Электролиты для перезаряжаемых химических источников тока с магниевым анодом

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

В статье даётся перечень известных на данный момент времени электролитов для создания перезаряжаемых химических источников тока с магниевым анодом. Среди них приводятся электролиты, содержащие и не содержащие хлориды, а также боро- и алюмоцентричные электролиты в качестве жидких электролитов. Даются примеры загущенных, полимерных и твёрдых электролитов. Приводятся сводные таблицы по свойствам растворителей и жидких растворов электролитов. Показано, что наибольшей устойчивостью, циклируемостью и электропроводностью, а также наименьшей коррозионной активностью обладают электролиты: а) на основе клозоборанов, Mg(CB11H12)2 с σ25 = 3.0 мСм/см и б) гексафторизопропилалюмината магния, Mg{[(CF3)2CHO]4Al}2 с σ25 = 6.5 мСм/см. Последний электролит менее токсичен и экологически безопаснее, более прост в изготовлении и более дёшев.

Коротко обсуждаются типы анодов и способы их приготовления, как для жидких, так и для загущенных электролитов.


1. Bucur C. B. Challenges of a Rechargeable Magnesium Battery : A Guide to the Viability of this Post Lithium-Ion Battery. Springer, Switzerland, 2018. 67 p.

2. Muldoon J., Bucur C. B., Gregory T. Quest for non-aqueous multivalent secondary batteries : Magnesium and beyond // Chem. Rev. 2014. Vol. 114. P. 11683–11720.

3. Мельников П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. М. : Машиностроение, 1979. 296 с.

4. Liu T., Shao Y., Li G., Gu M., Hu J., Xu S., Nie Z., Chen X., Wang C., Liu J. A facile approach using MgCl2 to formulate high performance Mg2+ electrolytes for rechargeable Mg batteries // J. Mater. Chem. A. 2014. Vol. 2. P. 3430–3438.

5. Gregory T. G., Hoffman R. J., Winterton R. C. Nonaqueous electrochemistry of magnesium. Applications to energy storage // J. Electrochem. Soc. 1990. Vol. 137, № 3. P. 775–780.

6. Wan L. F., Perdue B. R., Apblett C. A., Prendergast D. Mg desolvation and intercalation mechanism at the Mo6S8Chevrel phase surface // Chem. Mater. 2015. Vol. 27. P. 5932–5940.

7. Doe R. E., Han R., Hwang J., Gmitter A., Shterenberg I., Yoo H., Pour N., Aurbach D. Novel electrolyte solutions comprising fully inorganic salts with high anodic stability for rechargeable magnesium batteries // Chem. Commun. 2013. Vol. 50. P. 243–245.

8. Nelson E. G., Brody S. I., Kampf J. W., Bartlett B. M. A magnesium tetraphenylaluminate battery electrolyte exhibits a wide electrochemical potential window and reduces stainless steel corrosion // J. Mater. Chem. A. 2014. Vol. 2. P. 18194–18198.

9. Pour N., Gofer Y., Major D. T., Aurbach D. Structural analysis of electrolyte solutions for rechargeable Mg batteries by spectroscopic means and DFT calculations // Journal of the American Chemical Society. 2011. Vol. 133. P. 6270–6278.

10. Carter T. J., Mohtadi R., Arthur T. S., Mizuno F., Zhang R., Shirai S., Kampf J. W. Boron clusters as highly stable magnesium – battery electrolytes // Angew. Chem. Int. Ed. 2014. Vol. 53. P. 3173–3177.

11. Morris J. H., Gysling H. J., Reed D. Electrochemistry of boron compounds // Chem. Rev. 1985. Vol. 85. P. 51–76.

12. Boeré R. T., Kacprzak S., Kessler M., Knapp C., Reibau R., Riedel S., Roemmele T. L., Rühle M., Scherer H., Weber S. Oxidation of closo-[B12Cl12]2− to the Radical Anion [B12Cl12]⋅− and to Neutral B12Cl12 // Angew. Chem. Int. Ed. 2011. Vol. 50. P. 549–552.

13. Zakharkin L. I. Some recent advances in the chemistry of dicarba-close-dodecaboranes // Pure and Applied Chemistry. 1972. Vol. 29. P. 513–526.

14. Clegg W., Brown D. A., Bryan S. J., Wade K. Preparation and crystal structure of the dicarboranylmagnesiumbis(dioxane) adduct Mg(2-Me-1,2-C2B10H10⋅2C4H8O2 // J. Organomet. Chem. 1987. Vol. 325. P. 39–46.

15. Beall H. B. Boron clusters as highly stable magnesium-battery electrolytes // Boron Hydride Chemistry / ed. E. L. Muetterties. New York : Academic Press, 1975. P. 316–317.

16. Tutusaus O., Mohtadi R., Arthur T. S., Mizuno F., Nelson E. G., Sevryugina Y. V. An efficient halogen–free electrolyte for use in rechargeable magnesium batteries // Angew. Chem. Int. Ed. 2015. Vol. 54. P. 7900–7904.

17. Zhang Zh., Cui Z., Qiao L., Guan J., Xu H., Wang X., Hu P., Du H., Li S., Zhou X., Dong S., Liu Z., Cui G., Chen L. Novel design concepts of efficient Mg-ion electrolytes toward high-performance magnesium-selenium and magnesium-sulfur batteries // Adv. Energy Mater. 2017. Vol. 7, № 11. P. 1–10.

18. Herb J. T., Nist-Lund C. A., Arnold C. B. A fluorinated alkoxyaluminate electrolyte for magnesium-ion batteries // American Chemical Society. Energy Letters. 2016. Vol. 1, № 6. P. 1227–1232.

19. Saha P., Datta M. K., Velikokhatnyi O. I., Manivannan A., Alman D., Kumta P. N. Rechargeable magnesium battery : Current status and key challenges for the future // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 66. P. 1–86.

20. Bucur C. B., Gregory T., Oliver A. G., Muldoon J. Confession of a magnesium battery // J. Phys. Chem. Letter. 2015. Vol. 6. P. 3578–3591.

21. Muldoon J., Bucur C. B., Gregory T. Fervent hype behind magnesium batteries : An open call to synthetic chemists – electrolytes and cathodes needed // Angew. Chem. Int. Ed. 2017. Vol. 6. P. 12064–12084.

22. Bulut S., Klose P., Huang M.-M., Weingarther H., Dyson P. J., Laurenczy G., Friedrich C., Menz J., Kummerer K., Krossing I. Synthesis of room-temperature ionic liquids with the weakly coordinating [Al(ORF)4] anion [RF=C(H)(CF3)2] and the determination of their principal physical properties // Chem. Eur. J. 2010. Vol. 16. P. 13139–13154.

23. Yoshimoto N., Matsumoto M., Egashia M., Morita M. Mixed electrolyte consisting of ethylmagnesiumbromide with ionic liquid for rechargeable magnesium electrode // J. Power Sources. 2010. Vol. 195. P. 2096–2098.

24. Pandey G. P., Hashmi S. A. Experimental investigations of an ionic-liquid-based, magnesium ion conducting, polymer gel electrolyte // J. Power Sources. 2009. Vol. 187. P. 627–634.

25. Yoshimoto N., Tomonaga Y., Ishikawa M., Morita M. Ionic conductance of polymeric electrolytes consisting of magnesium salts dissolved in cross-linked polymer matrix with linear polyether // Electrochim. Acta. 2001. Vol. 46. P. 1195–1200.

26. Yoshimoto N., Yakushiji S., Ishikawa M., Morita M. Ionic conductance behaviour of polymeric electrolytes containing magnesium salts and their application to rechargeable batteries // Solid State Ionics. 2002. Vol. 152. P. 259–266.

27. Morita M., Shirai T., Yoshimoto N., Ishikawa M. Ionic conductance behaviour of polymeric gel electrolyte containing ionic liquid mixed with magnesium salt // J. Power Sources. 2005. Vol. 139. P. 351–355.

28. Ramesh S., Lu S.-C. Structural, morphological, thermal, and conductivity studies of magnesium ion conducting P(VdF-HFP) – based solid polymer electrolytes with good prospects // J. Appl. Polym. Sci. 2010. Vol. 117. P. 2050–2058.

29. Kumar Y., Hashmi S. A., Pandey G. P. Ionic liquid mediated magnesium ion conduction in poly(ethylene oxide) based polymer electrolyte // Electrochim. Acta. 2011. Vol. 56. P. 3864–3873.

30. Pandey G. P., Kumar Y., Hashmi S. A. Ionic liquid incorporated PEO based polymer electrolyte for electrical double layer capacitors : A comporative study with lithium and magnesium systems // Solid State Ionics. 2011. Vol. 190. P. 93–98.

31. Aubrey M. L., Ameloot R., Wiers B. M., Long J. R. Metal-organic frameworks as solid magnesium electrolytes // Energy Environ. Sci. 2014. Vol. 7. P. 667–671. https:/

32. McDonald T. M., Lee W. R., Mason J. A., Wires B. M., Hong C. S., Long J. R. Capture of carbon dioxide from air and flue gas in the alkalamine appended metal-organic framework mmen-Mg2(dobpdc) // J. Am. Chem. Soc. 2012. Vol. 134. P. 7056–7065.

33. Никольский Б. Н., Григоров О. Н., Позин М. Е. Справочник химика : в 6 т. Л. : Химия, Ленингр. отд-ние, 1966. Т. 5. 976 с.

34. Deng H. X., Grunder S., Cordova K. E., Valente C., Furukawa H., Hmadeh M., Gándara F., Whalley A. C., Liu Z., Asahina S., Kazumori H., O’Keeffe M., Terasaki O., Stoddart J. F., Yaghi O. M. Large-pore appertures in a series of metal-organic frameworks // Science. 2012. Vol. 336. P. 1018–1023.

35. Tao Z. L., Xu L. N., Gou X. L., Chen J., Yuan H. T. TiS2 Nanotube as the cathode materials of Mg-ion batteries // Chem. Commun. 2004. Vol. 18. P. 2080–2081.

Текст в формате PDF:
(downloads: 72)