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Magnesium Anode Protection by an Organic Artificial Solid Electrolyte Interphase for Magnesium-Sulfur Batteries

Häcker, Joachim und Rommel, Tobias und Lange, Pia Lena und Zhao-Karger, Zhirong und Morawietz, Tobias und Biswas, Indro und Wagner, Norbert und Nojabaee, Maryam und Friedrich, Kaspar Andreas (2023) Magnesium Anode Protection by an Organic Artificial Solid Electrolyte Interphase for Magnesium-Sulfur Batteries. ACS Applied Materials and Interfaces, 15, Seiten 33013-33027. American Chemical society (ACS). doi: 10.1021/acsami.3c07223. ISSN 1944-8244.

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Offizielle URL: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c07223

Kurzfassung

In the search for post-lithium battery systems, magnesium-sulfur batteries have attracted research attention in recent years due to their high potential energy density, raw material abundance, and low cost. Despite significant progress, the system still lacks cycling stability mainly associated with the ongoing parasitic reduction of sulfur at the anode surface, resulting in the loss of active materials and passivating surface layer formation on the anode. In addition to sulfur retention approaches on the cathode side, the protection of the reductive anode surface by an artificial solid electrolyte interphase (SEI) represents a promising approach, which contrarily does not impede the sulfur cathode kinetics. In this study, an organic coating approach based on ionomers and polymers is pursued to combine the desired properties of mechanical flexibility and high ionic conductivity while enabling a facile and energy-efficient preparation. Despite exhibiting higher polarization overpotentials in Mg-Mg cells, the charge overpotential in Mg-S cells was decreased by the coated anodes with the initial Coulombic efficiency being significantly increased. Consequently, the discharge capacity after 300 cycles applying an Aquivion/PVDF-coated Mg anode was twice that of a pristine Mg anode, indicating effective polysulfide repulsion from the Mg surface by the artificial SEI. This was backed by operando imaging during long-term OCV revealing a non-colored separator, i.e. mitigated self-discharge. While SEM, AFM, IR and XPS were applied to gain further insights into the surface morphology and composition, scalable coating techniques were investigated in addition to ensure practical relevance. Remarkably therein, the Mg anode preparation and all surface coatings were prepared under ambient conditions, which facilitates future electrode and cell assembly. Overall, this study highlights the important role of Mg anode coatings to improve the electrochemical performance of magnesium-sulfur batteries.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/197782/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Magnesium Anode Protection by an Organic Artificial Solid Electrolyte Interphase for Magnesium-Sulfur Batteries
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Häcker, JoachimJoachim.Haecker (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2031-9898NICHT SPEZIFIZIERT
Rommel, TobiasTobias.Rommel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1864-7585NICHT SPEZIFIZIERT
Lange, Pia Lenapia.lange (at) iac.uni-stuttgart.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Zhao-Karger, Zhirongzhirong.zhao-karger (at) kit.eduhttps://orcid.org/0000-0002-7233-9818NICHT SPEZIFIZIERT
Morawietz, TobiasTobias.Morawietz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Biswas, IndroIndro.Biswas (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6815-4204NICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, NorbertNorbert.Wagner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2596-8689NICHT SPEZIFIZIERT
Nojabaee, MaryamMaryam.Nojabaee (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Friedrich, Kaspar AndreasAndreas.Friedrich (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:30 Juni 2023
Erschienen in:ACS Applied Materials and Interfaces
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:15
DOI:10.1021/acsami.3c07223
Seitenbereich:Seiten 33013-33027
Verlag:American Chemical society (ACS)
ISSN:1944-8244
Status:veröffentlicht
Stichwörter:magnesium−sulfur battery, magnesium anode, ionomers, artificial solid electrolyte interphase, electrochemical impedance spectroscopy, coating techniques
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E VS - Verbrennungssysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Materialen für die elektrochemische Energiespeicherung, E - Elektrochemische Speicher
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Häcker, Joachim
Hinterlegt am:27 Okt 2023 14:22
Letzte Änderung:23 Nov 2023 10:30

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