Organic redox-active flow batteries enabled by aqueous ionic liquid electrolytes

Abstract

The supporting electrolytes play a critical role in the electrochemical and thermal stability, solubility, and electrochemical reversibility of redox species. The utilization of aqueous electrolytes is promising for achieving techno-economic targets via advancement in energy density. Herein the attractive “Water-in-Ionic Liquid” aqueous electrolytes system using imidazolium chloride (EMImCl or BMImCl) are explored to extend the temperature stability window and the solubility of organic redox-active species. Water crystallization at subzero temperatures was effectively suppressed in the proposed aqueous electrolytes. The broadening of the electrochemical stability window of the supporting electrolytes enabled the studies of redox metal complexes over a broad temperature range. The organic redox-active species, such as nitroxyl radicals, bipyridinium, and quinones, achieved high solubility and enhanced electrochemical reversibility in the studied aqueous electrolytes with different molalities. The electrochemical performance has been studied with different concentrations of organic species, demonstrating good capacity retention and power density.

Die Leitelektrolyte spielen eine entscheidende Rolle für die elektrochemische und thermische Stabilität, Löslichkeit und elektrochemische Reversibilität von Redoxspezies. Die Verwendung von wässrigen Elektrolyten ist ein primärer Weg, um technoökonomische Ziele durch Verbesserung der Energiedichte zu erreichen. Hier werden attraktive wässrige Elektrolyte unter Verwendung von ionischen Imidazoliumchlorid (EMImCl oder BMImCl) Flüssigkeiten untersucht, um das Temperaturstabilitätsfenster und die Löslichkeit organischer redoxaktiver Spezies zu verbessern. Die Wasserkristallisation bei Temperaturen unter Null wurde in dem vorgeschlagenen wässrigen Elektrolyten wirksam unterdrückt. Die Verbreiterung des elektrochemischen Stabilitätsfensters der Leitelektrolyte ermöglichte die Untersuchung von Redoxmetallkomplexen über einen weiten Temperaturbereich. Die organischen redoxaktiven Spezies wie Nitroxylradikale, Bipyridinium und Chinone erreichten eine hohe Löslichkeit und eine verbesserte elektrochemische Reversibilität wässriger Elektrolyte mit unterschiedlicher Molalität. Die elektrochemische Leistung wurde bei verschiedenen Konzentrationen organischer Spezies untersucht.