 · с.

aluminum-ion batterycarbon cathodeelectrode reaction rateалюминий-ионный источник токауглеродный катодскорость электродной реакции1. 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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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. 13384–13389.11. 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.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.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.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.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. P. 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.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.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.