ويرد بروتوكول لدراسة المعادن متعددة الإلكترون / نظم بطارية الهواء باستخدام التكنولوجيا المتقدمة السابقة للخلية الزنك / بضغط الهواء. ثم يتم تنفيذ اختبار الكهروكيميائية على البطاريات ملفقة لتقييم الأداء.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
ويقترح تقنية للتحقيق في خصائص وأداء متعدد الإلكترون النظم الجديدة المعادن / بضغط الهواء البطارية وقدم. ويرد طريقة لتوليف نانوية VB 2، وكذلك الإجراء خطوة بخطوة لتطبيق طلاء أكسيد الزركونيوم إلى VB 2 جسيمات لتحقيق الاستقرار عند التفريغ. يظهر عملية لتفكيك خلايا الزنك / بضغط الهواء الموجودة، في البناء بالإضافة إلى ذلك من القطب عمل جديدة لتحل محل الزنك / بضغط الهواء الأنود الخلية التقليدية مع لنانوية VB 2 الأنود. وأخيرا، ذكرت ابراء ذمة الانتهاء VB 2 / بطارية الهواء. وتبين لنا أن استخدام الخلايا الزنك / بضغط الهواء كسرير الاختبار هو مفيد لتوفير التكوين متسقة لدراسة أداء عالي الطاقة قدرة عالية نانوية VB 2 الأنود.
المقدمة
الفاناديوم ثاني بوريد كما أنود لديها من بين أعلى المعدلات سعة الشحن الحجمي من أي مادة الأنود. هذا البروتوكول يقدم طريقة لدراسة هذه المواد الرائعة. وقد تم معدني الزنك ومادة الأنود السائد في النظم الأساسية مائي بسبب معدن الزنك العليا اثنين الإلكترون الحجمي والوزني قدرات التخزين تهمة من 5.8 كاه L -1 و 820 كجم آه -1، على التوالي. * البطارية الزنك الكربون، والمعروفة باسم وقدم الخلية لوكلانشيه، لأول مرة في القرن ال 19، الجمع بين الأنود الزنك مع ثاني أكسيد المنغنيز (جامع الحالية الكربون) الكاثود في كلوريد بالكهرباء 1. البطارية القلوية شيوعا يستخدم نفس الزوجين، ولكن يستبدل بالكهرباء كلوريد مع مادة قلوية مائية بالكهرباء هيدروكسيد. تتألف معا بطاريات الزنك والكربون والقلوية غالبية البطاريات الأولية تباع 1. عندما يتم استبدال الكاثود ثاني أكسيد المنغنيز في الخلية القلويةمن قبل الكاثود الهواء، ويتم تحقيق قدرات تخزين الطاقة أعلى بكثير. هذه البطارية الزنك في الهواء يستخدم الأكسجين من الهواء، وتوجد عادة في بطاريات السمع المساعدات 1-3.
وقد ركز بحثنا لأعلى لتخزين قدرة البطارية على المواد التي يمكن نقل الإلكترونات متعددة لكل جزيء 4-11. من بين تشكيلة واسعة من الأزواج الأكسدة يتعين علينا استكشاف، VB 2 تبرز باعتبارها أنود القلوية استثنائية قادرة على إطلاق 11 الالكترونات في VB 2، مع الحجمي والوزني قدرات 20.7 كاه L -1 و 4060 كجم آه -1 على التوالي. * في عام 2004، يانغ وزملاء العمل ذكرت والتفريغ من VB 2، لكن وثقت أيضا المجال الموسعة التي VB 2 هو عرضة للتآكل في وسائل الإعلام القلوي 12. في عام 2007، وذكرت لنا أن الطلاء على VB 2 جسيمات يمنع هذا التآكل 13، مما أدى إلى مظاهرة من VB 2 / بضغط الهواء بattery في عام 2008 14.
في هذه الورقة، نقدم بروتوكول يستخدم لتحقيق نظم المعادن / جوية جديدة توظف التكنولوجيا المتقدمة سابقا للخلية الزنك / بضغط الهواء على النحو المطبق في VB 2 / خلية الهواء. ويرد nanoscopicVB 2 الأنود كما عالية الطاقة ذات الطاقة العالية وكثافة القطب الموجب قادرة على اظهار رد فعل الأكسدة أحد عشر الإلكترون يقترب من القدرات الجوهرية النظرية من 4060 كجم آه -1 إلى زيادة الجهد البطارية وقدرة الحمل البطارية. يستخدم VB 2 / بضغط الهواء زوجين المنحل بالكهرباء القلوية من KOH / هيدروكسيد الصوديوم، وتوظيف نفس الكاثود الهواء الأكسجين المستخرج من الزنك / بضغط الهواء الخلية 1. لا يستهلك الكاثود electrocatalyst الكربون أثناء التفريغ.
توجد حاجة لفهم أكبر لVB 2 / نظام الهواء من أجل زيادة تحسين أداء الخلية. خصائص وأداء نانوية VB 2 مواد يمكن استكشاف باستخدام Tكان تكوين خلية من الزنك / بضغط الهواء الخلية 15،16. الكهروكيميائية الاختبار لا يمكن أن يؤديها لنانوية VB 2 لمقارنة الأداء من خلال الكفاءة في المئة بنسب متفاوتة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. إعداد نانو-VB 2
نانوية VB 2 يتم تصنيعه مباشرة من الفاناديوم عنصري البورون وعبر الكرة طحن في حصة الخلد 1:2.
- تنظيف 50 مل كربيد التنغستن جرة طحن وعشرة 10 ملم التنغستن كرات كربيد. الجافة تحت الهواء في الفرن على 100 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لضمان أن جميع المياه قد تبخرت.
- امسحي داخل جرة طحن لضمان عدم وجود بقايا يبقى، كرر الخطوة 1.1 إذا بقايا مرئيا.
- تطهير غرفة انتظار لعلبة القفازات مع الأرجون 3X لمدة 10 دقيقة في كل مرة. نقل الجرة والطحن، والكرات، وملعقة نظيفة في صندوق قفازات مليئة الأرجون.
- تزن من الفاناديوم ومساحيق البورون في 01:02 نسبة المولي، 0.500 غرام من الفاناديوم و0.212 ز البورون في جرة طحن، إضافة الكرات، وختم الجرة الطحن.
- إزالة جرة طحن مختومة من صندوق قفازات، وضعه في طاحونة الكرة الكواكب تعيين إلى 600 دورة في الدقيقة و لمطحنة لمدة 4 ساعة.
- بعد completioن، والسماح للجرة طحن ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة قبل إزالة من طاحونة الكرة.
- تطهير غرفة انتظار لعلبة القفازات مع الأرجون 3X لمدة 10 دقيقة في كل مرة. نقل الجرة والطحن، وقارورة أسفل جولة، فيلم البارافين، ملعقة، وشريط مغناطيسي في علبة القفازات.
- تطبيق طلاء أكسيد الزركونيوم للمعدة نانوية VB 2 على النحو التالي:
- داخل علبة القفازات جمع نانو VB 2 أعدت مسبقا باستخدام ملعقة إلى كشط جدران الجرة الطحن حتى يتم استرداد الجزء الأكبر من كتلة البداية. وزن ونقل جمعت نانو VB 2 في قارورة أسفل جولة.
- تزن من 3.5 في المئة من وزن كلوريد الزركونيوم مقارنة VB جمع 2 ثم قم بإضافة مسحوق إلى أسفل القارورة التي تحتوي على الجولة التي جمعت نانو VB 2.
- إضافة شريط مغناطيسي على القارورة، واستخدام فيلم البارافين ختم الافتتاح قبل إزالة من علبة القفازات. بدلا من ذلك،وقد استخدم الحاجز مع نتائج ما يعادل إزالة قارورة أسفل جولة من علبة القفازات.
- باستخدام حقنة 10 مل، ونقل 10 مل من ايثر في قارورة أسفل جولة. تغطية بسرعة الحفرة التي أنشأتها حقنة في الفيلم البارافين مع قطعة إضافية من parafilm.
- مزيج القارورة على طبق من ضجة لمدة ساعة واحدة على الإعداد المتوسط.
- بعد ساعة واحدة، تتبخر ايثر المتبقية الخروج من نانو VB 2 باستخدام المبخر الدوار أو غيره من التكوين مضخة حتى المغلفة نانو VB 2 يظهر الجافة.
- بعد عنصر الزركون المغلفة نانو VB 2 جافة تماما، وجمع.
2. إعداد المنحل بالكهرباء
- إعداد خليط من 4 M KOH و 4 M هيدروكسيد الصوديوم حل لاستخدامها بوصفها المنحل بالكهرباء. (ملاحظة: تأكد فقط ما يكفي لتستمر لبضعة أسابيع، كرر حسب الحاجة لتشكيل خلايا جديدة). تم استكشاف الشوارد هيدروكسيد مائي من هيدروكسيد الصوديوم وKOH في الماضي يتراوح تركيز ركضجينج من 8 إلى M المشبعة. مزيج من هيدروكسيد الصوديوم M 4 و 4 M KOH ينتج تحسن طفيف الأداء معدل مرتفع مقارنة النتائج السابقة باستخدام هيدروكسيد الصوديوم النقي بالكهرباء.
3. تفكيك الزنك / الهواء بطاريات
راجع الجدول الحكام والمواد للحصول على تفاصيل حول الشركة المصنعة للبطارية ورقم الطراز.
- فتح خلية الزنك / بضغط الهواء لتلفيق في وقت لاحق من VB 2 / خلايا الهواء.
- إنشاء قطع في الشفة من غلاف الخلية عملة باستخدام كماشة قطع قطري.
- تجعيد الخارج ارتفع من الشفة إلى الخارج. بعد الذهاب تماما حول الخلية مرتين، ينبغي أن يكون من السهل لفتح.
- باستخدام شفرة حلاقة، ودفع ما يصل على حواف الغطاء ببطء، فرض بلطف فتح الخلية. ملاحظة: قد يستغرق لحظة للحصول على خلية مفتوحة. التحلي بالصبر والحرص على عدم كسر أو تلف أي جزء عند القيام بهذه الخطوة. سوف تحتاج الخلية إلى لا تزال سليمة.
- إعداد بطارية للاستخدام
- مرة واحدة يتم فتح الخلية إلى قسمين (الغطاء والقاع) تبدأ في إزالة بلطف مادة الأنود الزنك من الغطاء والقاع.
- إزالة أكبر قدر ممكن الزنك الصلبة مع شفرة الحلاقة. لا تتخلص من أسفل، ومن المهم أن لا تضر أي أجزاء. فاصل (القاع) و(الجانبين) طوقا تشكيل تراكب مبهمة واحد التي يمكن بسهولة أن ثقب من الضغط أكثر من اللازم مع شفرة الحلاقة. سوف اختراق فاصل يؤدي إلى الإضرار الكاثود الهواء. بالإضافة إلى ذلك، إذا اختل طوقا يتم فقدان الموثوقية للخلية إلى أن تكون معزولة كهربائيا.
- باستخدام مسحة القطن يمسح بعناية الزنك المتبقية وبقايا من الغطاء والقاع والفاصل.
- تنظيف قبالة قبعة وخارج الخلية مع ايزوبروبيل.
4. إعداد 5 ماه الكهربائي العامل مع خليط 70/30 الجاف
- باستخدام عنصر الزركون توليفها المغلفة نانو VB 2 كما العتاد بالموقعAL، تزن من 0.0012 غ لكل القطب إلى أن تكون ملفقة (عادة 5 - يتم اختبار 10 خلايا في كل مرة) ونقل في هاون ومدقة.
- إضافة 30٪ من وزنه 2 VB، 0.0005 غرام من غرافيتي الكربون الأسود (لكل قطب كهربائي)، إلى المادة الفعالة في هاون ومدقة وتطحن لمدة 30 دقيقة.
- ضمان أنه لا توجد، مجموعات كبيرة من المواد المرئية وجمع مسحوق.
- تزن من حوالي 0.0017 غرام من الخليط 70/30-powder في قبعة القطب نظيفة باستخدام ملعقة. (إذا إعداد خلايا متعددة في وقت واحد، وإلا نقل المواد إلى الحد الأقصى مسرى).
- إضافة قطرة واحدة من الكحول الآيزوبروبيل إلى كل قبعة ومسحوق دوامة مع ملعقة أو غيرها المدببة الصغيرة حتى لا توجد كتل ويتم توزيعها بالتساوي التعليق عبر الجزء العلوي من الغطاء.
- تسمح أقطاب لتجف لمدة 30 دقيقة.
5. الجمعية الخليوي VB 2 الهواء - الطريقة الجافة
- تجميع الخلايا في الاتجاه المعاكس من الزنك / منظمة العفو الدوليةخلية R مع القطب العمل، وكأب، رأسا على عقب.
- تنظيم كل خلية (من 5-10 يجري اختبارها) في صفين، والقبعات في واحد وقيعان المقابلة في الآخر. تفتيش كل قبعة لضمان أن المواد الأنود ينتشر بالتساوي وليس تصدع.
- إضافة 27 ميكرولتر من 4 M KOH / 4 M هيدروكسيد الصوديوم المنحل بالكهرباء الخليط إلى كل فاصل.
- إزالة بلطف بالكهرباء الزائدة من قيعان استخدام القطن اللمس مرة واحدة فقط داخل القاع.
- بعناية تأخذ كل من قيعان، تسليمهم، ووضعها على رأس قبعات بحيث أن المواد انوديك على اتصال مع المنحل بالكهرباء.
- ممارسة الضغط وختم باستخدام الايبوكسي تجفيف سريع.
6. نانو VB 2 / الهواء اختبار الخلية،
- بمجرد الانتهاء من عملية التصنيع، وخلايا المكان على رف التفريغ أو حامل البطارية.
- تسمح كل خلية خطوة بقية الأولي من عشر دقائق للتأكد من أن الخلايا تتوازن قبل التفريغ.
- تفريغالخلايا في وزن ثابت من 3،000 Ω (أو الحمل البديل المطلوب) باستخدام اختبار البطارية.
- بعد الخطوة موازنة، واتخاذ قياس إمكانات الدائرة المفتوحة.
- ثم أداء تحت تحميل ثابت حتى يتم التوصل إلى وقف الجهد من 0.4 V.
- ومن ثم يمكن حساب الكفاءة Coulombic عن طريق نسبة القدرة المقاسة مقارنة مع الأنود النظرية القدرة على التصريف أحد عشر الإلكترون من 4،060 كجم آه -1.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
يتم تنفيذ الكهروكيميائية اختبار لتحديد أداء VB 2 / بطاريات الهواء. النتائج التي تم الحصول عليها للخلايا متعددة توفر الأدلة لاستنساخ أداء الخلية. الشكل 1 يقارن VB 2 / بطاريات الهواء خلال 3،000 أوم (يسار) و1،000 أوم (يمين) التفريغ. لاحظ أن الجهد التفريغ، وكذلك جزء من آه 4،060 كجم -1 القدرات الذاتية هو أعلى مع نانوية VB 2 الأنود مقارنة العيانية VB 2 خلية الأنود، وأن هذه الخلية يحتفظ أيضا كفاءة أعلى في معدل أعلى (...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
بناء VB 2 / بطارية الهواء بهذه الطريقة يوفر القدرة على دراسة وتحقيق في أحد عشر الإلكترونات في الجزيء نقل المسؤول الذي يحدث، مما يتيح إمكانية جديدة بطارية عالية السعة. النتائج التي تم الحصول عليها إذا لا تثبت النتائج استنساخه، وضمان أن جميع المواد الأنود الزنك تم إزالتها من البطارية، أن هناك تشتت حتى من المادة الفعالة على الغطاء، وأن الخلايا يتم لصقها بشكل صحيح من دون أي تسرب. في حالة استمرار حدوث المشكلة، تأكد من أن البطاريات هي باناسونيك 675 الزنك / الهواء خلايا مصنوعة...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
الكتاب، كريس رودس، روبن لوبيز، Xuguang لى، ماهيش Waje، وماثيو مولينغز هم موظفون من شركة Lynntech
شكر وتقدير
فإن الكتاب أود أن أنوه جائزة المؤسسة الوطنية للعلوم 1006568 لتمويل هذا المشروع.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| MATERIALS< / strong> | |||
| Boron | Alfa Aesar | 11337 | |
| ثنائي إيثيل الأثير | جي تي بيكر | 9244-06 | 4 لتر |
| إيبوكسي | لوكتايت | شديد التحمل 5 دقائق وقت الإعداد | |
| كحول | |||
| باناسونيك 675 زنك / خلية هوائية | باناسونيك | PR675H | صنع في اليابان ( ليس ألمانيا) |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | الجرافيتي الكربون الأسود | |
| الفاناديوم | ألدريتش | 262935 | |
| الفاناديوم ثنائي البوريد | العناصر الأمريكية | 12007-37-3 | |
| طيف | كلوريد الزركونيوم | Z20001 | |
| <قوي>تجهيز< قوي> | |||
| 50 مل قارورة قاع مستديرة | فيشر Scientific Co LLC | CG151001 | |
| كماشة قطع قطرية | لاجهزة الكمبيوتر | ||
| لوحة ساخنة / تحريك | IKA | C-MAG HS 7 | |
| صندوق قفازات | Labconco | Precision Basic | |
| عشر كرات كربيد التنجستن مقاس 10 مم | Lab Synergy | 55.0100.08 | |
| جرة طحن كربيد التنجستن | Lab Synergy | 50.8600.00 | |
| ماكينة الحلاقة | شفرة متجر | ||
| الكمبيوتر Retsch PM 100 مطحنة الكرة الكوكبية | Retsch | 205400003 | |
| Stir bar | VWR International | 58947-140 |
المراجع
- Linden, D., Reddy, T. B. Handbook of Batteries. , 4th, McGraw-Hill. New York. (2010).
- Rogulski, Z., Czerwin'ski, A. Cathode Modification in the Leclanche' Cell. Journal of Solid State Electrochemistry. 7, 118-121 (2003).
- 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).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
الوسوم
