Jump to content

Фторидная батарея

Фторидная батарея
Удельная энергия до ~800 мАч/г
Плотность энергии до ~4800 Втч/л
Долговечность цикла Неизвестно (нет коммерческих доступных устройств)
Номинальное напряжение ячейки 1,5–5,0 В (зависит от материала электродов)

Фторидные батареи (также называемые фторидными челночными батареями ) представляют собой технологию перезаряжаемых батарей, основанную на челноке фторида , аниона фтора , в качестве ионных носителей заряда .

Этот вид химии привлек исследовательский интерес в середине 2010-х годов из-за его экологичности, отсутствия дефицитных и географически ограниченных минеральных ресурсов в составе электродов (например, кобальта и никеля ) и высоких теоретических плотностей энергии . Кроме того, поскольку нет металлического покрытия и зачистки, образование дендритов незначительно, даже если используются металлические аноды высокой емкости. [ нужна ссылка ] с повышенной безопасностью, цикличностью и емкостью хранения энергии. Теоретически фторидная батарея, в которой используется недорогой электрод и жидкий электролит, может иметь плотность энергии до ~800 мАч/г и ~4800 Втч/л. [ 1 ]

Технология на основе фтора находится на ранней стадии разработки и по состоянию на 2023 г. , в продаже нет устройств. Основными проблемами, ограничивающими фактические характеристики, являются высокая реакционная способность голого фторида в жидких электролитах, низкая фторид -ионная проводимость при твердотельных электролитов комнатной температуре и объемное расширение электродов конверсионного типа, которые создают механическую нагрузку на компоненты элемента во время циклической зарядки-разрядки. к преждевременному угасанию мощности. Несмотря на вышеупомянутые ограничения, технология на основе фторида представляет собой кандидата на роль следующего поколения технологий электрохимического хранения. [ 1 ]

Челночный перенос фторида был предложен в 1974 году при исследовании фторид-ионной проводимости CaF 2 в диапазоне температур от 400 до 500 °C. [ 2 ]

Исследования продолжались между 70-ми и началом 80-х годов, когда были проведены другие исследования фторидной проводимости неорганических фторидов при высоких температурах, одно из практических применений было получено в 1976 году при легировании β-PbF 2 фторидом калия. [ 3 ] При использовании в гальваническом элементе в качестве твердотельного электролита этот материал позволял достичь напряжения холостого хода, близкого к теоретическому, но не выдерживал ток при приложении нагрузки.

Позднее, в 1980-х годах, в области переноса фторидов были достигнуты небольшие успехи, в нескольких исследованиях сообщалось о работающих элементах с использованием твердотельных фторидных проводящих материалов на основе фторида лантана , свинца или церия с неудовлетворительной разрядной емкостью по сравнению с коммерчески доступными батареями, высокой рабочей температура (до 160 °C) и ограниченный срок службы элементов. [ 4 ]

Фторсодержащие батареи начали привлекать новое внимание с середины 2010-х годов, что было вызвано энергетическим переходом и потребностями в новых устройствах хранения энергии. Улучшения [ который? ] были сделаны как в твердом исполнении [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] и жидкие электролиты. [ 9 ] [ 10 ]

Принцип работы

[ редактировать ]

Химический состав фторидной батареи основан на обратимом электрохимическом фторировании металла электроположительного (M') на анодной стороне за счет фторида более благородного металла (MF x ) на катодной стороне. [ 1 ]

Процесс разряда

На катоде (+)

На аноде (-)

Процесс зарядки

На катоде (-)

На аноде (+)

Электроды

[ редактировать ]

Электроды конверсионного типа

[ редактировать ]

В электродах конверсионного типа происходящая окислительно-восстановительная реакция меняет кристаллическую структуру самого материала. Этот процесс часто приводит к значительному изменению объема частиц, что может привести к потере контакта с токосъемником или агрегатом и потере площади активной поверхности, вызывая снижение емкости. Преимуществом электродов конверсионного типа является возможность использовать более одного переноса электрона на окислительно-восстановительный центр, увеличивая удельную емкость. [ 11 ]

В этот класс входят некоторые простые фториды металлов и переходных металлов , которые могут обменивать два или более электронов на моль , например BiF 3 , [ 9 ] [ 12 ] Би 0,8 Ба 0,2 F 2,8 , [ 13 ] ПбФ 2 , [ 14 ] FeF3 , [ 15 ] CuF 2 , [ 16 ] KBiF КБиФ3 [ 6 ] на катодной стороне или Ca и Mg на анодной стороне. [ 1 ]

Интеркаляционный тип

[ редактировать ]

В электродах интеркаляционного типа ионы фтора могут внедряться в вакансии кристаллической решетки материала электрода, не изменяя ее структуру. В этом случае изменение объема значительно уменьшается, что делает эти материалы более стабильными. Напротив, перенос электрона на один окислительно-восстановительный центр обычно ограничивается одним, что снижает доступную удельную емкость. [ 11 ]

Электролиты

[ редактировать ]

Жидкие электролиты

[ редактировать ]

Жидкие электролиты для ФБ могли бы решить проблему, возникающую из-за объемного расширения электродов, и в то же время снизить рабочую температуру из-за внутренней более высокой подвижности ионов, что приводит к высокой ионной проводимости.

Электролиты на основе неорганических фторидов

[ редактировать ]

Жидкие электролиты на неорганической основе производятся путем растворения фторидов щелочных металлов в органическом апротонном растворителе, но низкая растворимость неорганических фторидов в обычных растворителях аккумуляторных электролитов приводит к плохой ионной проводимости. [ 9 ]

Для повышения растворимости солей, а следовательно и ионной проводимости, для повышения растворимости солей в органике были использованы акцепторы анионов на основе бора, например, электролит на основе фторида цезия , растворенного в тетраглиме с различными акцепторами анионов, в том числе трифенилбороксинами и трифенилборанами. [ 17 ] [ 18 ] были обнаружены.

Электролиты на основе органических фторидов

[ редактировать ]

Жидкие электролиты на органической основе были разработаны путем растворения солей тетраалкиламмония в соответствующих органических апротонных растворителях. Основная проблема заключается в высокой нуклеофильности нерастворенных фторидов, которые легко реагируют с β-водородом алкильных групп по механизму элиминирования Гофмана . [ 19 ]

Для получения стабильного электролита на органической основе использовали соли аммония без β-водорода и испытывали фторид N , N , N -триметил- N -неопентиламмония, растворенный в высокой концентрации в частично фторированном эфире. [ 20 ]

Твердые электролиты

[ редактировать ]

Несмотря на присущие материалам проблемы, большинство фторидпроводящих материалов обладают недостаточной ионной проводимостью даже при высоких температурах (до 160 °C), что ограничивает возможность коммерческого использования. Более того, жесткость этих материалов не справляется с большим объемным расширением конверсионных катодов. [ 21 ]

Фториды редкоземельных элементов тисонитового типа

[ редактировать ]

Фториды редкоземельных элементов со тисонита структурой типа (RE 1-x M x F 3-x, где RE — редкоземельный элемент среди La, Ce, Sm, а M — металл второй группы, такой как Ba, Ca или Sr), имеют изучены из-за их широкого окна электрохимической стабильности до 4 В по сравнению с Li + / Что.

Например, в 2017 году методом шаровой мельницы был синтезирован фторид лантана, легированный барием (LBF), ионная проводимость которого достигла около 10 −5 см см −1 при комнатной температуре [ 22 ] но все же ниже, чем у обычных жидких электролитов, используемых в имеющихся в продаже литий-ионных батареях. Аналогичные результаты по ионной проводимости были достигнуты с фторидом церия, легированным фторидом стронция, легированным кальцием или фторидом самария, . [ 23 ] [ 24 ]

Щелочноземельные фториды

[ редактировать ]

Среди фторидов щелочноземельных металлов исследован фторид бария-олова (BaSnF 4 ) из-за его относительно высокой ионной проводимости при комнатной температуре, порядка 10 −4 см см −1 . Несмотря на повышенную ионную проводимость, окно низкой электрохимической стабильности Sn 2+ препятствует использованию восстановительных металлов в качестве анодов, снижая максимальный потенциал ячейки и, следовательно, плотность энергии. [ 7 ]

В 2019 году исследователи получили перезаряжаемые ФБ с твердым электролитом BaSnF 4 , покрытым прослойкой из LBF, расширяющей окна электрохимической стабильности BaSnF 4 . [ 25 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б с д Гшвинд, Ф.; Родригес-Гарсия, Г.; Сэндбек, DJS; Гросс, А.; Вейль, М.; Фихтнер, М.; Хёрманн, Н. (февраль 2016 г.). «Фтор-ионные батареи: теоретические характеристики, безопасность, токсичность и комбинаторный отбор новых электродов» . Журнал химии фтора . 182 : 76–90. Бибкод : 2016JFluC.182...76G . дои : 10.1016/j.jfluchem.2015.12.002 .
  2. ^ Баукал, В. (1 ноября 1974 г.). «О возможностях реакций в электродах твердотельных батарей» . Electrochimica Acta (на немецком языке). 19 (11): 687–694. дои : 10.1016/0013-4686(74)80011-3 . ISSN   0013-4686 .
  3. ^ Кеннеди, Джон Х.; Майлз, Рональд К. (1 января 1976 г.). «Ионная проводимость легированного фторида бета-свинца» . Журнал Электрохимического общества . 123 (1): 47–51. Бибкод : 1976JElS..123...47K . дои : 10.1149/1.2132763 . ISSN   0013-4651 .
  4. ^ Скунман, Дж.; Вапенаар, КЕД; Оверслейзен, Г.; Дирксен, Дж.Дж. (1 мая 1979 г.). «Фторпроводящие твердые электролиты в гальванических элементах» . Журнал Электрохимического общества . 126 (5): 709–713. Бибкод : 1979JElS..126..709S . дои : 10.1149/1.2129125 . ISSN   0013-4651 .
  5. ^ Ронгит, Карин; Анжи Редди, М.; Виттер, Райкер; Фихтнер, Максимилиан (12 февраля 2014 г.). «Твердые электролиты для фторид-ионных батарей: ионная проводимость в поликристаллических фторидах типа тисонита» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (3): 2103–2110. дои : 10.1021/am4052188 . ISSN   1944-8244 . ПМИД   24444763 .
  6. ^ Перейти обратно: а б Анжи Редди, М.; Фихтнер, М. (2011). «Батареи на основе фторида челнока» . Журнал химии материалов . 21 (43): 17059. doi : 10.1039/c1jm13535j . ISSN   0959-9428 .
  7. ^ Перейти обратно: а б Мохаммед, Иршад; Виттер, Райкер; Фихтнер, Максимилиан; Анжи Редди, М. (24 сентября 2018 г.). «Твердотельные фторид-ионные аккумуляторные батареи комнатной температуры» . ACS Прикладные энергетические материалы . 1 (9): 4766–4775. дои : 10.1021/acsaem.8b00864 . ISSN   2574-0962 . S2CID   104555159 .
  8. ^ Лю, Лей; Ян, Ли; Шао, Диншэн; Луо, Кайли; Цзоу, Чанфэй; Ло, Чжигао; Ван, Сянью (15 августа 2020 г.). «Твердый электролит BaSnF4, легированный Nd3+, для современных твердотельных фторид-ионных батарей, работающих при комнатной температуре» . Керамика Интернешнл . 46 (12): 20521–20528. doi : 10.1016/j.ceramint.2020.05.161 . ISSN   0272-8842 . S2CID   219450100 .
  9. ^ Перейти обратно: а б с Кониси, Хироаки; Минато, Такетоши; Абэ, Такеши; Огуми, Земпачи (2017). «Электрохимические характеристики электрода из фторида висмута во фторидной челночной батарее резервного типа» . Журнал Электрохимического общества . 164 (14): А3702–А3708. дои : 10.1149/2.0931714jes . ISSN   0013-4651 .
  10. ^ Минато, Такетоши; Умеда, Кеничи; Кобаяши, Кей; Араки, Юки; Кониси, Хироаки; Огуми, Земпачи; Абэ, Такеши; Ониси, Хироши; Ямада, Хирофуми (01 сентября 2021 г.). «Природа границы твердого тела и жидкости для преобразования энергии на атомном уровне, выявленная с помощью атомно-силовой микроскопии с частотной модуляцией» . Японский журнал прикладной физики . 60 (ЮВ): SE0806. дои : 10.35848/1347-4065/abffa2 . hdl : 20.500.14094/90008900 . ISSN   0021-4922 . S2CID   235817341 .
  11. ^ Перейти обратно: а б Наврузи, Мохаммед Али; Мохаммед, Иршад; Молайян, Паланивел; Виссел, Керстин; Муннанги, Анжи Редди; Клеменс, Оливер (2021). «Фтор-ионные аккумуляторы – прошлое, настоящее и будущее» . Журнал химии материалов А. 9 (10): 5980–6012. дои : 10.1039/D0TA11656D . ISSN   2050-7488 . S2CID   233961245 .
  12. ^ Кониси, Хироаки; Минато, Такетоши; Абэ, Такеши; Огуми, Земпачи (25 апреля 2019 г.). «Влияние состава электролита на механизм электрохимической реакции фтористого висмутового электрода во фторидной челночной батарее» . Журнал физической химии C. 123 (16): 10246–10252. дои : 10.1021/acs.jpcc.9b00455 . hdl : 2433/243871 . ISSN   1932-7447 . S2CID   146057087 .
  13. ^ Симода, Кейджи; Минато, Такетоши; Кониси, Хироаки; Кано, Гентаро; Накатани, Томотака; Фудзинами, Со; Челик Кучук, Асуман; Кавагути, Сёго; Огуми, Земпачи; Абэ, Такеши (август 2021 г.). «Механизм дефторирования/фторирования Bi0.8Ba0.2F2.8 в качестве положительного электрода фторидной челночной батареи» . Журнал электроаналитической химии . 895 : 115508. doi : 10.1016/j.jelechem.2021.115508 . hdl : 2433/269542 . S2CID   237722139 .
  14. ^ Кониси, Хироаки; Минато, Такетоши; Абэ, Такеши; Огуми, Земпачи (март 2019 г.). «Электрохимические характеристики электрода из фторида свинца, смешанного с углеродом в электролите, содержащем трифенилбороксин в качестве акцептора анионов для фторидных челночных батарей» . Химия и физика материалов . 226 : 1–5. doi : 10.1016/j.matchemphys.2019.01.006 . hdl : 2433/243334 . S2CID   104452152 .
  15. ^ Иноиси, Ацуши; Сетогучи, Наоко; Хори, Хиронобу; Кобаяши, Эйичи; Сакамото, Ре; Сакаэбе, Хикари; Окада, Сигэто (декабрь 2021 г.). «FeF 3 как обратимый катод для твердотельных фторидных батарей» . Передовые исследования в области энергетики и устойчивого развития . 3 : 2200131.doi : (12 ) 10.1002/aesr.202200131 . ISSN   2699-9412 . S2CID   252770085 .
  16. ^ Мохаммед, Иршад; Виттер, Райкер (01.06.2019). «Испытание Mg в качестве анода против катодов BiF3 и SnF2 для фторид-ионных аккумуляторных батарей комнатной температуры» . Материалы писем . 244 : 159–162. дои : 10.1016/j.matlet.2019.02.052 . ISSN   0167-577X . S2CID   104470455 .
  17. ^ Кониси, Хироаки; Минато, Такетоши; Абэ, Такеши; Огуми, Земпачи (05.11.2018). «Трифенилбороксин и трифенилборан как акцепторы анионов электролита во фторидных челночных батареях» . Химические письма . 47 (11): 1346–1349. дои : 10.1246/кл.180573 . hdl : 2433/243767 . ISSN   0366-7022 . S2CID   105752095 .
  18. ^ Кониси, Хироаки; Такекава, Рейджи; Минато, Такетоши; Огуми, Земпачи; Абэ, Такеши (16 сентября 2020 г.). «Влияние акцептора анионов, добавленного в электролит, на электрохимические характеристики фторида висмута (III) во фторидной челночной батарее» . Письма по химической физике . 755 : 137785. Бибкод : 2020CPL...75537785K . дои : 10.1016/j.cplett.2020.137785 . ISSN   0009-2614 . S2CID   224884471 .
  19. ^ Кокс, Д. Филлип; Терпински, Яцек; Лауринович, Витольд (август 1984 г.). « «Безводный» фторид тетрабутиламмония: мягкий, но высокоэффективный источник нуклеофильного фторид-иона» . Журнал органической химии . 49 (17): 3216–3219. дои : 10.1021/jo00191a035 . ISSN   0022-3263 .
  20. ^ Дэвис, Виктория К.; Бейтс, Кристофер М.; Омичи, Каору; Савойя, Бретт М.; Момчилович, Небойша; Сюй, Цинминь; Вольф, Уильям Дж.; Уэбб, Майкл А.; Биллингс, Кейт Дж.; Чоу, Нам Хоун; Алайоглу, Селим; Маккенни, Райан К.; Даролл, Изабель М.; Наир, Нандита Г.; Хайтауэр, Адриан (07 декабря 2018 г.). «Циклирование электродов из фторида металла при комнатной температуре: жидкие электролиты для высокоэнергетических фторид-ионных ячеек» . Наука . 362 (6419): 1144–1148. Бибкод : 2018Sci...362.1144D . дои : 10.1126/science.aat7070 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   30523107 . S2CID   54456959 .
  21. ^ Чжан, З.; Ван, X.; Ли, Х.; Чжао, Дж.; Лю, Г.; Ю, В.; Донг, X.; Ван, Дж. (01 марта 2023 г.). «Обзор композитных твердых электролитов для твердотельных литий-ионных аккумуляторов» . Материалы сегодня Устойчивое развитие . 21 : 100316. Бибкод : 2023MTSus..2100316Z . дои : 10.1016/j.mtsust.2023.100316 . ISSN   2589-2347 . S2CID   255721150 .
  22. ^ Чейбл, Дж.; Мартин, АГ; Бурден, А.; Тело, М.; Легейн, К.; Жуанно, А.; Кронье-Лопес, М.-П.; Гальвен, К.; Дьедонне, Б.; Леблан, М.; Демург, А.; Мезоннёв, В. (25 января 2017 г.). «Фторидные твердые электролиты: от микрокристаллического к наноструктурированному тисониту типа La0,95Ba0,05F2,95» . Журнал сплавов и соединений . 692 : 980–988. дои : 10.1016/j.jallcom.2016.09.135 . ISSN   0925-8388 .
  23. ^ Дьедонне, Бельто; Шабль, Иоганн; Тело, Моник; Легейн, Кристоф; Дюран, Этьен; Мови, Фабрис; Фуркад, Себастьен; Леблан, Марк; Мезоннёв, Винсент; Демург, Ален (2017). «Ключевая роль состава и структурных особенностей в фторид-ионной проводимости в тисонитовых твердых растворах Ce 1-x Sr x F 3-x» . Транзакции Далтона . 46 (11): 3761–3769. дои : 10.1039/C6DT04714A . ISSN   1477-9226 . ПМИД   28262874 .
  24. ^ Дьедонне, Бельто; Шабль, Иоганн; Мови, Фабрис; Фуркад, Себастьен; Дюран, Этьен; Лебро, Эрик; Леблан, Марк; Легейн, Кристоф; Тело, Моник; Мезоннёв, Винсент; Демург, Ален (30 октября 2015 г.). «Исследование твердого раствора тисонита Sm 1– x Ca x F 3– x в качестве твердого электролита: связь между структурными характеристиками и F Ионная проводимость» . Журнал физической химии C. 119 ( 45): 25170–25179. doi : 10.1021/acs.jpcc.5b05016 . ISSN   1932-7447 .
  25. ^ Мохаммед, Иршад; Виттер, Райкер; Фихтнер, Максимилиан; Редди, М. Анжи (25 февраля 2019 г.). «Внедрение межслойных электролитов: на пути к твердотельным фторид-ионным аккумуляторным батареям с высоким потенциалом при комнатной температуре» . ACS Прикладные энергетические материалы . 2 (2): 1553–1562. дои : 10.1021/acsaem.8b02166 . ISSN   2574-0962 . S2CID   104454848 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 6744c465601b0db0a5b64e6ab02f3ca5__1717378380
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/67/a5/6744c465601b0db0a5b64e6ab02f3ca5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Fluoride battery - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)