戻る

第四級溶融塩電解質を使用し、85 ℃で動作する

急速充電アルミニウム硫黄電池

Rapid-Charging Aluminium-Sulfer Batteries Operated at 85 ℃ with a Quaternary Molten salt Electrolyte

ByJiashen Meng, Xufeng Hong, Zhitong Xiao, Linhan Xu, Lujun Zhu, Yongfeng Jia, Fang Liu, Liqiang Mai & Quanquan Pang

Nature Communications 2043;154:     2024.01.18　

 

要約

　溶融塩アルミニウム硫黄電池は資源的に持続可能な材料のみをベースにしており、その高レート能力と適度なエネルギー密度により大規模エネルギー貯蔵に有望である。　しかし、動作温度は依然として高いため、その用途は禁止されている。今回我々は、調整された第四級溶融塩電解質を使用し、水沸点以下の温度85 ℃で動作する急速充電アルミニウム硫黄電池を報告する。電気化学的に活性な高次Al-Clクラスターを豊富に持ちながら、低融点を示す第四級アルカリ・クロロアルミン酸塩溶融物は、Al3+の迅速な脱溶媒和を促進する。窒素官能化された多孔質炭素が硫黄反応をさらに媒介し、急速充電機能と、1 Cの充電速度で1400サイクル以上で85.4％の容量維持という優れたサイクル安定性を備えた電池を実現する。重要なことに、オペラントＸ線吸収分光法によって明らかになった、ポリスルフィド中間体の形成を伴う不斉硫黄反応機構が、このような温度での高い反応速度を説明しており、熱媒体として水を使用することで熱管理が大幅に簡素化できることを実証した。

 

はじめに

　持続可能なエネルギーの普及を促進し続ける中、大規模な電気化学エネルギー貯蔵技術は世界的にますます注目を集めている。現在、可燃性有機電解質を使用するリチウム・イオン電池が主流となっているが、これは生産規模の拡大による製造コストの削減が主な理由である。しかし、材料コストの高さ、持続不可能なリチウム資源、およびリチウム・イオン電池の安全性への懸念により、リチウム・イオン電池の広範な普及が妨げられると予測されている。充電式アルミニウム電池は、アルミニウム金属が豊富に存在し、低コストで高容量であるため、代替品として魅力的である。硫黄は、その高容量と低コストにより、充電式アルミニウム電池の陽極として使用されている。

　しかし、アルミニウム硫黄電池はレート性能とサイクル安定性が低い。アルミニウム硫黄電池のレート能力と安定性を促進することに努力が払われてきた。他の金属硫黄電池と同様に、1つのアプローチは、硫黄変換速度を高めるために洗練された炭素硫黄複合陽極を構築することであった。もう1つは、電解液を調整してAl3+脱離障壁を下げ、アルミニウム硫黄電池の全体的な反応速度を改善することであった。Br-またはLi+のドーピングによるイオン液体電解質の修飾に関する顕著な取り組みは、Al3+の脱溶媒和を促進するのに効果的であることが証明されている。無機溶融塩電解質は、低コストと可燃性という利点に加えて、充電式アルミニウム電池の反応速度の劇的な改善につながった。我々は最近、アルカリ・クロロアルミン酸塩溶融塩電解質を使用したアルミニウム－カルコゲン電池の急速充電について報告した。Al-Se(およびAl-S)電池は、180 ℃(および110 ℃)の動作温度で優れた急速充電能力を示した。それにもかかわらず、このような温度を維持するには高度なシーリングおよび熱管理システムが必要となり、モバイル用途が制限される可能性がある。しかし、動作温度を100 ℃以下に下げることができれば、水を低コストの熱媒体として使用でき、携帯機器で頻繁にオン/オフが発生する場合でも、電池の起動時の加熱によるエネルギー消費が少なくなる。固体高分子型燃料電池を使用する場合と同様に、シール材や断熱材だけでなく熱管理システムも大幅に簡素化できる。

　溶融塩は200～600 ℃という高すぎる温度の兆候が認めされており、電池には実用的ではない。この研究では、従来の常識を打ち破り、85 ℃という低い温度で動作し、速い反応速度と高いサイクル安定性を同時に実現する。資源的に持続可能な溶融塩アルミニウム硫黄電池を紹介する。第四級アルカリ・クロロアルミン酸塩溶融塩電解質は、従来の二元系および三元系よりも約80 ℃低い融点を示し、同時に高速拡散速度と迅速なAlの析出/剥離を維持する。我々の実験分析と理論計算により85 ℃の低温でも第四級アルカリ・クロロアルミン酸塩溶融物中に豊富な高次AlnCl3n+1クラスターが存在することが確認され、その結果Al3+の脱溶媒和障壁が低くなり、迅速な開発の基礎が築かれる。さらに、豊富な窒素サイトを備えた高表面積の炭素骨格が溶融電解質と化学的に適合し、硫黄変換反応をさらに促進することを示す。実証されたAl-S電池は、C/5の充電レートで小さな電圧ヒステリシス(0.19 V)を備えた931 mAh/gの高容量を示し、1 Cで1400サイクルにわたって優れた高速サイクル安定性を示す。この研究により、固有の安定性と費用対効果を備えた静的エネルギー貯蔵と移動エネルギー貯蔵の両方における持続可能なAl-S電池の実用化の可能性が開かれる。

 

結果

第四級アルカリ・クロロアルミン酸塩溶融電解液

最適化された陽極による電気化学的性能

不斉反応機構を解明

　以上の章と節は省略。

 

考察

　要約すると、我々は急速充電能力と長期サイクル安定性を示す第四級アルカリ・クロロアルミン酸塩溶融電解質によって可能となる、85 ℃で動作する資源的に持続可能な充電式アルミニウム硫黄電池を実証した。実験結果とシミュレーション解析に基づいて、四元溶融電解質の溶媒和構造は、高次のAl3Cl10-およびAl4Cl13-ならびにAl2Cl6クラスターの存在を示しており、これは低いAl3+脱溶媒和障壁と速い反応速度にとって重要である。さらに、窒素ドープされた炭素ホストは電解質と化学的に適合し、硫黄反応を促進して、より高い比容量と低い分極をもたらす。電解質と電極の両方の利点を活かしたアルミニウム硫黄電池は、85 ℃で1 Cのレートで1400サイクルにわたって85.4％の高い容量維持率を備えた542 mAh/gの放電容量を示し、優れたサイクル安定性を示している。重要なのは、我々の包括的な特性評価により、多硫化アルミニウムが関与する可逆的かつ非対称な多相硫黄反応機構が明らかになり、これが85 ℃での急速充電能力を説明していることである。我々の研究は、溶融塩電気化学システムに適度の高温の兆候を与えるというこれまでの報告に反して、非常に低い温度で動作できる溶融塩電池を構築することが可能であることを示している。我々は、この研究が完全に実用的で、低コストで、安全性が高く、急速充電できるアルミニウム電池を実現するために、さらに低温で動作する溶融塩電解質を探索する将来のさらなる研究を促進すると信じている。

 

　以下省略。