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低成本離子液體電解質在可充電鋁電池的應用

2024-08-27 09:55:34 sh默尼 12

可充電鋁(Al)電池具有理論容量高、成本低、Al豐度高、可燃性低等優點,有望成為鋰離子電池的候選材料。除了各種正極材料外,對電解質的開發研究也是重中之重。在已開發的電解質材料中,由1-乙基-3-甲基咪唑氯(EMICl)AlCl3組成的離子液體因其具有高導電性、低熔點和高穩定性等優異性能而成為應用最廣泛的候選材料。然而,EMICl的高成本阻礙了鋁電池的大規模應用和商業化。出于經濟角度,目前已經提出了幾種廉價的化合物作為EMICl的替代品。盡管大多數低成本電解質的性能都不盡如人意,但其中不乏有佼佼者。譬如以鹽酸三甲胺(Me3NHCl)或鹽酸三乙胺(Et3NHCl)為陽離子組分的氯鋁酸鹽離子液體已被報道具有與EMICl-AlCl3電解質相當的電化學性能。


然而,這些叔烷基胺鹽酸鹽會持續性地產生刺鼻氣味,揮發到周圍環境中。基于此種弊端,研究者將目光轉向了無味的叔烷基胺和仲烷基胺鹽酸鹽,也稱為烷基氯化銨,研究其作為氯鋁酸鹽離子液體的陽離子組分的可行性。分子量較低的陽離子有可能減輕電解質的重量,從而提高電池的能量密度。因此研究者重點研究了低分子量的候選物質,如鹽酸甲胺(MeNH3Cl)、鹽酸乙胺(EtNH3Cl)和鹽酸二甲胺(Me2NH2Cl)。不幸的是,這些鹽與AlCl3的二元混合物在室溫下不能完全液化。然而,通過混合多種陽離子組分可以降低液相溫度。

基于此,日本京都大學Masao Miyake團隊將伯胺和仲胺鹽酸鹽與AlCl3混合,制備了室溫下呈液態的準三元電解質,并研究了由混合烷基胺鹽酸鹽(MACl)AlCl3組成的新型電解質的電化學性能。此外,還評估了含有該電解質的鋁石墨電池的性能,并與普通電池進行了比較。研究了新型氯鋁酸鹽離子液體的電化學性能,在典型情況下,其電化學性能與EMICl-AlCl3電解質相當。考慮到其低成本和環保優勢,EtNH3Cl-Me2NH2Cl-AlCl3電解質有望推動鋁電池走向實際應用,并最終在可持續發展的社會中實現商業化。


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