Published October 18, 2019 | Version v1
Publication Open

The Influence of Dimethyl Sulfoxide as Electrolyte Additive on Anodic Dissolution of Alkaline Zinc-Air Flow Battery

Creators

  • 1. Chulalongkorn University
  • 2. Hokkaido University

Description

Abstract The present work describes the effects of dimethyl sulfoxide (DMSO) in KOH aqueous electrolyte on the performance of a zinc-air flow battery. Aqueous electrolytes containing 7 M KOH and (0 to 20)% v/v DMSO were studied revealing a critical role of DMSO on the dissolution and deposition of zinc. The anodic zinc dissolution process was studied via cyclic voltammetry, Tafel polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The presence of DMSO showed improved zinc dissolution performance with the highest peak of zinc dissolution being the electrolyte containing 5% v/v DMSO. Tafel analysis demonstrated a significant decrease in polarization resistance and an increase in corrosion rate due to the introduction of DMSO to the electrolyte. This suggests that DMSO has the ability to suspend zinc oxide in the electrolyte, thus preventing passivation of the zinc surface. EIS results revealed that by adding DMSO to the electrolyte, charge transfer resistance increased. This is attributed to the formation of passive layers having arisen from DMSO adsorption, the formation of zincate ions in the vicinity of the zinc surface, and the deposition of discharged products. A difference in Nyquist plots was observed for 20% v/v DMSO/KOH and 0% v/v DMSO/KOH electrolytes implying non-Debye relaxation behavior taking place due to the surface effects. The electrolytes were implemented in a zinc-air flow battery. Maximum power densities of 130 mW/cm 2 (5% v/v DMSO) and 125 mW/cm 2 (20% v/v DMSO) were obtained and were observed to be about 43% and 28% higher than that of the DMSO-free electrolyte. Results indicated that when 20% v/v DMSO was added to KOH solution, there was 67% zinc utilization efficiency (550 mAh/g) which provided 20% improvement in discharge capacity. Further, the battery with 20% v/v DMSO demonstrated excellent cyclability. Overall, DMSO shows great promise for enhancement of zinc dissolution/deposition in zinc-air batteries.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص يصف العمل الحالي تأثيرات ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) في المنحل بالكهرباء المائي KOH على أداء بطارية تدفق الزنك والهواء. تمت دراسة الإلكتروليتات المائية التي تحتوي على 7 M KOH و (0 إلى 20 )٪ v/v DMSO مما يكشف عن دور حاسم لـ DMSO في حل وترسيب الزنك. تمت دراسة عملية ذوبان الزنك الأنودي عبر قياس الجهد الدوري واستقطاب تافيل ومطياف المعاوقة الكهروكيميائية (EIS). أظهر وجود DMSO تحسنًا في أداء ذوبان الزنك مع أعلى قمة من ذوبان الزنك وهي المنحل بالكهرباء الذي يحتوي على 5 ٪ v/v DMSO. أظهر تحليل Tafel انخفاضًا كبيرًا في مقاومة الاستقطاب وزيادة في معدل التآكل بسبب إدخال DMSO إلى المنحل بالكهرباء. هذا يشير إلى أن DMSO لديه القدرة على تعليق أكسيد الزنك في المنحل بالكهرباء، وبالتالي منع تخميل سطح الزنك. كشفت نتائج EIS أنه بإضافة DMSO إلى المنحل بالكهرباء، زادت مقاومة نقل الشحن. ويعزى ذلك إلى تكوين طبقات سلبية نشأت عن امتزاز DMSO، وتشكيل أيونات الزنك في محيط سطح الزنك، وترسب المنتجات المفرغة. لوحظ وجود اختلاف في مخططات نيكويست لـ 20 ٪ v/v DMSO/KOH و 0 ٪ v/v DMSO/KOH بالكهرباء مما يشير إلى سلوك الاسترخاء غير الوداعي الذي يحدث بسبب التأثيرات السطحية. تم تنفيذ الشوارد في بطارية تدفق الزنك والهواء. تم الحصول على كثافة طاقة قصوى تبلغ 130 ميغاواط/سم 2 (5 ٪ v/v DMSO) و 125 ميغاواط/سم 2 (20 ٪ v/v DMSO) ولوحظ أنها أعلى بحوالي 43 ٪ و 28 ٪ من المنحل بالكهرباء الخالي من DMSO. أشارت النتائج إلى أنه عند إضافة 20 ٪ v/v DMSO إلى محلول KOH، كان هناك 67 ٪ من كفاءة استخدام الزنك (550 مللي أمبير/جم) مما أدى إلى تحسن بنسبة 20 ٪ في سعة التفريغ. علاوة على ذلك، أظهرت البطارية التي تحتوي على 20 ٪ v/v DMSO قابلية تدوير ممتازة. بشكل عام، يُظهر DMSO وعدًا كبيرًا لتعزيز ذوبان/ترسيب الزنك في بطاريات الزنك الهوائية.

Translated Description (French)

Résumé Le présent travail décrit les effets du diméthylsulfoxyde (DMSO) dans l'électrolyte aqueux KOH sur les performances d'une batterie à flux zinc-air. Les électrolytes aqueux contenant 7 M KOH et (0 à 20)% v/v de DMSO ont été étudiés révélant un rôle critique du DMSO sur la dissolution et le dépôt du zinc. Le processus de dissolution du zinc anodique a été étudié par voltamétrie cyclique, polarisation de Tafel et spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). La présence de DMSO a montré une amélioration des performances de dissolution du zinc, le pic le plus élevé de dissolution du zinc étant l'électrolyte contenant 5% v/v de DMSO. L'analyse de Tafel a démontré une diminution significative de la résistance à la polarisation et une augmentation du taux de corrosion en raison de l'introduction de DMSO dans l'électrolyte. Cela suggère que le DMSO a la capacité de suspendre l'oxyde de zinc dans l'électrolyte, empêchant ainsi la passivation de la surface du zinc. Les résultats de l'EIS ont révélé qu'en ajoutant du DMSO à l'électrolyte, la résistance au transfert de charge augmentait. Ceci est attribué à la formation de couches passives issues de l'adsorption du DMSO, à la formation d'ions zincate à proximité de la surface du zinc et au dépôt de produits déchargés. Une différence dans les tracés de Nyquist a été observée pour 20% v/v d'électrolytes DMSO/KOH et 0% v/v d'électrolytes DMSO/KOH, ce qui implique un comportement de relaxation non Debye en raison des effets de surface. Les électrolytes ont été mis en œuvre dans une batterie à flux zinc-air. Des densités de puissance maximales de 130 mW/cm 2 (5% v/v DMSO) et 125 mW/cm 2 (20% v/v DMSO) ont été obtenues et ont été observées supérieures d'environ 43% et 28% à celles de l'électrolyte sans DMSO. Les résultats ont indiqué que lorsque 20 % v/v de DMSO étaient ajoutés à la solution de KOH, l'efficacité d'utilisation du zinc était de 67 % (550 mAh/g), ce qui améliorait de 20 % la capacité de décharge. De plus, la batterie avec 20% v/v de DMSO a démontré une excellente cyclabilité. Dans l'ensemble, le DMSO est très prometteur pour l'amélioration de la dissolution/du dépôt du zinc dans les batteries zinc-air.

Translated Description (Spanish)

Resumen El presente trabajo describe los efectos del dimetilsulfóxido (DMSO) en el electrolito acuoso Koh sobre el rendimiento de una batería de flujo de zinc-aire. Se estudiaron electrolitos acuosos que contenían Koh 7 M y (0 a 20)% v/v de DMSO, revelando un papel crítico del DMSO en la disolución y deposición de zinc. El proceso de disolución de zinc anódico se estudió mediante voltametría cíclica, polarización de Tafel y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). La presencia de DMSO mostró un rendimiento de disolución de zinc mejorado, siendo el pico más alto de disolución de zinc el electrolito que contiene 5% v/v de DMSO. El análisis de Tafel demostró una disminución significativa en la resistencia a la polarización y un aumento en la tasa de corrosión debido a la introducción de DMSO en el electrolito. Esto sugiere que el DMSO tiene la capacidad de suspender el óxido de zinc en el electrolito, evitando así la pasivación de la superficie de zinc. Los resultados del EIS revelaron que al añadir DMSO al electrolito, la resistencia a la transferencia de carga aumentó. Esto se atribuye a la formación de capas pasivas que han surgido de la adsorción de DMSO, la formación de iones de zincato en las proximidades de la superficie de zinc y la deposición de productos descargados. Se observó una diferencia en las gráficas de Nyquist para DMSO/Koh al 20% v/v y electrolitos de DMSO/Koh al 0% v/v, lo que implica que tiene lugar un comportamiento de relajación sin Debye debido a los efectos en la superficie. Los electrolitos se implementaron en una batería de flujo de zinc-aire. Se obtuvieron densidades de potencia máximas de 130 mW/cm 2 (5% v/v de DMSO) y 125 mW/cm 2 (20% v/v de DMSO) y se observó que eran aproximadamente 43% y 28% más altas que las del electrolito libre de DMSO. Los resultados indicaron que cuando se añadió DMSO al 20% v/v a la solución de Koh, hubo una eficiencia de utilización de zinc del 67% (550 mAh/g) que proporcionó una mejora del 20% en la capacidad de descarga. Además, la batería con 20% v/v de DMSO demostró una excelente ciclabilidad. En general, el DMSO es muy prometedor para mejorar la disolución/deposición de zinc en baterías de zinc-aire.

Files

s41598-019-51412-5.pdf.pdf

Files (3.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:6feccfe4edb9ca67c91ab65f9a96d5bf
3.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تأثير ثنائي ميثيل سلفوكسيد كمادة مضافة للكهارل على الذوبان الأنودي لبطارية تدفق الزنك والهواء القلوية
Translated title (French)
L'influence du sulfoxyde de diméthyle comme additif électrolytique sur la dissolution anodique de la batterie alcaline à flux d'air et de zinc
Translated title (Spanish)
La influencia del dimetilsulfóxido como aditivo electrolítico en la disolución anódica de la batería de flujo alcalino de zinc-aire

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2980553510
DOI
10.1038/s41598-019-51412-5

Is supplement to
https://openalex.org/W4241656986 (Other)
https://openalex.org/W3152389302 (Other)
https://openalex.org/W3144084995 (Other)
https://openalex.org/W3107198393 (Other)
https://openalex.org/W2359458279 (Other)
https://openalex.org/W2097358129 (Other)
https://openalex.org/W2080301859 (Other)
https://openalex.org/W2073401498 (Other)
https://openalex.org/W2069745686 (Other)
https://openalex.org/W1988385359 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1970996323
  • https://openalex.org/W1974155385
  • https://openalex.org/W1977844050
  • https://openalex.org/W1981204912
  • https://openalex.org/W2005240838
  • https://openalex.org/W2010037210
  • https://openalex.org/W2014921734
  • https://openalex.org/W2025732997
  • https://openalex.org/W2033837778
  • https://openalex.org/W2046416604
  • https://openalex.org/W2074982529
  • https://openalex.org/W2077330355
  • https://openalex.org/W2100206125
  • https://openalex.org/W2149130844
  • https://openalex.org/W2162719573
  • https://openalex.org/W2278369748
  • https://openalex.org/W2288357844
  • https://openalex.org/W2328108718
  • https://openalex.org/W2405049462
  • https://openalex.org/W2566439145
  • https://openalex.org/W2589379364
  • https://openalex.org/W2594382820
  • https://openalex.org/W2769137371
  • https://openalex.org/W2783550130
  • https://openalex.org/W2791669671
  • https://openalex.org/W2804139506
  • https://openalex.org/W2805239233
  • https://openalex.org/W2806133519
  • https://openalex.org/W2811043110
  • https://openalex.org/W2857087139
  • https://openalex.org/W2883549689
  • https://openalex.org/W2888168677
  • https://openalex.org/W2892022041
  • https://openalex.org/W2893567372
  • https://openalex.org/W2895069465
  • https://openalex.org/W2899364043
  • https://openalex.org/W2901712643
  • https://openalex.org/W2915037233
  • https://openalex.org/W2915924291
  • https://openalex.org/W2934823553
  • https://openalex.org/W2952322531
  • https://openalex.org/W55647118