Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

En protokoll for Elektro Evalueringer og ladetilstand Diagnostikk av en Symmetric Organic Redox Flow Battery

Published: February 13, 2017 doi: 10.3791/55171
Automatic Translation
*1,2, *1,3, 3, 1,4, 1,2
1Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), 2Energy & Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Earth & Biological Systems Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 4Physical & Computational Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

Vi presenterer protokollene for elektrokjemisk vurdere en symmetrisk ikke-vandig organisk redoks flyt batteri og for å diagnostisere tilstanden omkostninger ved hjelp FTIR.

Abstract

Redox flyt batterier har blitt regnet som en av de mest lovende stasjonære energi lagringsløsninger for å forbedre påliteligheten av kraftnettet og distribusjon av fornybare energiteknologier. Blant de mange strømningsbatterikjemi, ikke-vandige strømnings batterier har potensial til å oppnå høy energitetthet på grunn av de brede spennings Vinduer av ikke-vandige elektrolytter. Men betydelige tekniske hindringer eksisterer i dag begrenser ikke-vandige flyt batterier for å vise sitt fulle potensial, for eksempel lave redoks konsentrasjoner, lave driftsstrømmer, under-utforsket batteristatus overvåking, etc. I et forsøk på å løse disse begrensningene, vi nylig rapportert en ikke-vandige strømnings batteriet på grunnlag av en lett oppløselig, redoks-aktive, organiske nitronyl nitroksid-radikal forbindelse, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksyl-3-oksyd (ptio). Dette redoks materiale oppviser en ambipolar elektrokjemisk egenskap, og derfor kan tjene som både anolyte og katolytten redoks-materialer for å danne en symmetrisk strømnings batteri kjemi. Videre viste vi at Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi kan måle ptio konsentrasjoner under ptio flyten batteri sykling og tilbyr rimelig nøyaktig deteksjon av batteriets ladetilstand (SOC), som cross-validert av elektronspinn resonans (ESR) målinger . Heri presenterer vi en video protokoll for elektrokjemisk evaluering og SOC diagnose av ptio symmetrisk flyten batteri. Med en detaljert beskrivelse, vi eksperimentelt demonstrert rute for å oppnå slike formål. Denne protokollen tar sikte på å vekke flere interesser og innsikt i sikkerhet og pålitelighet innen ikke-vandige redox flyt batterier.

Introduction

Redox flyte batterier lagre energi i flytende elektrolyttene som finnes i ytre reservoarer og pumpes til interne elektroder for å fullføre elektrokjemiske reaksjoner. Den lagrede energien og kraften kan dermed kobles fra fører til god design fleksibilitet, skalerbarhet og modularitet. Disse fordelene gjør flyt batterier godt egnet for stasjonære energilagring applikasjoner for å integrere rene ennå periodiske fornybar energi, øke grid utnyttelse og effektivitet, og forbedre energi fleksibilitet og sikkerhet. 1, 2, 3 tradisjonelle vannstrømnings batterier lider av begrenset energitetthet, hovedsakelig på grunn av den smale spenning vinduet for å unngå vannelektrolyse. 4, 5, 6, 7, 8 I motsetning til dette, ikke-aquelige elektrolytter basert flyt batterier blir mye forfulgt på grunn av potensialet for å oppnå høy cellespenning og høy energitetthet. 9, 10 I dette arbeidet har en rekke strømningsbatterikjemi blitt undersøkt, herunder metall-koordinasjonskomplekser, 11, 12 all-organisk, 13, 14 redokse polymerer, 15 og litium hybrid flow systemer. 16, 17, 18, 19

Men potensialet i ikke-vandige flyt batterier har ennå ikke fullt ut demonstrert på grunn av store tekniske flaskehals av begrenset demonstrasjonen etter flytbatteritekniske krav. Denne flaskehals er nært forbundet med et antall ytelsesbegrensende faktorer. Først,den lille oppløselighet av de elektroaktive materialer fører til levering lav energitetthet ved ikke-vandige strømnings celler. For det andre, er satsen evnen til ikke-vandige flyt batterier i stor grad begrenset av den høye elektrolytt viskositet og resistivitet ved relevante redox konsentrasjoner. Den tredje faktoren er mangel på høy ytelse membraner. Nafion og keramiske membraner vis lav ionisk ledningsevne med ikke-vandige elektrolytter. Porøse separatorer har vist bart strømningscelleytelse, men lide betydelig selvutladning på grunn av relativt stor porestørrelse. 14, 20 Vanligvis mixed-reaktant elektrolytter som inneholder både anolytt- og katolytt redoks materialer: er (1 1 ratio) brukes for å redusere Redox materialer crossover, som imidlertid ofrer de effektive redoks-konsentrasjoner, typisk med halvparten. 14, 21 Vinne den nevnte flaskehals krever forbedringer i materIALS oppdagelse, batteri kjemi design, og flyt celle arkitektur for å oppnå batteri relevant sykling.

Batteristatus overvåking er egentlig viktig for pålitelig drift. Off-normale forhold, inkludert charge, gassutvikling, og materialet degradering kan forårsake skader på batteriytelse og selv batterifeil. Spesielt for store strømnings batterier involverer store mengder batteri materialer, kan disse faktorene føre til alvorlige sikkerhetsproblemer og investeringer tap. Ladningstilstand (SOC) beskriver dybden av ladning eller utladning av strømnings batterier er en av de viktigste batteristatus parametre. Betimelig SOC overvåking kan oppdage potensielle farer før de når truende nivåer. Imidlertid synes dette området til å være under-adressert hittil, spesielt i ikke-vandige strømnings batterier. Spectrophotoscopic metoder som ultrafiolett-synlig (UV-vis) spektroskopi og elektrolyttkonduktivitetsmålinger har blitt evaluert i vandig flyt batte ry for SOC besluttsomhet. 22, 23, 24

Vi har nylig introdusert en ny symmetrisk ikke-vandig strømnings batteri design basert på en ny ambipolar redoks-materiale, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksyl-3-oksyd (ptio). 25 Denne flyten batteri holder løftet for å løse de nevnte utfordringene i ikke-vandige flyt batterier. For det første har ptio en høy oppløselighet (2,6 M) i batteriløsningsmiddel av acetonitril (MeCN) som er lovende for å muliggjøre en høy energitetthet. For det andre oppviser ptio to reversible redox-par som er moderat separert og således kan danne et symmetrisk batteri kjemi av seg selv. Vi har også vist at en identifiserbar ptio topp i FTIR-spektrene kan korreleres med konsentrasjonen av ureagert ptio i strømningscellen, noe som fører til spektroskopiske bestemmelse av SOC, som tverr validert av ESR resultater.lass = "xref"> 26 Her presenterer vi en protokoll for å utarbeide prosedyrer for elektro evalueringer og FTIR-baserte SOC diagnostikk av ptio symmetrisk flyten batteri. Dette arbeidet forventes å utløse mer innsikt i å opprettholde sikkerhet og pålitelighet under langsiktige flyt batteri drift, spesielt i den virkelige verden grid applikasjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Merk: Alle løsningsmidler, syklisk voltametri (CV) tester, og strømningscellesammensetning og tester ble utført i en argon-fylt hanskeboks med vann og O 2 nivåer mindre enn 1 ppm.

1. Elektrokjemisk Evalueringer av ptio Flow Cells

  1. CV Test
    1. Polere en glassaktig karbon elektrode med 0,05 mikrometer gamma alumina pulver, skylle den med avionisert vann, legg den i under vakuum ved romtemperatur over natten, og overføre den til en hanskerommet.
    2. Løs opp sølvnitrat (8,5 mg) med MeCN (5 ml) i hanskerommet, det vil si 10 mM Agno 3. Tilsett løsningen inn i glassrøret på en sølv / sølv-nitrat-referanseelektrode.
    3. Montere glassaktig carbon arbeidselektrode, en grafittfiltbanen motelektrode, og den sølv / sølvnitrat referanse-elektrode på en 25 ml tre-halset pæreformet kolbe.
    4. Løs opp ptio (52 mg) og tetra hexafluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 g) i MeCN (1,10 g), dvs. 0,1 M ptio / 1,0 M TBAPF 6. Tilsett oppløsningen til kolben for å senke tuppene av de tre elektrodene.
    5. Koble elektrodene til en elektrokjemisk arbeidsstasjon. Mål CV kurvene innenfor spenningsområde på -1.75-0.75 V ved en skanning hastighet på 100 mV / s. Bestem teoretisk cellespenning på ptio strømnings batteri av den potensielle gap mellom de to redox-par.
      NB: Det bør bemerkes at Ag / Ag + referanse elektrode-konfigurasjonen er et pseudo-referanseelektrode av natur. Som et resultat, kan redoks topper skifte under langsiktige CV målinger. Ikke desto mindre, har en slik forskyvning normalt en uaktsom innflytelse på spenningen gapet mellom redox-par, og vil ikke påvirke cellespenningsverdi.
  2. Flow Cell Montering
    1. Skjær grafittfilt til et område på 1 x 10 cm 2 ved hjelp av et barberblad. Tilsvarende klippe en porøs septemberarator til et område på 3 x 12 cm 2.
    2. Tørk de strømningsbatterideler (cellekamre, rør, 5 mL hetteglass, grafitt Felts, og en porøs separator) i en vakuumovn ved 70 ° C over natten, flytte dem inn i hanskeboksen, og avkjøles til omgivelsestemperatur.
    3. Monter strømningscelledeler i størrelsesorden av en endeplate, en kobberplate strømsamler, en halvcelle, en grafitt-filt, en pakning, en porøs separator, en grafitt-filt, en halvcelle, en kobberplate strømsamler, og en endeplate. Fest monteringen med åtte gjengede bolter mot de to endeplater ved hjelp av en momentnøkkel forhåndsinnstilt på 125 tommer pounds. Forbinde elektrolyttstrømnings slangene til strømningscellen. Celleenheten er vist i figur 1.
  3. Demonstrasjon av Symmetrisk Elektro
    1. Monter strømningscellen etter § 1.2. Oppløs ptio (10 mg) og TBAPF 6 (3,3 g) med MeCN (4,4 g) i hansker;e-boksen, dvs. 5,0 mM ptio / 1,0 M TBAPF 6. Tilsett 4 ml av oppløsningen til hver av de to glassampuller. Pumpe elektrolytten til å strømme ved hjelp av en peristaltisk pumpe ved en strømningshastighet på 20 ml / min.
    2. Kobler de positive og negative strømsamlere av strømningscellen til batteri tester. Belaster strømningscellen ved en konstant strømtetthet på 5 mA / cm 2 inntil spenningen nådde 1,9 V. stoppe ladingen. Pump ut elektrolyttene i glassampuller.
    3. Bland et 1 ml positiv elektrolytt med en 1 ml negativ elektrolytt i en separat ampulle. Nå er det fire elektrolytter: den opprinnelige, positive, negative, og blandet.
    4. Måle elektronspinn-resonans (ESR) spektrum av de ovennevnte fire elektrolytter. 25
      1. Med tube fugemasse, forsegle en liten mengde (~ 10 mL) av de positive og negative i en PTFE slange (1/16 "OD og 1/32" ID) i begge ender, og deretter forsegle den i en kvarts ESR rør (4 mm diameter).
      2. Monter ESR slangen til en ESR-spektrometer utstyrt med en SHQE resonator med mikrobølgeovn frekvens ~ 9,85 GHz (X band).
      3. Samle ESR-spekteret for de fire elektrolytter i avsnitt 1.3.3.
  4. Flow Cell Test
    1. Sett sammen en flyt celle følgende avsnitt 1.2.
    2. Løs opp ptio (1,05 g) og TBAPF 6 (3,50 g) med MeCN (3,60 g) i hanskerommet, det vil si 0,5 M ptio / 1,0 M TBAPF 6. Tilsett 4 ml av oppløsningen til hvert hetteglass. Strømnings elektrolyttene på 20 ml / min.
    3. Kobler de positive og negative strømsamlere av strømningscellen til en elektrokjemisk arbeidsstasjon. Måle impedansen av strømningscellen i frekvensområdet fra 100 kHz til 1 Hz ved den åpne kretspotensialet. Beregne arealet-spesifikke resistivitet (ASR) ved å multiplisere den ohmske motstand (høy-frekvens impedans) av det aktive område av strømningscellen.
    4. Koble den positive og negative nåværende collectors av strømningscellen til batteri tester. Sett opp spennings cutoffs på 0,8 og 2,2 V og konstant strøm på 20 mA cm -2 i batteridrift programvare. Gjentatte ganger lade / utlade ptio strømningscellen.

2. FTIR-basert SOC Fastsettelse

  1. FTIR Mulighets Validation
    1. Forbered følgende tre elektrolyttløsninger i hanskerommet: (a) MeCN (0,50 g); (b) TBAPF 6 (0,23 g) med MeCN (0,30 g), dvs. 1,0 M TBAPF 6; (c) ptio (75 mg) og TBAPF 6 (0,25 g) med MeCN (0,26 g), dvs. 0,5 M ptio / 1,0 M TBAPF 6.
    2. Mål FTIR for de tre elektrolyttløsninger.
      1. Legge til et lite volum (~ 0,05 ml) av hver løsning på en forseglbar celle FTIR med KBr-vinduer og en banelengde på 0,2 mm. Tett FTIR cellen.
      2. Sett FTIR cellen inn i en lagerbeholder og overføre den ut av hanskerommet.
      3. raskt mount den FTIR cellen til et spektrometer, og å samle den FTIR spektrum.
    3. Sett sammen en flyt celle følgende avsnitt 1.2.
    4. Løs opp ptio (1,05 g) og TBAPF 6 (3,50 g) med MeCN (3,60 g) i hanskerommet, det vil si 0,5 M ptio / 1,0 M TBAPF 6. Tilsett 4 ml av oppløsningen til hvert hetteglass. Strømnings elektrolyttene på 20 ml / min.
    5. Lad strømningscellen til spenningen når 2,2 V. Stopp lading og pumpen.
    6. Mål FTIR-spektrene for både de positive og negative elektrolytter, henholdsvis, ved å følge prosedyren i avsnitt 2.1.2.
    7. Forbered en rekke ptio løsninger (0,05-0,5 M) i 1,0 M TBAPF 6 i MeCN i hanskerommet med preparatene i tabell 1.
    8. Mål FTIR-spektrum for hver av oppløsningene i avsnitt 2.1.6, ved å følge prosedyren i avsnitt 2.1.2.
  2. FTIR Måling av SOC
    1. Sett sammen en flyt celle following punkt 1.2.
    2. Løs opp ptio (2,9 g) og TBAPF 6 (9,6 g) med MeCN (9,8 g) i hanskerommet, det vil si 0,5 M ptio / 1,0 M TBAPF 6. Legg 11 ml av oppløsningen til hver av de to glassampuller. Strømnings elektrolyttene på 20 ml / min.
    3. Belaster strømningscellen ved en konstant strøm på 10 mA / cm 2 ved en strømningshastighet på 20 ml / min.
    4. På den ladetid på 0, 18, 36, 54, og 72 min, stoppe celle ladning og elektrolyttstrøm, ta små alikvoter (0,2 ml) av elektrolyttene fra anolytt- og katolytt-sideglassampuller, og deretter gjenoppta cellen.
    5. Mål FTIR-spektrum for de ovennevnte fem prøve alikvoter ved å følge prosedyren i avsnitt 2.1.2.
    6. Måle ESR-spekteret for de ovennevnte fem prøve alikvoter ved å følge prosedyren i avsnitt 1.3.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De unike fordelene ved den symmetriske ptio flyt batterisystem er sterkt tilskrives de elektrokjemiske egenskaper ptio, en organisk nitroksydet radikal sammensatte. Ptio kan gjennomgå elektro Disproposjonering reaksjoner for å danne ptio + og ptio - (figur 2a). Disse to redoks-par er moderat adskilt av et gap spenning på ~ 1,7 V (figur 2b), og kan brukes som både anolytt- og katolytt-redoks-materialer i en symmetrisk batteri kjemi. Bruke ptio som en redoks materialet kan eliminere behovet for mix-reaktant elektrolytter og muliggjøre høye effektive redox konsentrasjoner.

Reaksjonen mellom ptio + og ptio - spontant regenererer den opprinnelige ptio, som demonstrert ved utvinning av ESR-signalet fra ptio etter blanding ptio + og ptio - på lik molar concentrations (figur 2c). I denne strømning batteri, crossover av ladede ptio arter (ptio + eller ptio -) ikke resulterer i ulike kjemikalier og materielle tap, som fører til minimale irreversible crossover. Den ptio strømningscelle levert skikkelige sykkel effektivitet ved en redoks-konsentrasjon på 0,5 M ptio og med en strøm på 20 mA / cm; en gjennomsnittlig coulombic effektivitet (CE) på ~ 90%, spenningen effektivitet (VE) på 67%, og energieffektiviteten (EE) 60% ble oppnådd (figur 2d). Den lave VE ble registrert ved den relativt høye celle ASR av 21,2 Ω cm 2 som ble nært forbundet med begrenset ionisk ledningsevne ved en slik høy elektrolyttkonsentrasjon. Til tross for den kapasitet fading, har ptio strømningscellen vist opererer redoks materialkonsentrasjon, strømtetthet, og celle-effektivitet betydelig høyere enn mange andre ikke-vandige RFBs, som syklet vanligvis i nærheten av 0,1 M konsentrasjoner, med strømtettheter mindre tHan-0,5 mA / cm 2, og / eller EES ikke høyere enn 50%. 27, 28, 29, 30

FTIR har lykkes validert sine kvalifikasjoner som en passende SOC-diagnostisering verktøy for ptio strømnings batteriet, på grunn av den karakteristiske topp ved FTIR 1218 cm -1 som antagelig tilsvarer NO bindingen. 31 For det første bære MeCN oppløsningsmidlet og TBAPF 6 salt produsere neglisjerbare interferens topper ved denne stilling (figur 3a). For det andre, skiller FTIR blant de tre arter av redoks ptio, spesielt med forsvinningen av denne toppen for ptio + på katolyttsiden (figur 3b). For det tredje, styrken (T) av denne toppen viser en sterk avhengighet av ptio konsentrasjon (figur 3c og innfelt), dvs. en lineær -log (T)vs. [ptio] standard forhold (ligning 1) blir oppnådd i henhold til Beer-Lambert loven:
ligning (1)

De fem prøve aliquoter tatt fra katolyttsiden (figur 4a) ble anvendt for å bestemme SOC av ptio strømningscellen. Når ladetiden gikk fra Prøve nr 0 til # 4, intensiteten av 1218 cm -1 topp senkes kontinuerlig på grunn av inntak av ptio (figur 4b); så var ESR-signal (figur 4c). Konsentrasjonene av ureagert ptio i disse prøvene ble utledet ved FTIR intensiteter av 1,218 cm -1 topp i henhold til ligning 2, som deretter ble anvendt for å beregne SOC følgende ligning 2. Som vist i figur 4d, slik erholdt [ptio] og SOC av disse prøvene er i nær forståelse med ESR målinger, som ser ut til å være en god kryssvalidering.
(2)

Delene og montering av strømningscellen brukt i denne studien er vist i figur 1. Den elektrokjemiske ytelse av symmetriske ptio strømnings batteri, inkludert redoks-reaksjoner, CV kurver, ESR validering av den symmetriske utforming fordel, og strømnings celle sykkel data, er vist i figur 2. Mulighets validering for ved hjelp av FTIR som en egnet metode for å bestemme den SOC av ptio strømnings batteriet er vist i figur 3. FTIR-baserte SOC-bestemmelser, inkludert spenningskurven av strømningscellen, oppnådd fra FTIR og SOC kryss-validert av ESR, og en foreslått elektroniske diagnostisk system, er vist i figur 4.

Figur 1
Figur 1: Det fotografi av strømningscellen som Forsamlingen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: Elektrokjemisk ytelsen ptio. (A) de redoks-reaksjoner av ptio til ptio + (katolyttsiden) og til ptio - (anolytt-siden), henholdsvis; (B) 500 sykluser med nesten fullstendig overlappende CV kurver for ptio på en glassaktig karbonelektrode; (C) ESR-spektra som viser reaksjonen mellom ptio + og ptio - regenererer den opprinnelige ptio; (D) sykling kapasitet og effektivitet av 0,5 M ptio strømningscelle. Dette tallet har blitt modifisert fra referanse 25. få = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Mulighets validering for bruk av FTIR å bestemme SOC av ptio flyt batteriet. (A) FTIR spektra av MeCN, 1,0 M TBAPF 6 i MeCN, og 0,5 M ptio i 1,0 M TBAPF6 i MeCN; (B) FTIR spektra av ptio, ptio +, og ptio - (0,5 M i 1,0 M TBAPF 6 i MeCN); (C) FTIR-spektra av standard ptio oppløsninger ved 0,05 M til 0,5 M med en 0,05 M intervall. Dette tallet har blitt modifisert fra referanse 25. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

pload / 55171 / 55171fig4.jpg "/>
Figur 4: FTIR-baserte SOC diagnostikk. (A) ladespenningskurven av en 0,5 M ptio strømningscelle som viser fem prøve alikvoter (# 0, 1, 2, 3, 4) trekkes ut av cellen under lading; (B) FTIR og (c) ESR-spektrene for de fem prøve katolytt aliquoter; (D) ikke omsatte ptio konsentrasjon og flyt celle SOC hentet fra FTIR målinger og cross-validert med ESR målinger; (E) en skjematisk fremstilling av en strømnings batteri-enhet tatt med elektroniske FTIR overvåkningssensorer. Dette tallet har blitt modifisert fra referanse 25. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Ptio Kons. (M) 0,05 0.1 </ Td> 0,15 0.2 0,25 0.3 0,35 0.4 0,45 0.5
MeCN 0,301 g 0,295 g 0,273 g 0,25 g 0,291 g 0,255 g 0,242 g 0,232 g 0,243 g 0,263 g
TBAPF 6 0,233 g 0,233 g 0,223 g 0,21 g 0,247 g 0,222 g 0,214 g 0,213 g 0,225 g 0,255 g
ptio 0,007 g 0,014 g 0,02 g 0,025 g 0,037 g 0,04 g 0,045 g 0,051 g 0,061 g 0,076 g

Tabell 1: Sammensetninger av ptio standardløsningene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Som vi vist tidligere, er 25 FTIR stand til ikke-invasiv måte å detektere SOC av ptio strømnings batteriet. Som et diagnostisk verktøy, er FTIR spesielt fordelaktig på grunn av sin lett tilgjengelighet, rask reaksjon, lav pris, lite plassbehov, anlegg for elektronisk inkorporering, ikke detektor metning, og evnen til å korrelere strukturell informasjon for å undersøke molekylvidereutviklinger under strømning batteridrift. Figur 3e illustrerer en foreslått flyt batteri enhet integrere online FTIR sensorer som muliggjør sanntids SOC overvåking for sikker drift.

For bedre å implementere protokollen for elektrokjemisk evaluering og FTIR-baserte SOC diagnostikk, er et luftfritt miljø i hovedsak viktig; ellers vil de redoks arter på ladet stater reagerer med O 2 eller fuktighet fører til materialet degradering og unøyaktige SOC målinger. Strengt forsegles FTIR celler må værebrukes for å unngå luft i kontakt med elektrolytter. I tillegg, fordi denne teknikk er brukbar bare for FTIR-følsomme redoks materialer, det er mulig validering gjennom å identifisere godt kan skjelnes fra hverandre karakteristiske topper FTIR er et kritisk trinn.

Tatt i betraktning den begrensede selektivitet batteri membraner, er redox materialet crossover uunngåelig for de fleste flyt batterier, noe som vanligvis fører til irreversible kapasitet falming. I denne forbindelse har den symmetriske strømning batteriet potensialet til å overvinne denne ulempe. I ptio strømnings batteriet, vil eventuelle crossover art omdannes til det opprinnelige ptio. Teoretisk sett kan kapasiteten tap forårsaket av materialet crossover utvinnes ved remiksing elektrolyttene, ligner vanadium flyt batterier. 32 Derfor er symmetrisk batteri utforming og lover å utvikle holdbare, pålitelige energilagringssystemer. Nøkkelen begrensning for det aktuelle ptio system er at ptio - (anolyttside) er ikke tilstrekkelig stabilt på grunn av gradvis som forekommer bireaksjoner. Et slikt materiale tap forklarer kapasitet falming observert i ptio strømningsceller. Utvikling av nye ambipolar redoks materialer med høy kjemisk stabilitet i alle oksidasjons er den fremtidige retningen for å demonstrere det fulle potensialet i dette batteriet design.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble finansielt støttet av Joint Senter for Energy Storage forskning (JCESR), Energy Innovation Hub finansiert av US Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences. Forfatterne erkjenner også Journal of Materials Chemistry A (en Royal Society of Chemistry journal) for opprinnelig publisere denne forskningen ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL er en multi-program nasjonalt laboratorium drives av Battelle for DOE under kontrakt DE-AC05-76RL01830.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PTIO TCI America A5440 >98.0%
Tetrabutylammonium hexafluorophosphate Sigma-Aldrich 86879 electrochemical grade, ≥99.0%
MeCN BASF 50325685 Battery grade
Silver nitrate Sigma-Aldrich 204390 99.9999% trace metals basis
Gamma alumina powder CH Instruments CHI120
Graphite felt SGL GFD3 Vacuum-dry at 70 °C for 24 h
Porous separator Daramic AA800 Vacuum-dry at 70 °C for 24 h
Battery Tester Wuhan LAND electronics Co., Ltd. Lanhe 1 A current range
Electrochemical Workstation Solartron Analytical ModuLab
glove box MBRAUN Labmaster SP oxygen and water levels <1 ppm
ESR spectrometer Bruker  Elexsys 580  Equipped with an SHQE resonator with microwave frequency ~9.85 GHz (X band) at 2 mW power, with 100 kHz field modulation

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334 (6058), 928-935 (2011).
  2. Yang, Z. G., et al. Electrochemical Energy Storage for Green Grid. Chem. Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).
  3. Wang, W., Luo, Q., Li, B., Wei, X., Li, L., Yang, Z. Recent Progress in Redox Flow Battery Research and Development. Adv. Funct. Mater. 23 (8), 970-986 (2013).
  4. Skyllas-Kazacos, M., Chakrabarti, M. H., Hajimolana, S. A., Mjalli, F. S., Saleem, M. Progress in Flow Battery Research and Development. J. Electrochem. Soc. 158 (5), 55-79 (2011).
  5. Weber, A. Z., et al. Redox Flow Batteries: A Review. J. Appl. Electrochem. 41 (10), 1137-1164 (2011).
  6. Noack, J., Roznyatovskaya, N., Herr, T., Fischer, P. The Chemistry of Redox-Flow Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (34), 9775-9808 (2015).
  7. Soloveichik, G. L. Flow Batteries: Current Status and Trends. Chem. Rev. 115 (20), 11533-11558 (2015).
  8. Leung, P., Li, X., de Leon, C. P., Berlouis, L., Low, C. T. J., Walsh, F. C. Progress in Redox Flow Batteries, Remaining Challenges and Their Applications in Energy Storage. RSC Adv. 2 (27), 10125-10156 (2012).
  9. Gong, K., Fang, Q., Gu, S., Li, S., Yan, Y. Nonaqueous Redox-Flow Batteries: Organic Solvents, Supporting Electrolytes, and Redox Pairs. Energy Environ. Sci. 8 (12), 3515-3530 (2015).
  10. Shin, S. H., Yun, S. H., Moon, S. H. A Review of Current Developments in Non-aqueous Redox Flow Batteries: Characterization of Their Membranes for Design Perspective. RSC Adv. 3 (24), 9095-9116 (2013).
  11. Cappillino, P. J., et al. Application of Redox Non-Innocent Ligands to Non-Aqueous Flow Battery Electrolytes. Adv. Energy Mater. 4 (1), 1300566 (2014).
  12. Suttil, J. A., et al. Metal Acetylacetonate Complexes for High Energy Density Non-aqueous Redox Flow Batteries. J. Mater. Chem. A. 3 (15), 7929-7938 (2015).
  13. Brushett, F. R., Vaughey, J. T., Jansen, A. N. An All-Organic Non-aqueous Lithium-Ion Redox Flow Battery. Adv. Energy Mater. 2 (11), 1390-1396 (2012).
  14. Wei, X., et al. Radical Compatibility with Nonaqueous Electrolytes and Its Impact on an All-Organic Redox Flow Battery. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (30), 8684-8687 (2015).
  15. Nagarjuna, G., et al. Impact of Redox-Active Polymer Molecular Weight on the Electrochemical Properties and Transport Across Porous Separators in Nonaqueous Solvents. J. Am. Chem. Soc. 136 (46), 16309-16316 (2014).
  16. Wei, X., et al. TEMPO-Based Catholyte for High-Energy Density Nonaqueous Redox Flow Batteries. Adv. Mater. 26 (45), 7649-7653 (2014).
  17. Wei, X., et al. Towards High-Performance Nonaqueous Redox Flow Electrolyte Via Ionic Modification of Active Species. Adv. Energy Mater. 5 (1), 1400678 (2015).
  18. Fan, F. Y., et al. Polysulfide Flow Batteries Enabled by Percolating Nanoscale Conductor Networks. Nano Lett. 14 (4), 2210-2218 (2014).
  19. Pan, H., et al. On the Way Toward Understanding Solution Chemistry of Lithium Polysulfides for High Energy Li-S Redox Flow Batteries. Adv. Energy Mater. 5 (16), 1500113 (2015).
  20. Escalante-Garcia, I. L., Wainright, J. S., Thompson, L. T., Savinell, R. F. Performance of a Non-Aqueous Vanadium Acetylacetonate Prototype Redox Flow Battery: Examination of Separators and Capacity Decay. J. Electrochem. Soc. 162 (3), 363-372 (2015).
  21. Wei, X., et al. Microporous Separators for Fe/V Redox Flow Batteries. J. Power Sources. 218, 39-45 (2012).
  22. Skyllas-Kazacos, M., Kazacos, M. State of Charge Monitoring Methods for Vanadium Redox Flow Battery Control. J. Power Sources. 196 (20), 8822-8827 (2011).
  23. Brooker, R. P., Bell, C. J., Bonville, L. J., Kunz, H. R., Fenton, J. M. Determining Vanadium Concentrations Using the UV-Vis Response Method. J. Electrochem. Soc. 162 (4), 608-613 (2015).
  24. Petchsingh, C., et al. Spectroscopic Measurement of State of Charge in Vanadium Flow Batteries with an Analytical Model of VIV-VV Absorbance. J. Electrochem. Soc. 163 (1), 5068-5083 (2016).
  25. Duan, W., et al. A Symmetric Organic-Based Nonaqueous Redox Flow Battery and Its State of Charge Diagnostics by FTIR. J. Mater. Chem. A. 4 (15), 5448-5456 (2016).
  26. Potash, R. A., McKone, J. R., Conte, S., Abruña, H. D. On the Benefits of a Symmetric Redox Flow Battery. J. Electrochem. Soc. 163 (3), 338-344 (2016).
  27. Kim, H. S., et al. A Tetradentate Ni(II) Complex Cation as a Single Redox Couple for Non-aqueous Flow Batteries. J. Power Sources. 283, 300-304 (2015).
  28. Shinkle, A. A., Sleightholme, A. E. S., Griffith, L. D., Thompson, L. T., Monroe, C. W. Degradation Mechanisms in The Non-aqueous Vanadium Acetylacetonate Redox Flow Battery. J. Power Sources. 206, 490-496 (2012).
  29. Li, Z., et al. Electrochemical Properties of an All-Organic Redox Flow Battery Using 2,2,6,6-Tetramethyl-1-Piperidinyloxy and N-Methylphthalimide. Electrochem. Solid-State Lett. 14 (12), 171-173 (2011).
  30. Schaltin, S., et al. Towards an All-Copper Redox Flow Battery Based on a Copper-Containing Ionic Liquid. Chem. Commun. 52, 414-417 (2016).
  31. SDBS. , Available from: http://sdbs.db.go.jp (2016).
  32. Luo, Q., et al. Capacity Decay and Remediation of Nafion-based All-Vanadium Redox Flow Batteries. ChemSusChem. 6 (2), 268-274 (2013).

Tags

Kjemi redox flyt batteri vandig symmetrisk organisk state of charge FTIR
En protokoll for Elektro Evalueringer og ladetilstand Diagnostikk av en Symmetric Organic Redox Flow Battery
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Duan, W., Vemuri, R. S., Hu, D.,… More

Duan, W., Vemuri, R. S., Hu, D., Yang, Z., Wei, X. A Protocol for Electrochemical Evaluations and State of Charge Diagnostics of a Symmetric Organic Redox Flow Battery. J. Vis. Exp. (120), e55171, doi:10.3791/55171 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter