Synthetic Graphite as Cathode for Rechargeable Aluminium - Carbon Batteries

Abstract

Økende energi produksjon fra fornybare energikilder, som vind og solkraft, vil øke et- terspørselen etter teknologier som kan stabilisere strømnettet. I dag er Li-ion batterier den mest brukte batteriteknologien for dette formålet. Det er finnes flere utfordringer knyttet til å bruke Li-ion batterier til stabilisering av strømnettet. Dette inkludere utfor- dringer knyttet til blant annet bruk av dyre materialer og resirkulerbarheten til litium. Et oppladbart batteri basert på bærekraftige materialer som aluminium og karbon kan være et lovende alternativ. Med en elektrolytt basert på AlCl3 og EMIm-Cl har slike batterier vist å ha høy krafttetthet og gode sykleegenskaper. I dette arbeidet ble kommersiell tilgjen- gelig syntetisk grafitt undersøkt som mulig katode for aluminium karbon batteriet. Den syntetiske grafitten vil be testet i to forskjellige elektrolytter. En av elektrolyttene vil best˚a av 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl. Den andre elektrolytten vil være en til nå lite utforsket organisk elektrolytt bestående av 1:3 AlCl3:AlLiH4 i THF. 1:3 AlCl3:AlLiH4 i THF elektrolytten så ikke ut til å fungere for aluminium-karbon bat- teriet med syntetisk grafitt katode. Til tross for høye potensial (4 V vs Al3+/Al), ville nesten ingen strøm (< 0.5 nA cm−2) gå igjennom cellen. 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl elek- trolytten fungerte bedre for aluminium-karbon batteriet. Det ble vist at katoder basert p˚a syntetisk grafitt kunne bli syklet på 100 mA g−1 i denne elektrolytten, gitt at batteriet var ladet opp til 60 mAh g−1 (for å unngå sidereaksjoner). Rate tester ble gjort med syn- tetisk grafitt katoden i 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl elektrolytten. I disse forsøkene ble forskjel- lige grenseoppladningsspenninger, mengde ladning gitt under oppladning og forskjellige lade/utladnings strømmer testet. Det ble funnet at en grenseoppladningsspenning på 2.1V resulterte i merkbar høyere CE enn en grenseoppladningsspenning på 2.2 V. Batteriet med an grenseoppladningsspenning på 2.1 V kunne sykle med en høy CE opp til minst 500 mA g−1, mens batteriet med en grenseoppladningsspenning på 2.1 V hadde et merkbart fall i CE når det ble syklet over 200 mA g−1. Den spesifikke utladningskapasiteten var lavere når grenseoppladningsspenning var p˚a 2.1 V.

The increasing energy production from renewable sources, like wind and solar power, will increase the demand for grid stabilisation technologies. Today, Li-ion batteries is the most used battery technology for this purpose. There are several challenges related to using Li-ion batteries for grid stabilisation, including the use of expensive materials and the recyclability of Li-ion batteries. A rechargeable battery based on sustainable materi- als like aluminium and carbon could be a promising alternative. This battery has shown to exhibit high power density and good cyclability with an electrolyte based on AlCl3 and EMIm-Cl. In this work, a commercially available synthetic graphite will be inves- tigated as a potential cathode for the aluminium carbon battery. The synthetic graphite cathode will be tested with two different electrolytes. One of the electrolytes is the 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl electrolyte. The other electrolyte is a novel organic electrolyte consisting of 1:3 AlCl3:AlLiH4 in THF. The 1:3 AlCl3:AlLiH4 in THF electrolyte appeared to not work for the aluminium-carbon battery with the synthetic graphite cathode. This was observed from that almost no current (< 0.5 nA cm−2) would pass through the cell, even at high potentials (4 V vs Al3+/Al). The 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl electrolyte worked better for the aluminium-carbon battery. It was demonstrated that cathodes based on synthetic graphite could be cy- cled at 100 mA g−1 in this electrolyte, provided that the battery was only charged up to 60 mAh g−1 (to avoid side reactions). Rate tests were performed with the synthetic graphite cathode in the 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl electrolyte. In these experiments, different cut-off voltages, amounts of charge provided and charge/discharge rates were tested. It was revealed that a cut-off voltage of 2.1 V resulted in a significantly higher CE than a cut-off voltage of 2.2 V. The battery with a cut-off voltage of 2.1 V was able to cycle with a high CE up to at least 500 mA g−1, while the batteries with a cut-off voltage of 2.2 V had a significant drop in CE when they were cycled above 200 mA g−1. The specific discharge capacity was significantly lower when the cut-off voltage was at 2.1 V.