液态金属电极中声速的测量

摘要

超声波测速用于研究液态金属电极中流体流动引起的混合现象。本文的重点是阐述在限制氧化并控制和监测温度、施加电流以及供给加热功率的同时，实现精确、空间分辨的超声波测量所采用的方法。

摘要

越来越多的电化学技术依赖于流体流动，而这种流体常常是不透明的。测量不透明流体的流动本质上比测量透明流体更为困难，因为光学方法无法适用。超声波可用于测量不透明流体的速度，不仅可在孤立点上测量，还可沿直线在数百甚至数千个点上进行测量，并具有良好的时间分辨率。当应用于液态金属电极时，超声波测速面临额外挑战：高温、化学活性以及电导性。本文描述了克服这些挑战的实验装置与方法，可在工作温度下、电流通过时对液态金属电极内的流动进行测量。温度通过比例-积分-微分（PID）控制器调节，控制精度在±2 °C以内，该控制器驱动一个定制的加热炉。化学活性通过谨慎选择容器材料，并将整个实验装置置于充满氩气的手套箱中加以控制。最后，需仔细避免意外的导电通路。自动化系统利用硬件触发信号同步设备，记录控制参数和实验测量数据。该装置与这些方法能够获得其他技术无法实现的测量结果，有助于优化和控制液态金属电池等电化学技术。

引言

液态金属电池是一种有前景的技术，可用于在全球电力网络中实现大规模能量存储¹。这类电池具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和低成本等优点，非常适合电网规模的能量存储应用³。将液态金属电池引入能源电网可实现削峰填谷，提高电网稳定性，并促进太阳能、风能和潮汐能等间歇性可再生能源的更广泛使用。液态金属电池由两个液态金属电极和夹在中间的熔融盐电解质组成，其详细结构在先前的研究中有描述¹。尽管多种不同的金属与电解质组合均可构成可工作的液态金属电池，但其工作原理保持一致。所选用的金属应能从能量角度倾向于形成合金；因此，合金化过程对应电池放电，而去合金化过程则对应充电。所选的盐层应允许金属离子在两个电极之间传输，同时阻止中性物质的迁移，从而实现对系统的电化学控制。

本研究将通过量化和控制传质效应，推动液态金属电池技术的发展。本文所述方法借鉴了Sadoway为液态金属电池开发的电化学方法。 等^1–4 以及美国阿贡国家实验室早期在液态金属电池方面的研究工作^5,6，以及更广泛的电化学领域研究群体的工作（Bard 和 Faulkner）⁷ 提供了大量相关参考文献）。本文所述方法也建立在此前的流体力学研究基础之上。超声测速技术最初是在水中开发并首次应用的^8,9 并已应用于包括镓在内的液态金属^10,11钠

方案

1. 系统设置与组装

1. 使用异丙醇清洁超声波换能器。
2. 装载手套箱。
   1. 按照手套箱制造商的说明，将所需设备和材料（包括超声波换能器、ePbBi、搅拌棒和热电偶）装入手套箱，以尽量减少氧气和湿气的进入。
   2. 在进入手套箱前，将多孔材料置于手套箱前室的真空环境中保持12小时。
3. 调节PID控制器（仅首次操作时需要）。
   1. 将与实验中相同质量的固态ePbBi装入电池容器中（840 g）。
   2. 如果尚未安装，将炉体隔热材料包裹在电池容器周围，并将盖子、负极集流体和热电偶放置在电池容器顶部。
   3. 按照图2B所示，连接热电偶和炉体电源的所有电气线路。
   4. 启动PID控制器的自动调谐程序，设定点温度为150 °C。注意：此步骤的具体操作会因PID控制器的制造商和型号不同而有所差异。本实验所用控制器通过控制四次完整的热循环（从室温升至工作温度）在数小时内完成自动调谐。
      1. 使用方向键调整设定点温度（控制器调谐完成后默认显示），将其设为150 °C。
      2. 按住循环按钮3秒以进入隐藏菜单，然后反复按下循环按钮，直到控制器屏幕显示“tUnE”。使用方向键将其更改为YES。
   5. 插入热电偶，并使用工作站监测并记录温度。
   ....

结果

测量声速的步骤（上文已详细描述）借鉴自Signal-Processing SA所采用的方法。原则上，通过测量来自已知距离墙壁的回波飞行时间，即可轻松获得声速。然而，精确测定换能器表面的有效位置较为困难，因此可采用两次飞行时间测量法：在两次测量之间，使用千分尺将墙壁移动一段已知距离。该位移距离与测得的飞行时间差共同用于计算声速。本实验中用于测量声速的装置如图4A所示。在图4B中展示了在ePbBi中测得的声速结果。每条显示的回波曲线均为跨越7.4秒的98个剖面的平均值。每个回波峰均拟合为高斯曲线（图中所示），该方法利用了大量数据点，因而能比仅寻找单一最大值更精确地确定回波壁的位置。根据已知的回波时间以及两次测量之间回波壁移动了2.54 mm的条件，计算得到在138 °C时的声速为1,793 m/sec，该结果与核能机构（NEA）公认值¹⁹（1,768 m/sec）基本一致。在下文的测量中，采用了NEA的声速值。

在电极无电流通过时记录的一条超声波速度轨迹如图5A所.......

讨论

超声技术可以在透明或不透明流体中的数百乃至数千个位置上，每秒多次获取速度测量数据。将超声技术应用于液态金属电极时，会面临高温、化学活性强以及高电导率等挑战。目前已提出克服这些挑战并实现活性液态金属电极内流动测量的方法。首先，采用一种在物理特性上与高温液态金属电池电极（550 °C）相似但可在较低温度下运行（150 °C）的电极材料，从而降低与高温相关的技术难度。通过定制的炉体和优化的控制系统，可将电极温度稳定控制在±2 °C范围内。为抑制不必要的化学反应，所有实验均在充满氩气的手套箱中进行，并选用化学性质稳定的材料（通常为不锈钢）作为系统组件。为获得最佳超声响应，换能器直接与液态金属测试流体接触。同时，对电流传导路径进行精心设计，以避免形成接地回路，从而保护昂贵的仪器设备。

超声波测速技术在液态金属中存在局限性。标准探头的额定工作温度不超过250 °C，因此无法用于许多金属熔体。与粒子示踪等光学技术相比，超声波测速所能提供的数据集不够丰富^24,25，且本文所述的单探头超声技术仅能测量速度的一个分量，且仅限于一条直线方向。小于超声波波长的特征结构无法被分辨（在1.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
K型热电偶探头	McMaster-Carr	3856K83	http://www.mcmaster.com/
Red Lion PID控制器	Red Lion	P1610000	http://store.redlion.net/store/p16.html
Measurement Computing数据采集设备	Measurement Computing Corporation	USB-2408	http://www.mccdaq.com/index.aspx
电源	TDK-Lambda	GEN 8-90-USB-U	http://us.tdk-lambda.com/hp/
超声仪器	Signal Processing SA	DOP3010	http://www.signal-processing.com/index.html
超声换能器	Signal Processing SA	TR0805LTH	http://www.signal-processing.com/index.html
铋-铅共晶合金	VWR	AA40949-P2	https://us.vwr.com/