氯化镁-氯化铝-EMImBF4 /有机醚可充镁电池电解液

doi:10.7503/cjcu20240010

摘要/Abstract

摘要：

可充镁电池(RMBs)是下一代最具潜力的储能体系之一, 电解液对RMBs的性能具有重要影响. 本文通过将1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐(EMImBF₄)添加到MgCl₂+AlCl₃电解液(MACC)中, 构建了一种MACC-EMImBF₄/有机醚(MACCE)可充镁电池电解液体系; 采用循环伏安(CV)、线性扫描伏安(LSV)、电化学交流阻抗谱(EIS)和恒流充放电曲线(GCD)等方法测试了MACCE电解液的电化学性能及全电池性能; 并通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)对循环后的电极表面进行了分析. 结果表明, EMImBF₄的添加有效改善了电解液的性能, MgCl₂-AlCl₃与EMImBF₄的最佳摩尔比为5∶1. MACCE电解液的离子电导率为3.94 mS/cm, Mg²⁺沉积-溶出过电位为59 mV, 库仑效率达97.5%以上, 氧化稳定电位可达 2.8 V(vs. Mg/Mg²⁺)且循环时间超过500 h. MACCE电解液在循环过程中可在Mg负极表面形成一层纳米颗粒层, 有助于改善循环稳定性. MACCE电解液与正极材料Mo₆S₈的兼容性好, Mo₆S₈|MACCE|Mg全电池的放电平均比容量可达64.4 mA∙h/g(12.88 mA/g, 0.1C), 100次循环后比容量保持率可达73.2%.

关键词: 可充镁电池, MgCl₂+AlCl₃电解液, 1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐, 电化学性能, 兼容性

Abstract:

Rechargeable magnesium batteries（RMBs） are considered to be one of the next most promising energy storage systems. The electrolyte has an important influence on the performance of RMBs. The RMBs electrolyte system of MACC-EMImBF₄/organic ether（MACCE） was prepared by the addition of 1-ethyl-3-methyl-1H-imidazol-3-ium tetrafluoroborate（EMImBF₄） into the magnesium aluminum chloride complex（MACC） electrolyte. The electrochemical performance and full cell performance of the MACCE electrolyte were tested by cyclic voltammetry（CV）， linear scanning voltammetry（LSV）， electrochemical impedance spectroscopy（EIS）， and galvanostatic charge- discharge curves（GCD）. The surface of the electrodes with MACCE electrolyte after circulation was analyzed by field emission scanning electron microscopy（FESEM）， X-ray powder diffractometry（XRD） and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）. The results show that the addition of EMImBF₄ can effectively improve the electrolyte performance， and the optimum molar ratios of MgCl₂-AlCl₃ to EMImBF₄ is 5∶1. MACCE electrolyte has superior electrochemical performances with a high ionic conductivity（ca. 3.94 mS/cm）， a low overpotential（ca. 59 mV）， a high Coulombic efficiency（more than 97.5%）， a high anodic stability［ca. 2.8 V（vs. Mg/Mg²⁺）］， and a long-term（more than 500 h） cycling stability. The analysis results demonstrate that a nanoparticles layer can be formed on the surface of Mg anode during cycling， which is helpful to improve the cycling stability. Moreover， MACCE displays good compatibility with the Mo₆S₈ cathode material. The Mo₆S₈|MACCE|Mg full cell delivers a discharge specific capacity of 64.4 mA∙h/g（12.88 mA/g， 0.1C）， which can retain ca. 73.2% even after 100 cycles. MACCE electrolyte is simple to be prepared， low cost， and can be applied to RMBs， which is of great significance to accelerate the commercial application of RMBs.

Key words: Rechargeable magnesium battery, Magnesium aluminum chloride complex（MACC） electrolyte, 1-Ethyl- 3-methyl-1H-imidazol-3-ium tetrafluoroborate, Electrochemical performance, Compatibility

中图分类号:

O646

TrendMD:

文家新, 叶俊镠, 魏鑫, 杨京东, 尹雪娇, 李凌杰. 氯化镁-氯化铝-EMImBF₄/有机醚可充镁电池电解液. 高等学校化学学报, 2024, 45(5): 20240010.

WEN Jiaxin, YE Junliu, WEI Xin, YANG Jingdong, YIN Xuejiao, LI Lingjie. MgCl₂-AlCl₃-EMImBF₄/Organic Ether for Rechargeable Magnesium Battery Electrolytes. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(5): 20240010.

图/表 6

Fig.1 CV curves of the 100th cycles in the MACCE electrolyte with different molar ratios of MgCl2⁃AlCl3 to EMImBF4(A) and CV curves of a SS|MACCE|Mg cell at a scan rate of 25 mV/s for different cycles(B)Vp represents the plating overpotential; Vs represents the stripping overpotential.

Fig.2 EIS curve of a SS|MACCE|SS cell(A), LSV curves of the different working electrodes(B) and CE of Mg2+ plating/stripping during 500 cycles(C) in the MACCE electrolyte（C） Inset： the voltage profiles of a SS|MACCE|Mg cell during 120—150 cycles.

Fig.3 Polarization curves of a Mg|MACCE|Mg symmetric cell at different current density values of 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0 mA/cm2(A) and galvanostatic voltage profiles of a Mg|MACCE|Mg symmetric cell cycled at a current density of 0.1 mA/cm2 for 500 h(B)

Fig.4 SEM image(A), XRD pattern(B), EDS spectrum(C), and XPS spectra of Mg2p (D) and O1s (E) of the Cu surface after being discharged at a constant current of density

Fig.5 FESEM images before(A) and after CV cycle(B), XPS survey(C), high⁃resolution spectra of Mg2p (D), O1s (E) and F1s (F) of the Mg anode surface after 200 CV cycles via a Cu|MACCE|Mg cell

Fig.6 CV curves(A), galvanostatic charge and discharge profiles at 0.1C—1.0C(1.0C=128.8 mA/g)(B), galvanostatic charge and discharge capacities and Coulombic efficiency values at different rates of 0.1C—1.0C(C), cycling performance and Coulombic efficiency cycled at 0.1C(D) of Mo6S8|MACCE|Mg cell

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氯化镁-氯化铝-EMImBF₄/有机醚可充镁电池电解液

MgCl₂-AlCl₃-EMImBF₄/Organic Ether for Rechargeable Magnesium Battery Electrolytes

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