بروتوكول لالكهروكيميائية التقييمات والدولة من تهمة تشخيص ومتماثل العضوية الأكسدة والاختزال تدفق البطارية

الهدف العام من هذا البروتوكول المرئي هو إثبات الأداء الكهروكيميائي وتشخيصات حالة الشحن القائمة على تحويل فوريه للأشعة تحت الحمراء لبطارية تدفق أكسدة واختزال متماثلة وغير مائية تعتمد على PTIO. ومن ثم، يمكن لهذه الطريقة الإجابة على أسئلة جوهرية في مجال تخزين طاقة الشبكات، مثل كيفية ضمان تشغيل بطاريات التدفق بأمان وموثوقية، خاصة في العمليات طويلة الأمد. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية في إمكانية تحديد حالة شحن البطارية من خلال مطيافية تحويل فوريه للأشعة تحت الحمراء البسيطة ومنخفضة التكلفة، والتي يمكن دمجها أيضاً للمراقبة في الوقت الفعلي.

بشكل عام، سيواجه الأشخاص المبتدئون في هذه التقنية صعوبات لأن المذيب والإلكتروليتات الداعمة في بطاريات التدفق تسبب تداخلات قوية جداً أثناء تقدير كمية المادة النشطة كهربائياً. لقد خطرت لنا هذه الفكرة لأول مرة عندما اكتشفنا أن PTIO يمتلك ذروة امتصاص يمكن تمييزها عن المذيب والملح وعن حالات الأكسدة الأخرى. يتم إجراء جميع الاختبارات الكهروكيميائية، بما في ذلك قياس الفولتاميتري الحلقي في خلايا التدفق، داخل صندوق قفازات مملوء بغاز الأرجون مع مستويات من الماء والأكسجين تقل عن 1 ppm.

قم بتجميع جهاز القياس الفولتامي الدوري في دورق كمثري ثلاثي العنق سعة 25 milliliter، باستخدام قطب عمل من الكربون الزجاجي المصقول، وقطب مقابل من شريط لباد الغرافيت، وقطب مرجعي من الفضة ونترات الفضة بتركيز 10 millimolar. بعد ذلك، قم بإذابة 52 milligrams من PTIO و 0.87 grams من سداسي فلوروفوسفات رباعي بوتيل الأمونيوم في 1.1 grams من الأسيتونيتريل. أضف ثلاثة milliliters من هذا المحلول إلى الدورق لغمر أطراف الأقطاب الثلاثة.

قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بمحطة عمل كهروكيميائية. قم بقياس منحنيات الفولتاميتري الحلقية في نطاق جهد يتراوح من 1.75- إلى 0.75 فولت وبمعدل مسح قدره 100 millivolts في الثانية. يمثل فارق الجهد بين زوجي الأكسدة والاختزال القيمة النظرية لجهد خلية بطارية تدفق PTIO.

لتجميع خلية التدفق، ابدأ بقص اللباد الجرافيتي إلى مساحة 1 × 10 سنتيمتر مربع باستخدام شفرة حلاقة. وبالمثل، قم بقص فاصل مسامي بمساحة 3 × 12 سنتيمتر مربع وحشوتين، بحيث تحتوي كل منهما على فتحة بمقاس 1 × 10 سنتيمتر مربع لاستيعاب اللباد الجرافيتي. جفف أجزاء بطارية التدفق في فرن تفريغ عند 70 درجة مئوية طوال الليل.

في اليوم التالي، انقل الأجزاء إلى صندوق القفازات واتركها تبرد حتى تصل إلى درجة حرارة البيئة المحيطة. قم بتجميع خلية التدفق باستخدام مفتاح عزم الدوران، الذي تم ضبطه مسبقاً على 125 inch pounds. ثم قم بتوصيل أنابيب تدفق الإلكتروليت بخلية التدفق.

لإجراء اختبار خلية التدفق، قم بإذابة 1.05 grams من PTIO و 3.60 grams من TBAPF6 في 3.60 grams من acetonitrile داخل صندوق القفازات. ثم أضف أربعة milliliters من المحلول إلى كل قارورة زجاجية. قم بتدفق الإلكتروليتات بمعدل 20 milliliters في الدقيقة.

قم بتوصيل مجمعي التيار الموجب والسالب لخلية التدفق بمحطة عمل كهروكيميائية. قم بقياس مطيافية الممانعة الكهروكيميائية لخلية التدفق في نطاق تردد يتراوح من 100 kiloHertz إلى 1 Hertz عند جهد الدائرة المفتوحة. تُعد نقاط قطع الجهد لهذه الخلايا حساسة نسبيًا للتفاوت في الممانعة من خلية إلى أخرى، ويجب ضبطها في الدورة الأولى لكل خلية لتجنب الشحن الزائد.

قم بتوصيل مجمعي التيار الموجب والسالب لخلية التدفق بجهاز فحص البطارية. اضبط حدود قطع الجهد عند 0.8 و2.2 فولت بتيار ثابت قدره 20 milliamps لكل سنتيمتر مربع في برنامج تشغيل البطارية. قم بشحن وتفريغ خلية تدفق PTIO بشكل متكرر.

قم بتحضير عينة من مذيب الأسيتونتريل، ومحلول إلكتروليتي من TBAPF6 بتركيز 1.0 مولار، ومحلول من PTIO بتركيز 0.5 مولار مع إلكتروليت TBAPF6 بتركيز 1.0 مولار داخل الصندوق القفازي. نظرًا لأن شحنة أنواع PTIO حساسة للهواء، يجب استخدام خلايا FTIR قابلة للإغلاق لتجنب التلامس مع الهواء. ويُوصى باستخدام حاوية محكمة الإغلاق عند نقل خلية FTIR من الصندوق القفازي إلى مطياف FTIR.

أضف حجماً صغيراً من كل محلول إلى خلية FTIR قابلة للإغلاق ذات نوافذ من بروميد البوتاسيوم وطول مسار يبلغ 0.2 millimeters. أغلق خلية FTIR بإحكام وضعها في حاوية تخزين ثم انقلها إلى خارج صندوق القفازات. ثبت خلية FTIR في جهاز المطياف وابدأ في جمع طيف FTIR.

ثم قارن أطياف FTIR المكتسبة لكل من الأسيتونيتريل، وإلكتروليت TBAPF6 بتركيز 1.0 مولار، ومحلول PTIO بتركيز 0.5 مولار مع TBAPF6 بتركيز 1.0 مولار. بعد ذلك، أضف 4.0 ملليلتر من محلول PTIO بتركيز 0.5 مولار وTBAPF6 بتركيز 1.0 مولار إلى كل قارورة زجاجية. قم بتدفق الإلكتروليتات بمعدل 20 ملليلتر في الدقيقة.

اشحن خلية التدفق شحناً كاملاً حتى يصل الجهد إلى 2.2 volts. بعد ذلك، أوقف عملية الشحن في المضخة واجمع الإلكتروليتات الموجبة والسالبة. قم بقياس أطياف FTIR لكل من الإلكتروليتات الموجبة والسالبة كما سبق.

قارن أطياف FTIR الخاصة بها مع طيف محلول PTIO الأصلي. قم بتحضير سلسلة من محاليل PTIO في 1.0 مولار TBAPF6 في الأسيتونيتريل أثناء العمل داخل صندوق قفازات. قم بقياس ومقارنة أطياف FTIR لكل محلول من المحاليل للحصول على منحنى المعايرة.

لقياس حالة الشحن، قم أولاً بتجميع خلية تدفق أخرى. أضف 11 milliliters من محلول 0.5 molar PTIO و 1.0 molar TBAPF6 إلى كل قارورة زجاجية. قم بتدفق الإلكتروليتات بمعدل 20 milliliters في الدقيقة.

قم بشحن خلية التدفق بتيار ثابت قدره 10 milliamps لكل سنتيمتر مربع. وعند أزمنة شحن مختلفة، أوقف شحن الخلية وتدفق الإلكتروليت وخذ كميات صغيرة من الإلكتروليتات من القوارير الزجاجية في جانبي الأنوليت والكاثوليت قبل استئناف تشغيل الخلية. وأخيرًا، قم بقياس ومقارنة أطياف FTIR للعينات الخمس التي تم سحبها.

يظهر هنا الأداء الكهركيميائي لخلية التدفق PTIO. تُظهر خلية PTIO جهداً نظرياً للخلية يبلغ 1.73 volts بناءً على قياسات الفولتاميتري الحلقية. وقد أدى التدوير بتيار قدره 20 milliamps لكل سنتيمتر مربع للخلية ذات التركيز 0.5 molar إلى كفاءة كولومية متوسطة بلغت 90%، وكفاءة فولتية بلغت 67%، وكفاءة طاقة بلغت 60%. ومع ذلك، أظهرت خلية التدفق تراجعاً في السعة.

يتم التحقق من جدوى استخدام تقنية FTIR لتحديد حالة أكسدة الكربون (SOC) من خلال ذروة FTIR عند 1218 inverse centimeters. وهنا، يكون للمذيبات والملح حد أدنى من التداخل مع PTIO. ويمكن التمييز بين حالات الأكسدة الثلاث لـ PTIO فيما بينها.

يُظهر لوغاريتم شدة الذروة اعتماداً خطياً على تركيز PTIO ويمكن استخدامه كمنحنى معايرة. وقد تم تحديد تركيز PTIO وحالة الشحن لخلية تدفق PTIO عند فترات زمنية متعددة أثناء الشحن عن طريق قياسات FTIR. كما تم التحقق من دقة تحديد حالة الشحن (SOC) بناءً على FTIR من خلال قياسات رنين الغزل الإلكتروني.

بمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن تنفيذها في غضون ثماني ساعات إذا تم تطبيقها بشكل صحيح. وأثناء محاولة إجراء هذا الإجراء، من المهم تذكر تجنب تعريض العينات للأكسجين أو الرطوبة. وعقب هذا الإجراء، يمكن تنفيذ طرق أخرى، مثل قياس FTIR كدالة في عدد الدورات، وذلك للإجابة على أسئلة إضافية، مثل الحالة الصحية وتدهور المادة.

بعد مشاهدة الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية تقييم الأداء الكهركيميائي لكيمياء معينة لبطارية تدفق الريدوكس، وكيفية قياس حالة الشحن (SOC) لبطاريات تدفق الريدوكس التي تستخدم مواد ريدوكس حساسة للأشعة تحت الحمراء بتحويل فوريه (FTIR).