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Modeling of Electron-Transfer Kinetics in Magnesium Electrolytes: Influence of the Solvent on the Battery Performance

Drews, Janina und Jankowski, Piotr und Häcker, Joachim und Li, Zhenyou und Danner, Timo und García Lastra, Juan Maria und Vegge, Tejs und Wagner, Norbert und Friedrich, Kaspar Andreas und Zhao-Karger, Zhirong und Fichtner, Maximilian und Latz, Arnulf (2021) Modeling of Electron-Transfer Kinetics in Magnesium Electrolytes: Influence of the Solvent on the Battery Performance. ChemSusChem. Wiley. doi: 10.1002/cssc.202101498. ISSN 1864-5631.

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Offizielle URL: https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202101498

Kurzfassung

The performance of rechargeable magnesium batteries is strongly dependent on the choice of electrolyte. The desolvation of multivalent cations usually goes along with high energy barriers, which can have a crucial im- pact on the plating reaction. This can lead to significantly higher overpotentials for magnesium deposition compared to magnesium dissolution. In this work we combine experimental measurements with DFT calcula- tions and continuum modelling to analyze Mg deposition in various solvents. Jointly, these methods provide a better understanding of the electrode reactions and especially the magnesium deposition mechanism. Thereby, a kinetic model for electrochemical reactions at metal electrodes is developed, which explicitly couples desolva- tion to electron transfer and, furthermore, qualitatively takes into account effects of the electrochemical double layer. The influence of different solvents on the battery performance is studied for the state-of-the-art magne- sium tetrakis(hexafluoroisopropyloxy)borate electrolyte salt. It becomes apparent that not necessarily a whole solvent molecule must be stripped from the solvated magnesium cation before the first reduction step can take place. For Mg reduction it seems to be sufficient to have one coordination site available, so that the magnesium cation is able to get closer to the electrode surface. Thereby, the initial desolvation of the magnesium cation determines the deposition reaction for mono-, tri- and tetraglyme, whereas the influence of the desolvation on the plating reaction is minor for diglyme and tetrahydrofuran. Overall, we can give a clear recommendation for diglyme to be applied as solvent in magnesium electrolytes.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/143907/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Modeling of Electron-Transfer Kinetics in Magnesium Electrolytes: Influence of the Solvent on the Battery Performance
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Drews, Janinajanina.drews (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9800-6421NICHT SPEZIFIZIERT
Jankowski, PiotrTechnical University of Denmark (DTU)https://orcid.org/0000-0003-0178-8955NICHT SPEZIFIZIERT
Häcker, JoachimJoachim.Haecker (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2031-9898NICHT SPEZIFIZIERT
Li, ZhenyouKarlsruhe Institute of Technology (KIT)https://orcid.org/0000-0001-9624-2124NICHT SPEZIFIZIERT
Danner, TimoTimo.Danner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2336-6059NICHT SPEZIFIZIERT
García Lastra, Juan MariaTechnical University of Denmark (DTU)https://orcid.org/0000-0001-5311-3656NICHT SPEZIFIZIERT
Vegge, TejsTechnical University of Denmark (DTU)https://orcid.org/0000-0002-1484-0284NICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, NorbertNorbert.Wagner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2596-8689NICHT SPEZIFIZIERT
Friedrich, Kaspar AndreasAndreas.Friedrich (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2968-5029NICHT SPEZIFIZIERT
Zhao-Karger, ZhirongKarlsruhe Institute of Technology (KIT)https://orcid.org/0000-0002-7233-9818NICHT SPEZIFIZIERT
Fichtner, MaximilianKarlsruhe Institute of Technology (KIT)https://orcid.org/0000-0002-7127-1823NICHT SPEZIFIZIERT
Latz, Arnulfarnulf.latz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1449-8172NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:30 August 2021
Erschienen in:ChemSusChem
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1002/cssc.202101498
Verlag:Wiley
ISSN:1864-5631
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Computational electrochemistry Deposition mechanism Desolvation Electron-transfer kinetics Rechargeable magnesium batteries
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Speicher
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Drews, Janina
Hinterlegt am:29 Okt 2021 11:13
Letzte Änderung:28 Feb 2023 08:48

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