Abstract
Et økende antall av elektrokjemiske teknologier avhenge av væskestrømmen, og ofte at væsken er ugjennomsiktig. Å måle strømningen av en opak væske er iboende vanskeligere enn å måle strømningen av en gjennomsiktig væske, ettersom optiske metoder er ikke aktuelt. Ultralyd kan benyttes for å måle hastigheten av en ugjennomsiktig væske, ikke bare ved isolerte punkter, men på hundrevis eller tusenvis av punkter plassert langs linjer, med god tidsoppløsning. Når den anvendes på en flytende metallelektrode, innebærer ultralyd velocimetry ytterligere utfordringer: høy temperatur, kjemisk aktivitet, og elektrisk ledningsevne. Her beskriver vi eksperimentelle apparater og metoder som overvinne disse utfordringene og tillater måling av strømningen i et flytende metallelektrode, som den leder strøm, ved driftstemperatur. Temperaturen reguleres innenfor ± 2 ° C ved hjelp av en proporsjonal-integral-Derivative (PID) kontrolleren som driver en spesialbygd ovn. Kjemiske aktivitet er mannalderen ved å velge fartøyet materialer nøye og omslutter den eksperimentelle oppsettet i en argon-fylt hanskerommet. Endelig er utilsiktede elektriske veier omhyggelig unngått. Et automatisert system logger kontrollinnstillinger og eksperimentelle målinger, ved hjelp av maskinvare på startsignalet for å synkronisere enheter. Dette apparat og disse metoder kan gi målinger som er umulig med andre teknikker, og tillate optimalisering og styring av elektrokjemiske teknologier som flytende metall batterier.
Introduction
Flytende metall batterier er en lovende teknologi som brukes for storskala energilagring på verdensbasis strømnett 1. Disse batteriene har høy energitetthet, høy effekttetthet, lang livssyklus, og lave kostnader, noe som gjør dem ideelle for grid-skala energilagring tre. Vi presenterer flytende metall batterier til energinettet ville tillate peak barbering, bedre rutenett stabilitet, og aktiver mye mer utbredt bruk av intermitterende fornybare kilder som solenergi, vindkraft og tidevannskraft. Flytende metall batterier er sammensatt av to flytende metallelektroder adskilt av en smeltet saltelektrolytt, som beskrevet i større detalj i en tidligere arbeids. Selv om mange forskjellige kombinasjoner av metaller og elektrolytt kan resultere i en arbeids flytende metall batteri, prinsippene for driften er de samme. Metallene velges slik at det er energimessig gunstig for dem til å danne en legering; dermed legerings lader ut batteriet, og de-legerings lader den. SALT lag er valgt slik at det tillater metallioner til å passere mellom de to elektroder, men blokkerer transport av nøytrale arter, for derved å gi elektrokjemisk kontroll over systemet.
Dette arbeidet vil avansere flytende metall batteriteknologi ved å kvantifisere og kontrollere massetransport effekter. Metodene som er beskrevet her er informert av elektrokjemiske metoder utviklet for flytende metall batteriene etter Sadoway et al. 1-4 samt tidligere flytende metall batteri arbeid ved Argonne National Laboratory 5,6, og arbeidet med den bredere elektro samfunnet (Bard og Faulkner 7 gir mange relevante referanser). Metodene som er beskrevet her også bygge på tidligere væskedynamikk studier. Ultralyd velocimetry ble utviklet og tatt i bruk i vann 8,9 og har siden blitt brukt til flytende metaller inkludert gallium 10,11, natrium 12,13, kvikksølv 14, bly-vismut 15, kobber-tinn 15 </ Sup>, og føre-lithium 16, blant andre. Eckert et al. Gir en nyttig gjennomgang av velocimetry i flytende metaller 17.
Nyere arbeider med metoder som ligner de som er beskrevet her 18 har vist at batteristrøm kan forbedre massetransport i flytende metall elektroder. Fordi massetransport i den positive elektrode er det hastighetsbegrensende trinn ved ladning og utladning av flytende metall batterier, blanding tillater derfor raskere opplading og utlading enn det som ellers ville være mulig. Videre har blande forhindrer lokale inhomogeniteter i elektroden, som kan danne faste stoffer som begrenser syklus levetid for et batteri. I pågående arbeid, fortsetter vi å studere rollen til fluidstrømmen i den positive elektrode i det flytende metall batteriet, som oppstår på grunn av termiske og elektromagnetiske krefter. Varmegradienter kjøre konvektive strømmen gjennom oppdrift, og batteristrøm kjøre flyt ved å samhandle med de magnetiske felt indusert av battery strøm selv. I eksperimenter ved hjelp av metodene beskrevet nedenfor, har vi observert strømmer med Reynolds nummer 50 <Re <200, beregnet fra elektroden dybde og rot-middel-kvadrat hastighet. En grundig eksperimentell karakterisering blir gjennomført, og vil bruke den resulterende datasettet for å bygge prediktive batterimodeller. Fokus for dette manuskriptet er på eksperimentell design og prosedyrer som kreves for å produsere slike data. Ultralyd velocimetry gir hoveddelen av målingene, og forsøksbetingelsene må reguleres nøye for å kunne bruke ultralyd med hell i flytende metall. Høy temperatur, kjemisk aktivitet, og elektrisk ledningsevne må alle bli administrert nøye.
For det første flytende metall batterier nødvendigvis arbeide ved høy temperatur, fordi både metaller og saltet som skiller dem må være smeltet. En lovende valg av materialer, som bruker litium som den negative elektroden, bly-antimon som den positive elekroden, og en eutektisk blanding av litium-salter som elektrolytt, krever temperaturer rundt 550 ° C. Å måle strømningen av en opak væske ved slike høye temperaturer er ganske vanskelig. Høy temperatur ultralyd transdusere, som skiller den skjøre elektro-akustiske komponenter fra testfluidet med en akustisk bølgeleder, har vist 15 og kommersialisert. Men fordi transduserne har innføringstap nær 40 dB, og på grunn av den generelle vanskelig å arbeide ved slike temperaturer, et surrogat-systemet har blitt valgt for innledende studie: en flytende metall-batteri kan også fremstilles ved å bruke natrium som den negative elektrode, eutektiske 44% bly 56% vismut (heretter ePbBi) som den positive elektrode, og en trippel eutektisk blanding av natrium salt (10% natrium-jodid, 38% natriumhydroksyd, 52% natrium-amid) som elektrolytt. Et slikt batteri er helt smeltet over 127 ° C, noe som gjør det mye mer mottagelig for laboratoriestudie. Fordi det er sammensatt av tre flytendelag adskilt av tetthet, er det underlagt den samme fysikk som andre flytende metall batterier. Og den er kompatibel med lett tilgjengelige ultralyd transdusere, som er vurdert til 230 ° C, innebærer ingen waveguide tap, og koster mye mindre enn høy temperatur transdusere. Disse eksperimentene vanligvis finner sted ved 150 ° C. Ved denne temperatur, har ePbBi viskositet ν = 2,79 x 10 -7 2 m / sek, termisk diffusivitet κ = 6,15 x 10 -6 2 m / sek, og magnetisk diffusivitet η = 0,8591 m2 / s, slik at det er Prandtl-tallet Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 og dens magnetiske Prandtl nummeret er Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7.
Selv om dette lav temperatur flytende metall batteri kjemi gjør flyt studiene mye enklere enn de ville være i varmere batterier, må temperaturen likevel styres nøye. Å være delikat elektro-akustiske enheter, ultralyd transdusere er susceptible å skade ved termisk sjokk, og må derfor varmes opp gradvis. Høy kvalitet ultralyd målinger krever også forsiktig temperaturregulering. Ultralyd velocimetry fungerer som sonar, som vist i Figur 1: svingeren avgir en pipelyd (her er frekvensen 8 MHz), lytter deretter for ekko. Ved å måle flukttiden for ekko, kan avstanden til ekko legemet beregnes, og ved å måle Doppler-forskyvningen av ekkoet, kan en del av kroppens hastigheten også beregnes. I vann, må spor partikler tilsettes for å produsere ekkoer, men ingen tracer partikler er nødvendig i flytende metaller, noe som ikke er forstått i detalj, men er vanligvis knyttet til tilstedeværelsen av små metall-partikler. Hver måling er et gjennomsnitt over alle tracer partikler i et avhør volum; i dette arbeidet, er dens minste diameter 2 mm, med en avstand 30 mm fra sonden. Selv om oksydasjonen kan til slutt begrense varigheten av eksperimenter ved bruk av the fremgangsmåter som er beskrevet nedenfor, har vi gjort målinger kontinuerlig så lenge som 8 timer.
Beregning av avstanden eller hastighet trenger å kjenne lydhastigheten i testfluidet, og at hastigheten varierer med temperaturen. Arbeidet beskrevet her fokuserer på strømning i ePbBi negative elektrode, hvor lydhastigheten er 1766 m / sek ved 150 ° C, 1765 m / sek ved 160 ° C, og 1767 m / sek ved 140 ° C 19. Således utilstrekkelig temperaturkontroll ville innføre systematiske feil i ultralydmålinger. En enhet ble konstruert for å måle hastigheten på lyden i ePbBi, finne verdier i samsvar med det som er publisert og akseptert av Nuclear Energy Agency 19 (se nedenfor). Til slutt, siden termisk konveksjon er en primær driver av strømning i flytende metall batterier, både den midlere temperatur og temperaturforskjellen mellom toppen og bunnen av ePbBi elektroden direkte påvirke observasjoner. For konsistente resultater, presise termiskkontroll er viktig.
Følgelig er temperaturen målt kontinuerlig med minst tre K-type termoelementer, logge sine målinger elektronisk med et databasert oppkjøp enhet og en skredder skrevet LabView program. Programmet kontrollerer også strømforsyning som gir batteristrøm, via en USB-tilkobling; logger batteriet strøm og spenning; og sender triggerpulser til ultralydinstrumentet, slik at dataene kan synkroniseres med de andre målingene. Et systemdiagram er vist i figur 2. Varme blir levert av en spesialbygd ovn (også vist i figur 2), som inneholder to 500-W industrielle varmeelementer drevet av et relé koblet med en proporsjonal-integral-differensial (PID) kontrolleren. Basisplaten som støtter battericeller er laget av massivt aluminium; fordi dens varmeledningsevne er en størrelsesorden høyere enn varmeledningsevnen for rustål battericelle fartøyet og ePbBi den inneholder 19, er temperaturen i ovnen gulvet tilnærmet ensartet. Videre aluminium basen fungerer som en bane for den elektriske strøm som passerer gjennom elektroden. Dens elektriske ledningsevne er også en størrelsesorden høyere enn for rustfritt stål eller ePbBi, slik at spenningen i ovnen etasje er også tilnærmet ensartet. Isolasjons ben skille base benken toppen under, forebygge brannskader og shorts. Sidene av batteribeholderen er isolert med keramisk isolasjon silika, skåret for å passe til beholderen tett, men gir rom for å få tilgang til på cellens ultralyd-port. Endelig isolerer en polytetrafluoretylen (PTFE) lokk cellen ovenfra og holder den negative strømsamleren og termoelementer på plass. Selv kommersielt tilgjengelige kokeplater kan oppnå temperaturer som kreves for disse eksperimentene, opprettholder vår spesialbygd ovn temperatur med en størrelsesorden mindre variasjon, ennd også gir oss mulighet til å måle varme strøm direkte.
I tillegg til utfordringene knyttet til temperatur, er det utfordringer knyttet til kjemisk aktivitet. Ved 150 ° C, er en positiv elektrode ePbBi kjemisk kompatibel med mange vanlige materialer. En natrium negative elektrode, men mange materialer korroderer, oksyderes lett, og reagerer kraftig med fuktighet. Et litium negative elektrode er også aggressive, særlig fordi litium-baserte flytende metall batterier typisk kjørt ved mye høyere temperaturer. Selv om de høyere temperatur systemer er utenfor omfanget av dette arbeidet, er mange av de samme tiltakene for å håndtere kjemiske aktivitet her brukes som i disse systemene. Alle eksperimentene beskrevet her finne sted i en argon-fylt hanskerommet som inneholder bare spormengder av oksygen eller fuktighet. Batteriet Fartøyet er laget av legert 304 rustfritt stål, som korroderer minimal selv med litium ved 550 ° C. De termoelementer og negativ strømsolfangeren er også laget av rustfritt stål. Fartøyet geometri er valgt for å passe fartøyer som benyttes for elektrokjemisk testing av flytende metall batterier, for å modellere så nært som mulig de systemene som er blitt kommersialisert. Beholderen, som er vist i figur 2, er sylindrisk, med en 88,9 mm innvendig diameter og en 67 mm dybde. Alle fartøy vegger er 6,4 mm tykk. Fartøyet er forskjellig fra de som brukes for tidligere forsøk, men ved at den har en ultralyd-port. Porten passerer gjennom sideveggen langs en horisontal diameter av sylinderen, og sentrum av porten er 6,6 mm over gulvet fartøyet. Havnen er 8 mm i diameter for å imøtekomme en 8 mm ultralydtransducer og tetninger rundt svinger med swage. I disse forsøk er det flytende metall elektroden like dypt nok til å dekke ultralydtransduceren, typisk 13 mm.
For å oppnå sterke ultralydsignaler, krever en god akustisk transmisjonsmellom ultralyd transducer og fluid den prober (ePbBi). Maksimal akustisk effekt overføres ved den akustiske impedansen til transduseren materiale og testfluidet er identiske; når impedansene forskjellig, signaler lide. Plassere en ultralyd transducer i direkte kontakt med rent ePbBi (som gjort mulig av havne beskrevet ovenfor) gir rikelig signal, ofte i flere timer om gangen. Metalloksider har imidlertid meget forskjellig impedans, og kan også innvirke på fukting ved å endre overflatespenningen. Hvis ePbBi vesentlig oksidert, ultralydsignaler fornedre og snart forsvinne. Igjen, er en inert atmosfære vesentlig. Hvis spormengder av oksygen føre til at noen oksydasjon likevel blir overflaten av metalloksydet skummet før overføring ePbBi i batteribeholderen.
Endelig disse eksperimentene en utfordring på grunn av tilstedeværelsen av elektriske strømmer. Selv om strømmen er vår sentrale vitenskapelige og teknologiske interest, de er store nok (30 A) for å forårsake skade ved feilaktig rutet. Ujordet termo sikre at skadelige elektriske strømmer ikke passerer gjennom datainnsamlingen enheten eller datamaskinen som støtter det, fordi ujordet termo har ingen intern elektrisk forbindelse fra beskyttelseskappe til enten signal wire. Likeledes er det viktig å bruke ujordet ultralyd transdusere (Signal-Processing SA, TR0805LTH) for å hindre bortkommen strøm fra skade verdifulle ultralyd instrument (Signal-Processing SA, DOP 3010). Som nevnt tidligere, i bunnen av ovnen tjener til å lede elektrisk strøm, og må også være elektrisk isolert fra sine omgivelser.
I ePbBi elektrode, strøm fører ohmsk oppvarming, potensielt forstyrre temperatur. Således automatisert termisk reguleringssystem må være i stand til å tilpasse seg endringer i varmetilførsel. Figur 3 viser hvordan temperaturen i den ePbBi elektroden varierer som curleie renner gjennom den, og hvordan PID-regulatoren justerer for å kompensere. Å opprettholde jevn temperatur med store strømmer (50 A = 800 mA / cm), vil kreve ytterligere avkjøling, men ved lavere strøm mer realistisk for flytende metall batterier i industrielle anvendelser (typisk 17 A = 275 mA / cm 1), er kontrolleren i stand for å kompensere for ohmsk oppvarming og holde temperaturendring til 2 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. System Setup og Assembly
- Rengjør ultralydtransducer med isopropanol.
- Laste hanskerommet.
- Belastningen som kreves utstyr og materiale (inkludert ultralyd svinger, ePbBi, rørepinnen, og termo) i hanskerommet, å følge instruksjonene i hanskerommet produsenten for å minimere inntrengning av oksygen og fuktighet.
- Hold porøse materialer under vakuum i hanskerommet forstua i 12 timer før vi går i hanskerommet.
- Tune PID kontrolleren (første gang).
- Plassere den samme mengde av fast ePbBi i batteribeholderen som vil bli brukt i forsøk (840 g).
- Plasser ovnen isolasjonen rundt batteribeholderen hvis den ikke allerede er det, og plassere lokket på toppen av batteribeholderen, sammen med den negative strømsamleren og termoelementer.
- Gjør alle elektriske koblinger for termoelementer og ovn makt, som vist i figur
- Initiere automatisk innstilling av PID kontrolleren, bruker 150 ° C som settpunktet. Merk: detaljene i dette trinnet vil variere, avhengig av PID kontrolleren produsent og modell. Kontrolleren er brukt her auto-låter ved å kontrollere fire fulle termiske sykluser, fra RT til driftstemperatur, over en periode på timer.
- Bruk piltastene til å justere settpunkt (vist som standard etter tuning kontrolleren) til 150 ° C.
- Trykk og hold løkken knappen i 3 sekunder for å gå inn i skjulte loop. Deretter trykker du på sløyfen knappen flere ganger til kontrolleren skjermen viser "tune". Bruk piltastene til å endre den til YES.
- Sett inn en termo og bruke arbeidsstasjonen for å overvåke og logge temperatur.
- Når auto-tune er fullført, noterer den proporsjonale, Integral og Derivater parametere som PID-regulatoren automatisk har valgt ved å bruke kontrolleren grensesnittet, ifølge to produsentens instruksjoner.
2. Sound Speed Measurement
- Bruk ovnen for å smelte nok ePbBi for forsøket, på minst 400 g. Merk: nødvendige mengden vil variere for forskjellig utstyr, og ePbBi smelter ved 125 ° C.
- Om nødvendig, fjerne overflødig oksid ved skimming det fra toppen overflaten av ePbBi bruke en røre pinne.
- Sett inn en ultralyd transducer inn lydhastigheten måleenhet og stram swage tilkobling for å hindre lekkasjer, og deretter sette inn en termo og bruke arbeidsstasjonen for å overvåke og logge temperatur.
- Overføre smeltet metall til lydhastigheten måleinnretningen.
- Plasser lydhastigheten måleenhet på ovnen basen og la den være der for 2 min å gradvis øke temperaturen og unngå termisk sjokk.
- Forbered deg på en sikker overføring ved å fjerne varmefølsomt utstyr eller materiale fra området.
- Legg små amMotorfestene av smeltet metall på en gang, på grunn av termisk sjokk kan skade ultralydtransduceren. Legg ePbBi til svinger ansiktet og mikrometer hode er begge helt under vann.
- Vent til temperaturen holder seg stabil innen 1 ° C i minst 5 min før begynnelsen målinger, siden lydhastigheten avhenger av temperatur.
- Mål ultralyd ekko på to steder.
- Sett mikrometer tips til en vilkårlig men kjent sted. Rekord ultralyd ekko målinger ved å følge instruksjonene fra instrumentprodusenten.
- Bruke måleuret, flytte mikrometer tuppen av en kjent avstand. Vanlig ultralyd ekko målinger.
- Fjern smeltet metall fra lydhastigheten måleenhet og lagre den i en varmetolerante container.
- For å bestemme lydhastighet, plottet ekkoamplitude som en funksjon av ekkotiden for hver av de to målingene. Lokal ekkoene ved å montere en gausskurvetil hvert ekko topp, som i figur 4 ure. Beregn lydhastigheten ved å dele forskyvning avstand av forskjellen i ekkorushtiden.
3. Ultralyd hastighetsmåling
- Smelt nok ePbBi for forsøket (840 g), fjerne overskudd av oksyd hvis det er nødvendig. Merk: For best resultat, bruk samme mengde ePbBi som ble brukt til å justere PID kontrolleren.
- Sett inn en ultralyd transducer i batteri fartøyet og stram swage tilkobling for å hindre lekkasjer, slik at ovnen basen er nivå.
- Overføre smeltet metall til batteribeholderen.
- Plasser batteriet fartøy på ovn base og la den være der i 5 min å gradvis øke temperaturen og unngå termisk sjokk. Forbered deg på en sikker overføring ved å fjerne varmefølsomt utstyr eller materiale fra området.
- Tilsette små mengder av smeltet metall på en gang, på grunn av termisk sjokk kan skade ultrasound svinger.
- Vent til temperaturen når 150 ° C før begynnelsen målinger, siden lydhastigheten avhenger av temperatur.
- Fullfør monteringen av apparatet.
- Plasser ovnen isolasjonen rundt batteribeholderen hvis den ikke allerede er der. Plassere lokket på toppen av batteribeholderen, sammen med den negative strømsamleren og termoelementer. Vær sikker på at alle er plassert presist og repeatably; aksel krager fungerer godt for dette.
- Gjør alle elektriske forbindelser for både strøm og signaler, som vist i figur 2B ure. Bruk et ohmmeter for å kontrollere at ingen utilsiktede elektriske baner er til stede, det vil si, sjekk at den elektriske motstanden mellom den negative strømavtaker og alle signal fører er minst 1 Megohm.
- Begynn å lage målinger.
- Begynn logging og overvåking temperatur, varmeapparat strøm, batterispenning og batterinåværende. Merk: Her ble en arbeidsstasjon som kjører custom LabView kode som brukes til å logge alle målinger, med tilsvarende tidsstempler.
- Juster ultralyd instrumentinnstillingene etter behov.
- Pass på å stille inn lyden hastighet, ved hjelp av riktig temperatur, ifølge en akseptert modell 19. For ePbBi ved 150 ° C som brukes under, sette hastigheten til 1760 m / sek.
- Juster pulsrepetisjonsfrekvensen, slik at ekko dybder nær hverandre (typisk 0,25 mm).
- Juster porten teller slik at det sterke ekko fra fjernveggen av beholderen vises i de siste få portene; det gir en nyttig mental helse sjekk for feilsøking signalstyrke problemer.
- Ved hjelp av instruksjonene fra produsenten, sette instrument for maskinvare utløser.
- Begynn logging og overvåking hastighet med ultralyd instrument ved å initiere utløser fra arbeidsstasjonen. Spill fire hastighetsprofiler per sekund for 30min.
- Sett batteristrøm til 5 A, vent 5 min for å stabilisere strømningen, og deretter ta opp fire hastighetsprofiler per sekund i 30 minutter.
- Gjenta trinn 3,5 til 10 A, 15 A, 20 A, 25 A og 30 A.
Merk: Mange andre eksperimentelle planer er også mulig, inkludert temperaturvariasjoner og glatte endringer i gjeldende. En atmosfære lavt oksygen og fuktighet lar eksperimenter med god signalkvalitet i flere timer eller mer. - Når forsøkene er fullført, stopper du logger data og slå av ovnen. Koble elektriske forbindelser og fjerne ovnen lokket. Fjern det smeltede metall fra batteribeholderen, ved hjelp av de samme prosedyrene for sikker overføring som ble brukt ved fylling av beholderen. Oppbevar det smeltede ePbBi i en varmetolerant beholder. Legg ekstra argon til hanskerommet; trykket vil falle som sin atmosfære kjøler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fremgangsmåten for måling av lydhastigheten (beskrevet i detalj ovenfor) ble tilpasset fra fremgangsmåter som brukes ved Signal Processing SA. I prinsippet kan lydhastigheten lett oppnås ved å måle flukttiden for et ekko fra en vegg i det kjente området. Men nettopp å måle den effektive plasseringen av svingeren er vanskelig, slik at man i stedet kan måle flukttiden to ganger, ved hjelp av et mikrometer for å forskyve veggen ved en kjent avstand mellom målingene. At forskyvningsdistanse, og forskjellen i den målte tiden med fly, sammen utbytte lydhastighet. Apparatet som ble anvendt for å måle lydhastighet i disse eksperimentene er vist i figur 4A. En måling av lydhastighet i ePbBi er vist i figur 4B. Hver kurve som viser målte ekko er et gjennomsnitt over 98 profiler spenner 7,4 sek. Hvert ekko topp er skikket til en gaussisk kurve (vist), som gjør bruk av mange datapunkter og derfor lokaliserer ekko veggen mye mer presist enn å finne en enkelt maksimum. Kjenne ekko ganger, og vite at ekko veggen ble fortrengt 2,54 mm mellom målingene, er det beregnet lydhastigheten 1793 m / sek ved 138 ° C, i rimelig avtale med akseptert av Nuclear Energy Agency 19, som er 1768 m verdi / sek. I målingene nedenfor, ble NEA lydhastighet brukt.
En ultralyd hastighet spor, registrert uten strøm i elektroden, er vist i figur 5A. Her den romlige koordinatsystem har sin opprinnelse ved midten av batteribeholderen, og transduseren på den negative side av origo, slik at positive hastigheter betegne strømme bort fra transduseren, og negative hastigheter betegne strømning mot transduseren. Selv om ultralydmålinger langs en diameter ikke gir oss kjennskap til strømnings overalt, er målingene i samsvar med en samling av konveksjon ruller, som skissert i figur 5C.
ve_content "> Ved å representere positive hastigheter i nyanser av rødt og negative hastigheter i nyanser av blått, tid kan plottet på den vertikale akse, for å gjøre rom-tid plott av den typen vist i figur 6A, som formidler tidsmessige variasjon av strømningen. Her igjen er det aktuelle null. Som det fremgår av de forskjellige former av røde og blå områder, er denne strøm i uorden og ikke-periodisk, i samsvar med hva som forventes av turbulent konveksjon. Den midlere strømnings er plottet i figur 6B, og ett standardavvik er også angitt.Til slutt, Figur 7 viser ultralydhastighetsmålinger med strøm som går gjennom elektroden (i dette tilfellet, 125 mA / cm). Som beskrevet i mer detalj et annet sted 18, konveksjon celler har en tendens til å justere med de magnetiske feltlinjer som er produsert av elektrisk strøm, organisering strømmen. Økt organisasjon er tydelig når Figur 7A er sammenlignet med figur 6A, og det faktum at strømningen er mer stabil kan kvantifiseres ved standardavvik over tid, noe som er mindre med strøm enn uten. Økt organisasjon i nærvær av et magnetisk felt er i overensstemmelse med tidligere observasjoner i flytende metall konveksjon eksperimenter 20-22 og 23 teoretiske forutsigelser.
Figur 1. Ultralyd oversikt velocimetry. (A) En ultralyd transducer produserer et pip og lytter etter ekko. Dersom en partikkel beveger seg (rød) gjør et ekko, ekkoet flukttiden dt viser partikkelens posisjon, og Doppler-forskyvningen df viser en del av sin hastighet. (B), når mange partikler er til stede, kan en transduser måle en hastighetskomponent på mange steder langs en linje. (Ikke i målestokk.)tps: //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Experimental oppsett. (A) Ovnen montering. En aluminiumplate støtter rustfritt stål batteribeholder og opprettholder en jevn temperatur (aluminium er en mye bedre leder enn rustfritt stål). Batteriet Fartøyet er omgitt av silika keramisk varmeisolasjon for termisk stabilitet; ekstra silika keramisk varmeisolasjon omgir hele ovnsmontasje. Fartøyet toppen er dekket av et lokk PTFE som bærer termoelementer, så vel som den negative strømsamleren (ikke vist), uten å gjøre en elektrisk forbindelse til fartøyet, som også er den positive strømsamleren. For forsøkene beskrevet her, er ovnen drevet med to resistive varmeovner, hver 500 W. Utformingen gjør for to ekstra varmeovner for å bli inkludert hvis ønskelig. (B) Fartøy tverrsnitt. Beholderen inneholder et tynt lag av smeltet ePbBi, som i kontakt med den negative strømsamleren. Termoelementer også ta kontakt med ePbBi. En PID-regulator opprettholder systemet temperatur, og en arbeidsstasjon styrer batteristrøm, ultralyd målinger, og datainnsamling. (C) Hanskeromslys oppsett. Eksperimenter finne sted i et Argon fylte hanskerommet. Den monterte ovnen er synlig like til høyre for midten, sammen med databasert oppkjøp enhet og varmeapparat kontrolleren. Ultralyd instrument hviler på hyllen over. (Her er det ingen svinger er tilkoblet.) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
52622 / 52622fig3.jpg "/>
Figur 3. Temperaturregulering. (A) Temperatur ved toppen og bunnen av ePbBi elektroden løpet av et eksperiment. Temperaturregulering er demonstrert ved oppvarming av elektroden, og deretter påføring av en serie av strømpulser (B). Ovnen kontrolleren svarte med modulerende varmeeffekt (C). Med dagens tettheter typisk for batteridrift (opp til 400 mA / cm 2), er stabil i løpet av ca 3 ° C temperatur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Lydhastighet måling. (A) fartøyet for å måle lydhastigheten ble bygget med en ultralyd-port (høyre) overfor en mikrometer hodet (til venstre) som fører til høy amplitude ekko og kan plasseres med høy presisjon. (B) To målt ekko profiler, hver med en minste kvadraters passer best til en Gaussisk kurve. Ved hjelp av sentrene for Gaussian passer som reisetider, og vite at veggen ble flyttet 2,54 cm mellom målingene, er det funnet at lydens hastighet er 1793 m / sek ved 138 ° C. Klikk her for å se en større versjon av denne figur.
Figur 5. En ultralyd hastighet spor og sin tolkning. (A) I et eneste spor, ultralyd Instrumentet måler hastigheten på mange steder (i dette tilfellet 440) langs linjen av synet av svingeren. Her plasseringen r er measured fra midten av koppen, er transduseren plassert til venstre, og hastighet u <0 betyr strømme mot svingeren, mens u> 0 betegner strømme bort fra transduseren. (B) En skisse av regioner av strømning mot og bort fra transduseren. (C) en skisse av en strømningsmønster i samsvar med disse målinger. Svingeren er plassert i den nedre halvdelen av elektroden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Ultralyd hastighetsmålinger av en flytende metallelektrode drives av termisk konveksjon, uten elektrisk strøm. (A) Radiell hastighet u varierer i både rom og tid, med hastighet som er angitt i farge. Her r er radial koordinere og t er tid. (B) Den midlere strømnings (plottet i sort) og ett standardavvik rundt det (grå) viser tilsvarende funksjoner til figur 5.
Figur 7. Ultralyd hastighetsmålinger av en flytende metallelektrode drives ved termisk konveksjon, og elektrisk strømtetthet 125 mA / cm. (A) Radiell hastighet u varierer både i rom og tid, med hastighet som er angitt i farge. Her r er den radielle koordinaten, og t er tid. (B) Den gjennomsnittlige flow (plottet i svart) og ett standardavvik rundt det (grå) viser en raskere flyt med mindre variasjon i tid enn i fravær av strøm (figur 6). Klikk her for å se en større versjon av denne Figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ultralydteknikker kan produsere hastighetsmålinger på hundrevis eller tusenvis av steder i et gjennomsiktig eller ugjennomsiktig fluid, mange ganger per sekund. Anvendt på en flytende metallelektrode, ultralydteknikker støter utfordringer med høy temperatur, kjemisk aktivitet, og elektrisk ledningsevne. Metodene for å overvinne disse utfordringene og måling av strømningen i væske aktive metallelektroder, er beskrevet. For det første elektrodemateriale i henhold til den samme fysikk som høytemperatur flytende metall batterielektroder (550 ° C), men drift ved mye lavere temperaturer (150 ° C), og gir utfordringer i forhold til temperatur. Et spesialtilpasset ovn og innstilt reguleringssystem ble brukt til å holde elektrodetemperaturen stabil innenfor 2 ° C. For å redusere uønsket kjemisk aktivitet, alle forsøk finne sted i en argon-fylt hanskerommet og velge kjemisk inerte materialer for systemkomponenter (ofte rustfritt stål). For optimal ultralyd respons, transducers er plassert i direkte kontakt med det flytende metall testfluidet. Og elektriske strømmer rutes nøye for å unngå jordsløyfer som kan skade verdifulle instrumenter.
Ultralyd velocimetry har begrensninger i flytende metaller. Standard-prober ikke er vurdert for temperaturer over 250 ° C, med unntak av deres bruk i mange metallsmelter. Ultralyd velocimetry produserer ikke datasett så rik som de som er tilgjengelige ved bruk av optiske teknikker som partikkel sporing 24,25, og enkelt-transduser ultralydteknikker av den typen som er beskrevet her måle bare én komponent av hastigheten, og bare langs en linje. Egenskaper som er mindre enn bølgelengden for ultralyd (209 mikrometer i ePbBi ved 150 ° C med 8 MHz utslipp) kan ikke løses. For ultralyd målinger i store systemer, er signal demping en utfordring; i ePbBi med 8 MHz-utslipp, er vanskeligheter forventet for avstander større enn 300 mm. Reduksjon av frekvensen reduserer dempning, menkostnaden ved en tilsvarende reduksjon i oppløsning. Store systemer krever også lavere samplingsfrekvens, siden den tid flytur over systemet er større. Og apparatet som er beskrevet her er i stand til å opprettholde 150 ° C med strømmer av 40 A eller mer.
De foreliggende fremgangsmåter kan utvides betydelig i fremtiden. Innlemming flere ultralydtransdusere i battericellen ville tillate for måling av hastighet på flere steder og / eller måling av mer enn en komponent av hastigheten. Andre termo kunne gi mer detaljert informasjon om romlige variasjoner i temperatur. Selv om direkte kontakt mellom ultralydsvingeren og testfluidet utbyttene sterke signaler, kan imidlertid akustisk design tillate passering ultralyd gjennom beholderveggen, noe som reduserer muligheten for termisk eller kjemisk skade på transduseren. En vegg mellom transduseren og testfluid kan også bli behandlet eller kondisjonert for å redusere de negative effektene avoksyd i testfluidet. Dagens metoder kan også brukes bredt til applikasjoner som casting og industrimetaller behandling. Til slutt ønsker vi å utvide vårt arbeid i hastighetsmålinger av aktive tre-lags flytende metall batterier som de belaste og utslipp.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| K Type Thermocouple Probe | McMaster-Carr | 3856K83 | http://www.mcmaster.com/ |
| Red Lion PID Controller | Red Lion | P1610000 | http://store.redlion.net/store/p16.html |
| Measurement Computing Data Acquisition Device | Measurement Computing Corporation | USB-2408 | http://www.mccdaq.com/index.aspx |
| Power Supply | TDK-Lambda | GEN 8-90-USB-U | http://us.tdk-lambda.com/hp/ |
| Ultrasound Instrument | Signal Processing SA | DOP3010 | http://www.signal-processing.com/index.html |
| Ultrasound Transducer | Signal Processing SA | TR0805LTH | http://www.signal-processing.com/index.html |
| Bismuth-Lead Eutectic | VWR | AA40949-P2 | https://us.vwr.com/ |
References
- Kim, H., et al. Liquid metal batteries: Past, present, and future. Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).
- Bradwell, D. J., Kim, H., Sirk, A. H. C., Sadoway, D. R. Magnesium-antimony liquid metal battery for stationary energy storage. J. Am. Chem. Soc. 134, 1895-1897 (2012).
- Kim, H., et al. Thermodynamic properties of calcium–bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 60 (0), 154-162 (2012).
- Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. Calcium–bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries). J. Power Sources. 241 (0), 239-248 (2013).
- Cairns, E. J., Crouthamel, C. E., Foster, A. K., Foster, M. S., Hesson, J. C. Galvanic cells with fused salts. Technical Report ANL-7316. , Argonne National Laboratory. (1967).
- Cairns, E. J., Shimotake, H.
- Bard, A., Faulkner, L. Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , 2nd edition, Wiley. New York. 2nd edition (2001).
- Takeda, Y. Development of an ultrasound velocity profile monitor. Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).
- Takeda, Y. Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method. Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).
- Brito, D., Nataf, H. -C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -P. Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium. Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).
- Yanagisawa, T., Yamagishi, Y., Takeda, Y. Structure of large-scale flows and their oscillation in the thermal convection of liquid gallium. Phys. Rev. E. 82, 016320 (2010).
- Eckert, S., Gerbeth, G. Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry. Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).
- Brawn, B. E., Joshi, K., Lathrop, D. P., Mujica, N., Sisan, D. R. Visualizing the invisible: Ultrasound velocimetry in liquid sodium. Chaos. 15, 041104 (2005).
- Takeda, Y., Kikura, H.
- Eckert, S., Gerbeth, G., Melnikov, V. I. Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide. Exp. Fluids. 35, 381-388 (2003).
- Ueki, Y., et al. High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows. Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. Yao, T. , Springer. Japan. 267-272 (2012).
- Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. Magnetohydrodynamics. , Springer. Netherlands. 275-294 (2007).
- Kelley, D. H., Sadoway, D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids. 26 (5), (2005).
- NEA. Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , Nuclear Energy Agency. (2007).
- Fauve, S., Laroche, C., Libchaber, A. Effect of a horizontal magnetic field on convective instabilities in mercury. J. Physique Lett. 42 (21), 455-457 (1981).
- Cioni, S., Ciliberto, S., Sommeria, J. Strongly turbulent Rayleigh-Bénard convection in mercury: Comparison with results at moderate Prandtl number. J. Fluid Mech. 335, 111-140 (1997).
- Burr, U., Müller, U. Rayleigh-Bénard convection in liquid metal layers under the influence of a horizontal magnetic field. J. Fluid Mech. 453, 345-369 (1997).
- Bojarevičs, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. Electrically induced vortical flows. , Kluwer Academic Publishers. Dordrecht. (1989).
- Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).
- Kelley, D. H., & Ouellette, N. T. Using particle tracking to measure flow instabilities in an undergraduate laboratory experiment. Am. J. Phys. 79, 267-273 (2011).
