Summary
En protokol er præsenteret for studere multi-elektron metal / luft batteri systemer ved hjælp af tidligere teknologi udviklet til zink / luft-celle. Elektrokemisk test udføres dernæst på fabrikerede batterier til at evaluere performance.
Abstract
En teknik til at undersøge egenskaber og opførelse af nye multi-elektron metal / luft batteri systemer er foreslået og præsenteres. En fremgangsmåde til at syntetisere nanoskopiske VB 2 præsenteres samt trin-for-trin procedure for anvendelse af en zirconiumoxid belægning til VB 2 partikler til stabilisering ved udladning. Fremgangsmåden til demontering eksisterende zink / luft-celler er vist foruden opførelsen af den nye arbejdselektrode at erstatte den konventionelle zink / luft-celle anode med en nanoskopiske VB 2 anode. Endelig er udledning af den udfyldte VB 2 / luft batteri rapporteret. Vi viser, at brugen af zink / luft-celle som en test seng er nyttigt at give en konsistent konfiguration til at studere udførelsen af højenergi-høj kapacitet nanoskopiske VB 2 anode.
Introduction
Vanadium diborid som anode har blandt de højeste volumetriske opladningskapacitet enhver anodemateriale. Denne protokol indfører en metode til at studere denne fascinerende materiale. Metallisk zink har været den fremherskende anode materiale i vandige primære systemer på grund af zink metal høje to-elektron volumetrisk og gravimetrisk charge lagerkapacitet på 5,8 kah L -1 og 820 Ah kg -1, hhv. * Zink-carbon batteri, kendt som Den Leclanché celle blev først indført i det 19. århundrede, der kombinerer en zink anode med en mangandioxid (carbon strømaftager) katode i en chlorid elektrolyt 1.. Den fælles alkalisk batteri udnytter samme par, men erstatter chlorid elektrolyt med en vandig alkalihydroxid elektrolyt. Sammen zink-kul-og alkaliske batterier udgør størstedelen af primære batterier, der sælges 1.. Når Mangandioxidelementer i alkalinecelle erstattesaf en luftkatode er væsentligt højere energi lagerkapacitet opnået. Denne zink-luft-batteri bruger ilt fra luften, og er almindeligt forekommende i høreapparat batterier 1-3.
Vores søgen efter højere kapacitet batteri oplagring har fokuseret på materialer, der kan overføre flere elektroner per molekyle 4-11. Blandt de mange forskellige redoxpar vi har udforsket, skiller VB 2 som en ekstraordinær alkalisk anode stand til at frigive 11 elektroner pr VB 2, med volumetriske og gravimetriske kapacitet 20,7 kah L -1 og 4060 Ah kg -1 hhv. * I 2004 Yang og medarbejdere rapporterede udledning af VB 2, men også dokumenteret den udvidede område, hvor VB 2 er modtagelige for korrosion i alkali medier 12. I 2007 rapporterede vi at en belægning på VB 2 partiklerne forhindrer denne korrosion 13, hvilket fører til demonstration af VB 2 / luft battery i 2008 14..
I denne artikel præsenterer vi en protokol, der bruges til at undersøge nye metal / luft-systemer anvender teknologien tidligere udviklet til zink / luft-celle, som anvendes til VB 2 / luft-celle. En nanoscopicVB 2 anode præsenteres som en høj-energi med høj effekttæthed anode stand til at udvise en elleve-elektron oxidation reaktion nærmer den teoretiske iboende kapacitet på 4060 Ah kg -1 ved øget batterispænding og batteriets belastning kapacitet. VB 2 / luft par bruger en alkalisk elektrolyt KOH / NaOH, anvender den samme ilt luftkatoden udvundet fra zink / luft-celle 1.. Kulstof elektrokatalytiske katode ikke indtages under afladning.
Der eksisterer et behov for en større forståelse VB 2 / luft-system med henblik på yderligere at forbedre celle ydeevne. De egenskaber og opførelse af nanoskopiske VB 2 materialer kan udforskes ved hjælp than celle konfiguration af zink / luft-celle 15,16. Elektrokemisk test kan udføres for nanoskopiske VB 2 at sammenligne resultater gennem procent effektivitet på forskellige satser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.. Forberedelse Nano-VB 2
Nanoskopiske VB 2 direkte syntetiseret fra elementært vanadium og bor via kugleformaling i en 01:02 mol ration.
- Rense en 50 ml hårdmetal fræsning krukken og ti 10 mm wolframcarbid bolde. Tør under luft i en ovn ved 100 ° C i 1 time for at sikre al vandet er fordampet.
- Aftør indersiden af fræsning krukken for at sikre, at ingen rester tilbage, gentages trin 1.1, hvis rester er synlig.
- Rense forkammeret af et handskerum med argon 3x i 10 minutter hver gang. Overfør fræsning krukke, bolde og ren spatel i argon fyldt handskerummet.
- Afvej vanadium og bor pulver i et molforhold på 1:2, 0,500 g vanadium og 0.212 g bor i fræsning krukken, tilsæt de bolde, og forsegle fræsning krukken.
- Tag den forseglede fræsning krukken fra handskerummet, læg det i en planetarisk kuglemølle sat til 600 rpm og mill for 4 timer.
- Efter completion, tillade fræsning krukken afkøle til stuetemperatur, før du fjerner fra kuglemøller.
- Rense forkammeret af et handskerum med argon 3x i 10 minutter hver gang. Overfør fræsning krukke, rundbundet kolbe, paraffin film, spatel, og magnetisk omrørerstav i handskerummet.
- Påfør zirconiumoxid coatingen til den forberedte nanoskopiske VB 2 som følger:
- Inde i handskerummet indsamle nano-VB 2 tidligere fremstillede ved hjælp af en spatel til at skrabe væggene i fræsning krukken indtil hovedparten af start massen er blevet tilbagebetalt. Afvejes og overføre det indsamlede nano-VB 2 i en rundbundet kolbe.
- Afvej 3,5 vægtprocent zirconiumchlorid forhold til den indsamlede VB 2 og derefter tilføje pulveret til den rundbundede kolbe indeholdende indsamlet nano-VB 2.
- Tilføj en magnetomrører til kolben og bruge paraffin film forsegle åbningen forud for fjernelse fra handskerummet. Alternativt, enseptum har været brugt med tilsvarende resultater Fjern den rundbundede kolbe fra handskerummet.
- Anvendelse af en 10 ml sprøjte, overføres 10 ml diethylether i den rundbundede kolbe. Hurtigt dække hullet skabt af sprøjten i paraffin film med et yderligere stykke Parafilm.
- Bland kolben på opsigt plade i en time på en mellemlang indstilling.
- Efter en time inddampes den resterende diethylether off af nano-VB 2 under anvendelse af en rotationsfordamper eller anden pumpe konfiguration indtil belagt nano-VB 2 vises tør.
- Efter Zr belagt nano-VB 2 er helt tør, indsamle.
2.. Udarbejdelse af elektrolyt
- Klargør en blanding af 4 M KOH og 4 M NaOH-opløsning til anvendelse som elektrolyt. (BEMÆRK: Sørg kun nok til at vare et par uger, gentages efter behov for at danne nye celler). Vandige hydroxid elektrolytter af NaOH og KOH er blevet udforsket i fortiden spænder koncentrationen løbging af 8 M til mættet. Kombinationen af 4 M NaOH og 4 M KOH giver marginalt forbedret høj ydeevne i forhold til tidligere resultater ved hjælp af en ren NaOH elektrolyt.
3.. Demontering Zink / luft-batterier
Se tabellen med regents og materialer til oplysninger om batteri producent og modelnummer.
- Åbning af zink / luft-celle til senere fremstilling af VB 2 / luftceller.
- Opret en nedskæring i læben af medaljen cell huset med diagonale bidetang.
- Krympe uden kanter af læben udad. Efter går helt omkring cellen to gange, burde det være let at åbne.
- Ved hjælp af et barberblad, push up på kanten af hætten langsomt, forsigtigt tvinge åbne cellen. BEMÆRK: Det kan tage et stykke tid at få cellen åbne. Vær tålmodig og omhyggelig med ikke at knække eller beskadige dele, når du gør dette trin. Cellen bliver nødt til at forblive intakt.
- Klargøring af batteri til brug
- Når cellen er åbnet i to dele (hætten og nederst) begynder at forsigtigt fjerne zink anode materiale fra hætten og i bunden.
- Fjern så meget fast zink som muligt med barberblad. Må ikke skrabe bunden, er det vigtigt ikke at beskadige nogen dele. Separatoren (nederst) og pakningen (siderne) danner en enkelt uigennemsigtige overlæg, som let kan punkteres ved hjælp anvende for meget pres med barberblad. Piercing separatoren vil resultere i skader luftkatoden. Desuden, hvis pakningen forstyrres pålideligheden af cellen være elektrisk isolerede går tabt.
- Ved hjælp af en vatpind forsigtigt Tør tilbageværende zink og rester fra hætten, nederst og separator.
- Rengør hætten og uden for cellen med isopropylalkohol.
4.. Fremstilling af en 5 mAh arbejdselektrode med en 70/30 tør blanding
- Brug syntetiseret Zr belagt nano-VB 2 som aktive materialeral afvejes 0,0012 g pr elektrode skal fremstilles (sædvanligvis 5 - 10 celler testes ad gangen) og overføres til en morter og støder.
- Tilsæt 30% af den vejede VB 2, 0,0005 g grafitkul black (pr. elektrode), til det aktive materiale i morter og støder og male i 30 min.
- Sørg for, at der ikke er store, synlige klynger af materiale og indsamle pulver.
- Afveje ca 0,0017 g af 70/30-powder blanding pr ren elektrode cap ved hjælp af en spatel. (Hvis fremstilling flere celler på et tidspunkt, på anden måde overføre materiale til elektroden cap).
- Tilføj en enkelt dråbe af isopropylalkohol til hver hætte og slyng pulver med en spatel eller andre små spids indtil der ikke er klumper og affjedring er jævnt fordelt over toppen af hætten.
- Lad elektroderne tørre i 30 min.
5.. VB 2-Air Cell forsamling - Dry Method
- Saml celler i omvendt fra zink / air celle med arbejdsmiljøet elektrode, cap, med hovedet nedad.
- Organisere hver celle (den 5 - 10 testes) i to rækker, hætterne i ét og de tilsvarende bunde i den anden. Inspicere hver hætte for at sikre, at anoden materiale jævnt fordelt og ikke revnet.
- Tilføj 27 pi 4 M KOH / 4 M NaOH elektrolyt-blanding til hvert separator.
- Forsigtigt fjerne overskydende elektrolyt fra bunden ved hjælp af bomuld duppe kun én gang inde i bunden.
- Omhyggeligt tage hver af bundene, vende dem over, og placere dem på toppen af hætter, således at den anodiske materiale er i kontakt med elektrolytten.
- Påfør tryk og forsegle med en hurtigtørrende epoxy.
6.. Nano-VB 2 / Air Cell Testing
- Når fremstillingsprocessen er afsluttet, placere celler på en udledning rack eller batteriholderen.
- Tillad hver celle en indledende hvile trin på ti minutter for at sikre, at cellerne ækvilibrere før afladning.
- Afladceller ved en konstant belastning på 3.000 Ω (eller en alternativ ønsket belastning) med en batteritester.
- Efter ækvilibreringstrinet, tage en måling af det åbne kredsløb potentiale.
- Så aflade under en konstant belastning, indtil en standsning spænding på 0,4 V er nået.
- Coulombiske effektivitet kan derefter beregnes ved den procentdel af den målte kapacitet i forhold til den teoretiske anode elleve elektronudladning kapacitet på 4.060 Ah kg -1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Elektrokemisk test udført for at bestemme ydeevnen af VB 2 / luft-batterier. De opnåede resultater for flere celler bevis for reproducerbarhed af cellen ydeevne. Figur 1 sammenligner VB 2 / luft batterier i løbet af en 3.000 ohm (til venstre) og 1.000 ohm (til højre) decharge. Bemærk, at udledning spænding, samt den del af 4.060 Ah kg -1 iboende kapacitet er højere med nanoskopiske VB 2 anode i forhold til den makroskopiske VB 2 anode celle, og at denne celle bevarer også højere effektivitet ved højere hastighed (sammenligning de 1.000 til 3.000 ohm belastning) med denne anode. Mærkning af celler er som følger, for eksempel I-FC000, hvor jeg er en arbitrær konstant står FC for en fuld celle, og 000 er testen nummer. Figur 2 validerer at tomme, Zn eller Zn / VB 2 celler udledning er som forventet. Figur 3 viser zirconia overlag Present på VB 2 nanopartikler. Figur 4 fotografier træk faser af Zink / luft batteri demontering, og figur 5 stadier af udskiftningen anode opspind. Endelig Figur 6 viser korrekt limning af cellen til at sikre gode forbindelser på både anode og katode at etablere en god celle segl. Arbejdselektroden kan også fremstilles ved anvendelse af alternative processer til den tørre metode. For eksempel kan VB 2 blandes som en vandig dispersion (opslæmning), og derefter jævnt fordelt over den rustfri strømaftager, eller som det ses i figur 7, støbt som et faststof VB 2 disk med en Kynar bindemiddel på en rustfri stål shim .
Figur 1. Data opnået for relativt langsomme discharge gange (3.000 Ω og 1.000 Ω). Celler er typisk udledes ved 3.000 Ω for at give sammenligninger mellem eksperimenter og celle ydeevne.
Figur 2. Validering, renset Panasonic 675 Zink / luft batterier giver en nyttig test seng for nano-VB2 anode, i forhold til den makroøkonomiske VB2 anode er en tom anode celle (øverst til venstre), anode, der kun indeholder pakning carbon-no VB2 (nederst til venstre) , anode med Zn-nr VB2 (øverst til højre), og anode med en komposit af Zn og VB2 (nederst til højre). Øverst til venstre viser udledning af et fuldt renset og lukket Zink / luft-celle uden nogen anode materiale (tom tom celle, ingen kul og uden VB 2) til stede med en typisk nano-VB 2 decharge for sammenligning. Øverst til højre viser udledningen af celle, der indeholder 20mAh af zink anode materiale. Zink celle anvendes til valIdate VB 2 celle konfiguration og bruger den originale zink som genindført tilbage i cellen. Nederst til venstre er et eksempel på en udledning, som indeholder kun den passende mængde af grafitkul sort til en typisk VB 2 udledning med en typisk nano-VB 2 udledning til sammenligning. Nederst til højre viser en nano-VB 2 celle med tilstedeværelsen af bevidst tilsat zink i anoden, og den observerede særskilte afladningsspænding plateauer er bevis for, at VB 2-alone anode ikke indeholder en betydelig zink kontaminant. Den venstre figur validerer, at den tomme celle udviser en øvre grænse på mindre end 4% af den målte VB 2 indeholder anode kapacitet.
Figur 3. Høj opløsning SEM-billede af zirconiumoxid overtrukket VB 2 </ Sub>.
Figur 4.. Korrekte måde at adskille et Zink / luft batteri til VB 2-Air Cell forsamling. Figur 4a og 4b viser en fabrik celler forud for åbningen. Figur 4c og 4d viser den indledende snit og åbning af batteriet. Figur 4e (også mærket Top) og figur 4f (nederst) giver et billede af den åbnede cellen før fjernelse af zink anode materiale. Efter fjernelse membranen renses og udslettet som vist i figur 4g. Figur 4h viser det område, hvor VB 2 anode fremstilles.
Figur 5. Fremstilling af arbejdselektroden. Figur 4a </ Strong> giver et eksempel på, hvordan det er forberedt. Ved etablering af elektroderne er det vigtigt, at ingen revner eller klumper er synlige, elektrodeoverfladen skal vises glat som vist i figur 4b.
Figur 6.. Korrekt limning af celler for at sikre gode forbindelser på både anode og katode og en god tætning på cellen.
Figur 7. Arbejdselektroden kan også fremstilles ved anvendelse af alternative processer til den tørre metode. Ovenfor er et eksempel på støbt nano-VB 2 anode forberedelse på en rustfri stål shim.
* Intrinsic volumetrisk specifik kapacitet beregnes som NDF / MW fra molekylvægten, MW (såsom Zn eller VB
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Byggeriet af VB 2 / luft batteri på denne måde giver mulighed for at studere og undersøge de elleve elektroner per molekyle ladningsoverførsel, der opstår, så muligheden for et nyt batteri med høj kapacitet. Hvis resultaterne viser ikke reproducerbare resultater, sikre, at alle zinkanoden materiale blev fjernet fra batteriet, at der er en jævn fordeling af aktivt materiale på hætten, og at cellerne er korrekt limet uden lækager. Hvis problemet fortsætter med at opstå, at batterierne er Panasonic 675 Zink / luft-celler fremstillet i Japan ikke Tyskland. Pakningen af en japansk celle skal vises uigennemsigtig og fastgjort til separatoren som én enhed. Hvis pakningen er adskilt og blå cellerne er tysk. Begrænsninger i denne teknik indbefatter ikke have evnen til at styre fugtigheden af cellen, skønt der tidligere ikke været nogen problemer observeret. Ved konstruktionen af VB 2 / luft-batteri, der er flere afgørende skridts skitseret i protokollen sektion: åbning af cellen, fjerner zink materiale, forberedelse af anodemateriale og indsættelse i cellen, lukker cellen omhyggeligt, og korrekt limning at sikre, at der ikke er lækager, og en god elektrisk forbindelse.
Røntgen-diffraktion er en bekvem teknik til at bekræfte 15,16 at de udgangsreaktanter (elementært vanadium og bor) ikke er til stede i det syntetiserede nano-VB 2. Transmissions elektron mikroskop (TEM) billeder fastslå, at zirconiumoxid belægningen jævnt dækker VB 2 partiklerne. Mens adskillelse og samling af zink / luft batterier er det vigtigt at sørge for, at huset forbliver intakt, og at membranen og separator er ikke skåret eller beskadiget i alligevel. Under afladning kan relativt små forskelle i spændinger og kapaciteter observeret for gentagne celler skyldes lille masse forskelle samt fra at bruge en celle konfiguration THAt resulterede ikke i ensartet tryk for hver celle.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne, Chris Rhodes, Ruben Lopez, Xuguang Li, Mahesh Waje og Matthew Mullings er medarbejdere i Lynntech Inc.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne anerkende National Science Foundation Award 1006568 til finansiering dette projekt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MATERIALS | |||
| Boron | Alfa Aesar | 11337 | |
| Diethyl Ether | J.T. Baker | 9244-06 | 4L |
| Epoxy | Loctite | Heavy Duty 5 min setting time | |
| Isopropyl Alcohol | |||
| Panasonic 675 Zinc/Air cell | Panasonic | PR675H | Made in Japan (not German) |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | Graphitic carbon black | |
| Vanadium | Aldrich | 262935 | |
| Vanadium Diboride | American Elements | 12007-37-3 | |
| Zirconium Chloride | Spectrum | Z20001 | |
| EQUIPTMENT | |||
| 50-mL round bottom flask | Fisher Scientific Co LLC | CG151001 | |
| Diagonal cutting pliers | Hardware store | ||
| Hot/stir plate | IKA | C-MAG HS 7 | |
| Glove box | Labconco | Precision Basic | |
| Ten 10-mm tungsten carbide balls | Lab Synergy | 55.0100.08 | |
| Tungsten carbide milling jar | Lab Synergy | 50.8600.00 | |
| Razor blade | Hardware store | ||
| Retsch PM 100 planetary ball mill | Retsch | 205400003 | |
| Stir bar | VWR International | 58947-140 | |
References
- Linden, D., Reddy, T. B. Handbook of Batteries. , 4th, McGraw-Hill. New York. (2010).
- Rogulski, Z., Czerwin'ski, A.
- Neburchilov, V., Wang, H., Martin, J. J., Qu, W. A review on air cathodes for zinc - air fuel cells. Journal of Power Sources. 195, 1271-1291 (2010).
- Yu, X., Licht, S. High capacity alkaline super-iron boride battery. Electrochimica Acta. 52, 8138-8143 (2007).
- Licht, S., Wang, B., Ghosh, S. Energetic Iron(VI) Chemistry: The Super-Iron Battery. Science. 285, 1039-1042 (1990).
- Licht, S. Novel aluminum batteries: a step towards derivation of superbatteries. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. , 134-241 (1998).
- Licht, S., Myung, N. Fluorinated Graphites as Energetic Cathodes for Nonaqueous Al Batteries. Electrochem. Solid-State Lett. 5, A160-A163 (2002).
- Licht, S., Ghosh, S. High power BaFe(VI)O4/MnO2 composite cathode alkaline super-iron batteries. Journal of Power Sources. 109, 465-468 (2002).
- Licht, S., Myung, N., Peramunage, D. Ultrahigh Specific Power Electrochemistry, Exemplified by Al/MnO4- and Cd/AgO Redox Chemistry. The Journal of Physical Chemistry B. 102, 6780-6786 (1998).
- Licht, S. Aluminum/Sulfur Battery Discharge in the High Current Domain. J. Electrochem. Soc. 144, L133-L136 (1997).
- Gao, X. -P., Yang, H. -X. Multi-electron materials for high energy density batteries. Energy and Environmental Science. 3, 174-189 (2010).
- Yang, H. X., Wang, Y. D., Ai, X. P., Cha, C. S. Metal Borides: Competitive High Capacity Anode Materials for Aqueous Primary Batteries. Electrochemical and Solid-State. 7, A212-A215 (2004).
- Licht, S., Yu, X., Qu, X. Novel Alkaline Redox Couple: Chemistry of the Fe6+/B2- Super-iron Boride Battery. Chemical Communications. 2007, 2753-2755 (2007).
- Licht, S., Wu, H., Yu, X., Wang, Y. Renewable Highest Capacity VB2/Air Energy Storage. Chemical Communications. 2008, 3257-3259 (2008).
- Light, S., Ghosh, S., Wang, B., Jiang, D., Asercion, J., Bergmann, H. Nanoparticle Facilitated Charge Transfer and Voltage of a High Capacity VB2 Anode. Electrochemical and Solid-State. 14, 83-85 (2011).
- Licht, S., et al. Nano-VB2 Synthesis from Elemental Vanadium and Boron: Nano-VB2 Anode/Air Batteries. Electrochemical and Solid-State Letters. 15, A12-A14 (2012).
