يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تمديد العمر الافتراضي للبطاريات القابلة للذوبان يؤدي تدفق مع مضافة خلات الصوديوم

8.6K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/58484

⸱

يناير 7, 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Bio-industrial Mechatronics Engineering Department, National Taiwan University

في هذه المقالة

ملخص

ويرد على بروتوكول لبناء بطارية الرصاص القابل للذوبان التدفق مع عمر موسعة، في الصوديوم الذي تم توفيره خلات في الكهرباء ميثانيسولفونيك كمادة مضافة،.

الملخص

في هذا التقرير، نقدم وسيلة لبناء بطارية تدفق الرصاص القابل للذوبان (سلفب) مع تمديد دورة حياة. بتوفير كمية كافية من خلات الصوديوم (نواك) للكهرباء، يتجلى على تمديد دورة حياة لأكثر من 50% سلفبس عبر جالفانوستاتيك طويلة الأجل الشحن/تفريغ التجارب. يتم التحقق من نوعية أعلى من اليكتروديبوسيت2 PbO في مسرى إيجابية كمياً للكهرباء أضاف نواك برمي قياسات مؤشر (TI). أيضا معرض الصور المكتسبة عن طريق فحص المجهر الإلكتروني (SEM) أكثر تكاملاً PbO2 مورفولوجيا سطح عند تشغيل في سلفب مع اﻻلكتروﻻيت أضاف نواك. هذا العمل يشير إلى أن التعديل المنحل بالكهرباء يمكن أن تكون طريقا معقولاً لتمكينها اقتصاديا سلفبس لتخزين الطاقة على نطاق واسع.

المقدمة

مصادر الطاقة المتجددة بما في ذلك الطاقة الشمسية والرياح وقد وضعت على مدى عقود، ولكن طبيعتها متقطعة يطرح تحديات كبيرة. لشبكة طاقة مستقبلا مع مصادر الطاقة المتجددة التي أدرجت، استقرار الشبكة وتحميل الاستواء حاسمة ويمكن أن يتحقق عن طريق إدماج تخزين الطاقة. الأكسدة والاختزال تدفق البطاريات (هيئات مصائد الأسماك) أحد الخيارات الواعدة لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. هيئات مصائد الأسماك التقليدية تحتوي على أغشية الأيوني الانتقائي التي تفصل بين الأنوليت والكاتوليت؛ على سبيل المثال، أظهرت رفب الفاناديوم كل تعمل بكفاءة عالية وطويلة دورة الحياة1،2. حصتها في السوق كمخزن للطاقة غير محدودة للغاية جزئيا بسبب مواد تضم مكلفة والأغشية الأيوني الانتقائي غير فعالة. من ناحية أخرى، تقدم بطارية تدفق يؤدي تدفق واحد قابل لذوبان (سلفب) بليكتشير et al. 1 , 2 , 3 , 4 , 5-"سلفب" الغشاء أقل لأنه يحتوي على واحد فقط من الأنواع النشطة، أيونات Pb(II). أيونات Pb(II) هي مطلي في مسرى إيجابية ك PbO2 ومسرى السلبية كالجريدة الرسمية في وقت واحد أثناء الشحن، وتحويل مرة أخرى إلى Pb(II) أثناء أداء. وهكذا يحتاج سلفب مضخة تداول واحدة وواحد اﻻلكتروﻻيت صهريج تخزين فقط، الذي بدوره يمكن أن يؤدي إلى تخفيض رأس المال والتكاليف التشغيلية بالمقارنة مع هيئات مصائد الأسماك التقليدية. المنشورة دورة حياة سلفبس، ولكن حتى الآن محدودة لدورات أقل من 200 تحت التدفق الطبيعي الظروف6،،من78،9،10.

العوامل التي تؤدي إلى حياة دورة سلفب قصيرة يقترن مبدئياً ترسب/انحلال PbO2 في مسرى إيجابية. أثناء عمليات الشحن/التفريغ، وجدت الحموضة المنحل بالكهرباء بزيادة أكثر من11من دورات عميق أو المتكررة، والبروتونات التي اقترحت للحث على توليد طبقة التخميل من غير المقايسة PbOx12، 13-سفك PbO2 ظاهرة أخرى تتعلق بتدهور سلفب. إلقاء PbO2 الجسيمات لا رجعة فيها ويمكن الاستفادة من لم يعد. انخفاض كفاءة coulombic (CE) سلفبس بالتبعية بسبب التفاعلات الكهروكيميائية غير متوازن، فضلا عن اليكتروديبوسيتس المتراكمة في كل أقطاب. لتمديد دورة حياة سلفبس، تثبيت pH تقلب وهيكل اليكتروديبوسيت الحاسمة. يوضح ورقة صدرت مؤخرا تعزيز الأداء وتمديد دورة حياة سلفبس مع إضافة خلات الصوديوم (ناواك) في ميثانيسولفونيك اﻻلكتروﻻيت11.

ويرد هنا، بروتوكول مفصل لتوظيف نواك كمادة مضافة للكهرباء ميثانيسولفونيك في سلفبس. يظهر أداء سلفب أن يتعزز ويمكن تمديد العمر بأكثر من 50 في المائة بالمقارنة مع سلفبس دون إضافات نواك. وباﻹضافة إلى ذلك، موضحة إجراءات لرمي قياس مؤشر (TI) ولأغراض المقارنة الكمي للآثار المضافة على اليكتروديبوسيشن. وأخيراً، يرد وصف لطريقة إعداد عينة مجهر الإلكتروني (SEM) المسح ضوئي اليكتروديبوسيت على أقطاب سلفب ويتجلى تأثير المواد المضافة على اليكتروديبوسيت في الصور المكتسبة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1-تشييد خلية كوب سلفب مع مضافة خلات الصوديوم

ملاحظة: هذا المقطع يصف الإجراءات لإنشاء خلية كوب سلفب مع مادة مضافة لتجربة ركوب طويلة الأجل. ويشمل البروتوكول إعداد المنحل بالكهرباء وبدون مضافات والمعالجة القطب والجمعية الخلية وكفاءة العمليات الحسابية.

  1. إعداد ميثانيسولفوناتي الرصاص (1 ل، 1 م كمثال)
    1. في غطاء الدخان، إضافة 274.6 ز حمض ميثانيسولفونيك (MSA، 70 في المائة) إلى أخلطه مع التحريك بقضيب إثارة. حل البدل مع 300 مل مياه (دي).
    2. إعداد ز 223.2 أكسيد الرصاص (II) (98%)، وإضافة العلاوات الدورية إلى الكأس المذكورة آنفا حتى يذوب أكسيد الرصاص مستعدة تماما.
    3. التصفية من خلال القمع [بشنر] مع ورقة تصفية السليلوز 70 مم لفصل أي أكسيد الرصاص أونديسولفيد.
    4. كرر هذا الإجراء لثلاث مرات. إضافة المياه دي لتصل إلى 1 لتر في الحجم الإجمالي.
  2. إعداد المنحل بالكهرباء دون مضافات (300 مل)
    1. إضافة 20.595 ز بدل (70 في المائة) إلى كوب. إضافة 150 مل ميثانيسولفوناتي الرصاص 1 م استعداد للكأس نفسه.
    2. إضافة المياه دي تصل إلى 300 مل في الحجم الإجمالي ويقلب اﻻلكتروﻻيت حتى المختلطة بشكل موحد، والنتائج في حل من ميثانيسولفوناتي الرصاص 0.5 متر مختلطة مع 0.5 م بدل.
  3. إعداد من الكهرباء مع خلات الصوديوم (300 مل)
    1. إضافة 20.595 ز بدل (70 في المائة) إلى كوب. إضافة 150 مل ميثانيسولفوناتي الرصاص 1 م استعداد للكأس نفسه.
    2. إضافة ز 1.23 من نواك (98 في المائة) إلى الكأس كعامل مضافة.
    3. إضافة المياه دي تصل إلى 300 مل في الحجم الإجمالي ويقلب اﻻلكتروﻻيت حتى تمتزج صورة موحدة، مما يؤدي إلى حل 0.5 م الرصاص ميثانيسولفوناتي وحمض ميثانيسولفونيك 0.5 م خلات الصوديوم 50 مم.
  4. المعالجة مسبقة أقطاب الإيجابية والسلبية
    1. مرارا وتكرارا البولندية الإيجابية (مركب الكربون التجاري) والسلبية (النيكل) كهربائي مع الصنفرة (أكسيد الألومنيوم، P100) حتى لا شوائب مرئية يتم ترك وشطف ثم أقطاب مع المياه دي.
    2. إضافة 20.83 غرام كلوريد الهيدروجين (35 في المائة) في المياه 200 مل دي ويقلب الحل حتى يذوب كل من كلوريد الهيدروجين.
    3. تزج مسرى إيجابية كاملة في استعداد م 1 كلوريد الهيدروجين الحل بين عشية وضحاها لإزالة الشوائب على سطح القطب.
    4. شطف مسرى إيجابيا جيدا بالماء دي وجاف مسرى مع مساحات مهمة حساسة. الشريط من جانب واحد لكل قطب كهربائي باستخدام الشريط تترافلوروايثيلين (PTFE) بينما تعرض على الجانب الآخر من أقطاب كهربائية.
    5. إعداد حل آخر مع ز 3.03 من نترات البوتاسيوم (99 ٪) و 300 مل دي المياه، مما يؤدي في محلول نترات البوتاسيوم 0.1 M.
    6. تزج أقطاب الإيجابية والسلبية في نترات البوتاسيوم 0.1 M مع السطح المكشوفة التي تواجه كل قطب كهربائي.
    7. تطبيق محتملة من 1.80 الخامس مقابل Ag/AgCl للقطب إيجابية لمدة 5 دقائق. وفي وقت لاحق، تطبيق محتملة من-1، 0 الخامس مقابل Ag/AgCl للقطب إيجابية لمدة 2 دقيقة.
  5. تجميع على خلية الكأس سلفب
    1. إرفاق pretreated الأقطاب الموجبة والسالبة للوحة تحديد الموضع قطب الصنع لمسافة ثابتة قطب. وضع المجلس تحديد المواقع جنبا إلى جنب مع أقطاب في كوب تخطيطياً يتضح في الشكل رقم 1 وإضافة المنحل بالكهرباء إلى الكأس حتى مستوى معين من الغمر.
    2. مكان محرض مغناطيسي إلى الكأس، ضع الكأس على طبق ساخن والسيطرة على معدل التناوب محرض. الاتصال اختبار البطارية الأقطاب وتغطي الخلية أخلطه مع غلاف بلاستيكي لمنع التبخر.
  6. حساب كفاءة البطارية
    1. بعد اتهام جالفانوستاتيك والتفريغ، حساب كفاءة البطارية كالتالي:
      كولومبيك الكفاءة:figure-protocol-1
      فعالية الجهد:figure-protocol-2
      كفاءة الطاقة:figure-protocol-3
      هنا، يدل Q كولومبس اتهم خرج يعادل الإلكترونات و الخامس الجهد تطبيق/الإخراج ه مجموع الطاقة المخزنة المستهلكة.

2-إلقاء مؤشر القياس

ملاحظة: هذا المقطع يصف الإجراءات لقياس مؤشر رمي (TI) من اليكتروديبوسيت في أقطاب إيجابية في الخلايا سلفب. عكس دور أقطاب الإيجابية والسلبية يسلم مجموعة أخرى من النتائج منظمة الشفافية الدولية. هنا، هو التحقيق TI باستخدام خلية لوم هارينج الصنع تخطيطياً كما مبين في الشكل 2.

  1. قياس
    1. زن وسجل اثنين من أقطاب إيجابية على التوالي قبل التجارب.
    2. ضع القطب السلبي في وسط خلية لوم هارينج والقطب إيجابية واحدة بنسبة مسافة من 1 من قطب السلبية. ضع القطب الإيجابي الثاني في آخر نسبة المسافة من قطب السلبية (خذ 6 كمثال في الشكل 2).
    3. تزج قطبين الإيجابية والقطب سلبية واحدة مع مساحة السطح مغمورة نفسه (2 سم2 هنا) في الخلية هارينج-بلوم بالكهرباء للفائدة.
    4. تطبيق كثافة الحالية الخاضعة للرقابة (20 mA·cm-2 هنا) في أقطاب كهربائية باستخدام جهاز اختبار بطارية. الاضطلاع بتهمة جالفانوستاتيك لمدة معينة (30 دقيقة هنا).
    5. وبعد الطلاء، شطف قطبين إيجابية مع المياه دي وتجفيفها في درجة حرارة الغرفة بين عشية وضحاها.
    6. تزن وسجل اثنين من أقطاب الإيجابية مرة أخرى على التوالي وحساب نسبة توزيع المعادن (المقاوم) وفقا للمعادلة المذكورة أدناه.
    7. تكرار التجارب المشار إليها أعلاه عن طريق وضع القطب الإيجابي الثاني في نسب المسافة الخطية المختلفة (من اليسار) للحصول على الرسم التخطيطي TI (تختلف من 6 إلى 1 هنا).
  2. حساب
    1. على سبيل مثال، اعتبار اﻷنود الكهربائي للفائدة، وتحديد كل البيانات في الرسم التخطيطي لمنظمة الشفافية الدولية بقياس المقاوم مقابل LR، التي يتم حسابها كالتالي:
      figure-protocol-4
      figure-protocol-5

3. إعداد نموذج وزارة شؤون المرأة

  1. شطف قطب الجرافيت مع المياه دي وجاف في درجة حرارة الغرفة بعد الطلاء الكهربائي.
  2. شهد شريحة الكرافيت إلى حجم العينة المطلوب بالماس مع الرعاية. جبل العينة القطب الباردة وثم ميكانيكيا البولندية مع 14، 8 و 3 ميكرومتر كربيد السيليكون الرمال ورقات، وفي وقت لاحق.
  3. كذلك البولندية العينات مع تعليق الماس ميكرومترات 1 و 0.05 ميكرومتر Al2O3. إيداع العينة المركبة الباردة مع البلاتين وإرفاقه مع أشرطة النحاس لضمان التوصيل للمراقبة ووزارة شؤون المرأة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

لتمديد دورة حياة سلفبس، يتم تزويد نواك كمضافة المنحل بالكهرباء. ركوب الدراجات أداء سلفبس مع أو بدون نواك المضافة يتم فحص بالتوازي، وتظهر النتائج في الشكل 3. لمقارنة كمية أسهل من دورة الحياة، نحدد "الموت" من سلفب كعند أقل من 80 في المائة تحت جالفانوستاتيك المستمر الشحن/تفريغ به م. الشكل 3 ألف و 3 باء وتبين أن حوالي 50% في دورة تمديد الحياة سلفب ويتحقق عند 50 مم نواك إضافة إلى الكهرباء من ميثانيسولفوناتي الرصاص 0.5...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

وتصف هذه الورقة طريقة مقتصدة لتمديد دورة حياة سلفبس: عن طريق استخدام عامل نواك كمضافة المنحل بالكهرباء. هي preprocessed دفعة جديدة الكرافيت ولوحات النيكل المذكور في الخطوة 1 قبل تجارب ركوب طويلة الأجل. لأنه قد يتسبب عدم تناسق بين الأقطاب الكربونية التجارية انحراف الأداء سلفبس، أمر حاسم لإزالة الرواسب السطحية المعالجة الفيزيائية الكيميائية في "الخطوة 1، 4". الجزء الثاني من "الخطوة 1-4" تستخدم الطرق الكهروكيميائية لإزالة الشوائب التي قد تحفز تفاعلات الأكسدة والاختزال بين الإمكانات من 0 إلى 1.8 V مقابل Ag/AgCl. كما...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس لدينا شيء الكشف عنها.

شكر وتقدير

وأيده هذا العمل بوزارة العلوم والتكنولوجيا، R.O.C.، تحت رقم التمويل من مجلس الأمن القومي 102-2221-ه-002-146-، ومعظم 103-2221-ه-002-233-، ومعظم 104-2628-E-002-016-MY3.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
ورق ترشيح السليلوز 70 ممAdvance
AutolabMetrohmPGSTA302N
BT-LabBioLogicBCS-810
قطب الكربون المركب التجاريHomy Tech ، كثافة تايوان1.75 جم سم < سوب > -3 < / سوپ > ، والتوصيل الكهربائي 330 ثانية سم < سوب > -1 < / سوپ >
منشار الماسبوهلر
حمض الهيدروكلوريكSHOWA0812-0150-000-69SW35٪
أكسيد الرصاص (II)SHOWA1209-0250-000-23SW98٪
Lutropur MSABASF5070752570٪
لوحة النيكلLien Hung Alloy Trading Co., LTD., Taiwan, 99٪
نترات البوتاسيومScharlab28703-9599٪
المسح المجهري الإلكترونيJEOLJSM-7800Fعند تسريع الجهد 15 كيلو فولت
أسيتات الصوديومSHOWA1922-5250-000-23SW98٪
نظام تنقية المياهBarnstead MicroPure  ؛ 18.2 إم وأوميغا.   & سم

المراجع

  1. Soloveichik, G. L. Flow batteries: current status & trends. Chemical Reviews. 115 (20), 11533-11558 (2015).
  2. Ravikumar, M. K., Rathod, S., Jaiswal, N., Patil, S., Shukla, A. The renaissance in redox flow batteries. Journal of Solid State Electrochemistry. 21 (9), 2467-2488 (2017).
  3. Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part I. Preliminary studies. Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1773-1778 (2004).
  4. Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part II. Flow cell studies. Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1779-1785 (2004).
  5. Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). III. The influence of conditions on battery performance. Journal of Power Sources. 149, 96-102 (2005).
  6. Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). IV. The influence of additives. Journal of Power Sources. 149, 103-111 (2005).
  7. Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). V. Studies of the lead negative electrode. Journal of Power Sources. 180 (1), 621-629 (2008).
  8. Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). Part VI. Studies of the lead dioxide positive electrode. Journal of Power Sources. 180 (1), 630-634 (2008).
  9. Li, X., Pletcher, D., Walsh, F. C. A novel flow battery: a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). Part VII. Further studies of the lead dioxide positive electrode. Electrochimica Acta. 54 (20), 4688-4695 (2009).
  10. Krishna, M., Fraser, E. J., Wills, R. G. A., Walsh, F. C. Developments in soluble lead flow batteries and remaining challenges: An illustrated review. Journal of Energy Storage. 15, 69-90 (2018).
  11. Lin, Y. -T., Tan, H. -L., Lee, C. -Y., Chen, H. -Y. Stabilizing the electrodeposit-electrolyte interphase in soluble lead flow batteries with ethanoate additive. Electrochimica Acta. 263, 60-67 (2018).
  12. Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y., Chainet, E. PbO2/Pb2+ cycling in methanesulfonic acid and mechanisms associated for soluble lead-acid flow battery applications. Electrochimica Acta. 71, 140-149 (2012).
  13. Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y. Potential response of lead dioxide/Lead (II) galvanostatic cycling in methanesulfonic acid: a morphologico-kinetics interpretation. Journal of The Electrochemical Society. 160 (1), A148-A154 (2013).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

تمديد العمر الافتراضي للبطاريات القابلة للذوبان يؤدي تدفق مع مضافة خلات الصوديوم
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.