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. [update], 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 ]
История
[ редактировать ]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 ]- Сравнение коммерческих типов аккумуляторов
- Список типов батарей
- Литий-ионный аккумулятор
- Перезаряжаемая литий-металлическая батарея
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «ЕВРОБАТ – Ассоциация европейских производителей автомобильных и промышленных аккумуляторов» . Проверено 12 июля 2023 г.