Comparison of Carbon Cathode Materials for Al-C Batteries

Abstract

Klimakrisen er en av de største utfordringene i vår tid og krever en betydelig overgang til bærekraftig energi for å redusere dens innvirkning. En løsning for å takle dette problemet er ved å bruke energilagring for å elektrifisere kraftnettet vårt, og litium-ion-batterier er ledende innen denne teknologien. Imidlertid er det flere utfordringer knyttet til dette, som batteriets resirkulering, brannfare og bruk av sjeldne jordmetaller. Dette gjør det essensielt å utvide horisonten og utforske andre oppladbare batterier, som for eksempel Al-C batterier. Dette systemet, kombinert med en elektrolytt som inneholder EMIm-Cl og AlCl3, viser god elektrokjemisk stabilitet sammen med høy effekttetthet. Denne forskningen presenterer en sammenlignende analyse av to karbon katode materialer, grafitt og koks, i Al-C-batteri, ved bruk av en 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl-elektrolytt. Dette studie fokuserer på interkalasjons mekanismen og overflatereaksjonene for begge katodene. Grafitt katoden presterte bedre enn katoden laget med koks i en 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl elektrolytt. Gjennom elektrokjemiske tester som galvanostatisk sykling og CV, inkludert karakteriseringsteknikker som XRD, ble interkalasjonen av AlCl4^- anionet i grafitten bekreftet. Den grafittiske cellen oppnådde en kapasitet på 54 mAh/g og en CE på 94 %. Til sammenligning viste koksen lav kapasitet under galvanostatisk sykling og nådde bare 11 mAh/g. Ingen distinkte interkalasjons eller deinterkalasjonstopper ble observert i differensialkapasitetsplottet. I tillegg viste XRD-analysen ingen endringer i karbon toppen, noe som eliminerer muligheten for at et lavkrystallinsk karbon materiale interkalerer dette anionet. Begge katodene gjennomgikk omfattende overflatereaksjoner som et resultat av interaksjon med elektrolytten, noe som ble fremhevet i SEM, EDS og FTIR. Overflateareal og krystallinitet er to dominerende faktorer for batteriytelsen, ved sammenligning av de to karbonmaterialeneThe climate crisis is one of the most critical challenges of our time, demanding a substantial shift toward sustainable energy to mitigate its impacts. One way to tackle this problem is by utilizing energy storage to electrify our grid, lithium-ion batteries are in the leading edge of this technology. However, there are multiple challenges related to this, such as recycling of the battery, fire hazard and employment of rare earth elements. This makes it necessary to widen the perspective, and explore with other rechargeable batteries such as Al-C batteries. This system coupled up with an electrolyte that contains EMIm-Cl and AlCl3, demonstrates good cycle stability alongside elevated power density. This study presents a comparative analysis of two carbon cathode materials, graphite and coke, in an Al-C battery, utilizing a 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl electrolyte. Investigating the intercalation mechanism and surface reactions for both cathodes. The synthetic graphite cathode performed better than the cathode made with coke in a 1.3:1 AlCl3:EMIm-Cl electrolyte. Through electrochemical test such as galvanostatic cycling and CV, including characterization techniques like XRD confirmed the intercalation of the AlCl4^- anion in the graphite. The graphitic cell achieved a capacity of 54 mAh/g, and CE of 94 \%. In comparison to the coke, which exhibited low capacity during galvanostatic cycling, only reaching 11 mAh/g. No distinct intercalation or de-intercalation peaks were observed in the differential capacity plot. Additionally, XRD analysis showed no changes in the carbon peak, thereby eliminating the possibility of a low-crystalline carbon material intercalating this anion. However both cathodes went through extensive surface reactions, as a result of interaction with the electrolyte, highlighted in SEM, EDS and FTIR. Surface area and crystallinity being two dominating factors for the battery performance, comparing the two carbon materials