Novel electrolyte additives for Mg-Air batteries

Metal-air batteries are promising source of energy that provides electricity by redox reactions of oxygen reduction on cathode and metal oxidation on anode. Magnesium and its alloys have been drawn increasing attention recently as an anode of Metal-air batteries because of their low cost, high theoretical reduction potential and their non-toxic characteristics. However, they have not been received strong commercial interest yet, due to their low utilization efficiency and low practical voltage delivery. The latter is caused by formation of a passive hydroxide layer on the anode surface, and the former is caused by high self-corrosion of magnesium alloys in aqueous electrolytes, which is accelerated by Negative Difference Effect (NDE) phenomenon. Although NDE phenomenon is still a controversial topic of magnesium corrosion, it has been recently proved that nobler impurities (like Fe and Ni) effectively govern the intensity of this phenomenon. In this work, different organic complexing agents with the concentration of 0.05M were added to the NaCl 0.5wt% electrolyte in order to investigate their effect on discharge behavior of CP-Mg anode through their interaction with Mg anode and the nobler impurities. Moreover, pH of anodic cell and weight loss of anode after 24 hours of discharge were observed to understand a relation between discharge potential and additives chemistry. The results revealed that strong complexing agents (with Mg2+ and Fe3+ ions) can effectively improve the discharge potential by stopping the formation of Mg(OH)2 on the anode surface and reducing the cathodic sites area. However, higher magnesium corrosion rate was observed compared to the electrolyte without any additive. Then, two best-performed additives (NTA and Tiron) were investigated at different concentrations with the aim of utilization efficiency improvement. Scanning Electron Microscopy (SEM) of the anode surface, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), and potentiodynamic polarization test were carried out in order to better understanding of corrosion and charge/mass transfer mechanism during discharge.

Le batterie metallo-aria sono dei devices molto promettenti per il futuro; questi generano elettricità attraverso reazioni di ossidoriduzione, ossia riduzione di ossigeno al catodo e ossidazione del matello all’anodo. Il materiale principale di cui sono costituiti gli anodi delle batterie metallo-aria è il Magnesio (o leghe di magnesio) grazie al suo basso costo, alto potenziale di riduzione teorico e non tossicità. Nonostante ciò, questi anodi non hanno ancora un’elevata richiesta commerciale a causa della bassa efficenza di utilizzo e del basso potenziale prodotto. Quest’ultimo limite, è causato della formazione di un layer idrossolico passivo sulla superfice anodica; mentre il primo limite è dovuto all’elevata capacità delle leghe di Magnesio di corrodersi che in elettroliti acquosi è accelerata dal fenomeno di Negative Difference Effect (NDE). Anche se il fenomeno NDE è un argomento comunque controverso per la corrosione del magnesio, è stato recentemente studiato che impurità più nobili (come il ferro o il nichel) influenzano l’intensità di questo fenomeno. In questo lavoro, diversi agenti organici complessi, con una concentrazio di 0.05M, sono stati aggiunti all’elettrolita NaCl 0.5wt%, in modo da studiare il loro effetto sul comportamento di scarica del anodo di magnesio nel momento in cui avviene l’interazione con le impurità più nobili. Inoltre, il pH della cella anodica e la perdità di peso del anodo dopo 24 ore di discarica sono direttamente correlate ad una relazione tra il potenziale di scarica e la chimica degli additivi. Il risultato rivela che usando forti agenti complessanti (con ioni di Mg2+ e Fe3+) è possibile migliorare il potenziale in quanto bloccano la formazione di Mg(OH)2 sulla superfice anodica e riducono l’area catodica. Inoltre, viene registrato un maggiore rate di corrosione del magnesio rispetto a quello osservato con l’elettrolita senza additivi. La ricerca è proseguita con l’utilizzo di due ottimi additivi (NTA e Tiron) a diverse concetrazioni con lo scopo di migliorare l’efficenza di utilizzo. Per studiare i meccanismi di corrosione e di trasferimento di carica e massa durante la scarica, sono state effettuate le seguenti caratterizzazioni: Microscopia a scanning elettronico (SEM) sulla superfica anodica, Spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) e test di polarizzazione dinamica.