- 电化学评估和对称有机氧化还原液流电池的充电诊断状态协议
2017年2月13日
我们提出的协议电化学评估对称非水有机氧化还原液流电池和用于诊断其用FTIR充电状态。
该视频协议的总体目标是实验演示对称、非水、基于 PTIO 的氧化还原液流电池的电化学性能和基于傅里叶变换的红外充电状态诊断。因此，这种方法可以回答电网储能领域的关键问题，例如人们如何确保液流电池安全可靠地运行，尤其是在长期运行中。这种技术的主要优点是，可以通过简单、经济高效的傅里叶变换红外光谱来确定电池的充电状态，该光谱也可以集成用于实时监测。
通常，刚接触这项技术的人会很挣扎，因为在液流电池中，溶剂和支撑电解质在电活性材料的定量过程中会有非常强的干扰。当我们发现 PTIO 具有与溶剂和盐区分开来的吸收峰并且属于其他氧化态时，我们首先有了这个想法。所有电化学测试，包括流通池中的循环伏安法，均在充满氩气的手套箱中进行，水和氧气含量低于 1 ppm。
将循环伏安法装置组装在一个 25 mL、三颈、梨形烧瓶中，并配有抛光玻璃碳工作电极、石墨毡条对电极和硝酸银 10 毫摩尔参比电极。接下来，将 52 毫克 PTIO 和 0.87 克四丁基六氟磷酸铵溶解在 1.1 克乙腈中。向烧瓶中加入 3 毫升此溶液，以浸没三个电极的尖端。
将电极连接到电化学工作站。以每秒 100 毫伏的扫描速率测量负 1.75 至 0.75 伏电压范围内的循环伏安曲线。两个氧化还原对之间的电位间隙是 PTIO 液流电池的理论电池电压。
要组装流通池，首先使用剃须刀片将石墨毡切割成 1 x 10 平方厘米的面积。同样，将多孔隔板切割成 3 x 12 平方厘米的面积和两个垫圈，每个垫圈都有一个 1 x 10 平方厘米的孔，以容纳石墨毡。将液流电池部件放入 70 摄氏度的真空烘箱中干燥过夜。
第二天，将部件移入手套箱中，让它们冷却至环境温度。使用扭矩扳手组装流通池，预设为 125 英寸磅。然后将电解液流管连接到流通池。
要进行流通池测试，请将 1.05 克 PTIO 和 3.60 克 TBAPF6 溶解在手套箱中的 3.60 克乙腈中。然后向每个玻璃瓶中加入 4 毫升溶液。以每分钟 20 毫升的速度流出电解液。
将流通池的正负极集流体连接到电化学工作站。在开路电位下，在 100 kHz 到 1 赫兹的频率范围内测量流通池的电化学阻抗谱。这些流通池的截止电压对电池阻抗的变化相对敏感，需要在每个电池的第一个周期进行调整，以避免过度充电。
将流通池的正负极集流体连接到电池测试仪。在电池作软件中设置 0.8 伏和 2.2 伏特的截止电压，每平方厘米 20 毫安的恒定电流。反复对 PTIO 流通池进行充电和放电。
在手套箱中制备乙腈溶剂样品、1.0 摩尔 TBAPF6 电解质溶液和 0.5 摩尔 PTIO、1.0 摩尔 TBAPF6 电解质溶液。由于 PTIO 物质的电荷对空气敏感，因此应使用可密封的 FTIR 池以避免空气接触。将 FTIR 池从手套箱中运输到 FTIR 光谱仪时，建议使用密封容器。
将少量每种溶液添加到具有溴化钾窗口且光程为 0.2 mm 的可密封 FTIR 池中。密封 FTIR 池，将 FTIR 池放入储存容器中，然后将其从手套箱中转移出来。将 FTIR 单元安装到光谱仪上，然后继续收集 FTIR 光谱。
然后比较乙腈、1.0 摩尔 TBAPF6 和 0.5 摩尔 PTIO、1.0 摩尔 TBAPF6 电解质的获得 FTIR 光谱。接下来，向每个玻璃瓶中加入 4.0 毫升 0.5 摩尔 PTIO、1.0 摩尔 TBAPF6 溶液。以每分钟 20 毫升的速度流出电解液。
将流通池充满电，直到电压达到 2.2 V。然后停止泵中的充电并收集正极和负极电解液。像以前一样测量正电解质和负电解质的 FTIR 光谱。
将他们的 FTIR 光谱与原始 PTIO 解决方案的 FTIR 光谱进行比较。在手套箱中工作，在乙腈中制备一系列 1.0 摩尔 TBAPF6 的 PTIO 溶液。测量并比较每种溶液的 FTIR 光谱以获得校准曲线。
要测量电荷状态，首先组装另一个流通池。向每个玻璃瓶中加入 11 毫升 0.5 摩尔 PTIO、1.0 摩尔 TBAPF6 溶液。以每分钟 20 毫升的速度流出电解液。
以每平方厘米 10 毫安的恒定电流为流通池充电。在不同的充电时间，停止电池充电和电解液流动，并在恢复电池之前从阳极液和阴极液侧玻璃瓶中取出小份电解质。最后，测量并比较五个样品等分试样的 FTIR 光谱。
PTIO 流通池的电化学性能如下所示。PTIO 电池显示循环伏安法的理论电池电压为 1.73 伏。0.5 摩尔电池以每平方中心 20 毫安的循环导致平均库仑效率为 90%a，伏特效率为 67%，能效为 60%然而，流通池表现出容量衰减。
使用 FTIR 确定 SOC 的可行性由 1218 倒厘米的 FTIR peaK 验证。在这里，溶剂和盐对 PTIO 的干扰最小。PTIO 的三种氧化态可以相互区分。
峰强度的对数与 PTIO 浓度呈线性关系，可用作校准曲线。通过 FTIR 测量确定 PTIO 流通池在充电期间多个时间间隔的 PTIO 浓度和充电状态。基于 FTIR 的 SOC 测定的准确性通过电子自旋共振测量进行交叉验证。
一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在 8 小时内完成。在尝试此程序时，请务必记住避免样品接触氧气或湿气。按照此程序，可以执行其他方法，例如测量 FTIR 作为循环编号的函数，以回答其他问题，例如健康状况和材料降解。
观看视频后，您应该对如何评估给定氧化还原液流电池化学成分的电化学性能以及如何测量使用 FTIR 敏感氧化还原材料的氧化还原液流电池的 SOC 有很好的了解。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本视频协议通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）展示了对称非水型氧化还原液流电池的电化学性能和充电状态诊断。该方法解决了电网储能的关键问题，重点关注流动电池长期安全可靠的运行。
关键研究组成部分
科学领域
- 电化学
- 能源储存
- 电池技术
背景
- 流动电池对电网储能至关重要。
- 确定充电状态对电池管理至关重要。
- PTIO显示出可区分的吸收峰，有助于诊断。
- 溶剂和电解质的干扰使量化复杂化。
研究目的
- 评估氧化还原液流电池的电化学性能。
- 开发可靠的充电状态诊断方法。
- 确保流动电池长期安全有效运行。
使用的方法
- 包括循环伏安法的电化学测试。
- 用于充电状态诊断的傅里叶变换红外光谱。
- 在充满氩气的手套箱中进行的实验。
- 监测低于一ppm的水和氧气水平。
主要结果
- FTIR成功区分PTIO和溶剂及盐的干扰。
- 展示了可靠的充电状态确定。
- 显示了实时监测的可行性。
- 通过各种电化学测试验证了该方法。
结论
- 该方法为电池诊断提供了一种成本效益的解决方案。
- 它提高了流动电池操作的安全性和可靠性。
- 未来的应用可能包括能源系统中的实时监测。
常见问题
Executive Industry Relevance
This protocol enables reliable state-of-charge monitoring for non-aqueous redox flow batteries, addressing critical grid energy storage challenges related to long-term operational safety and performance predictability. By leveraging FTIR spectroscopy for real-time diagnostics, it supports mechanistic de-risking of emerging battery chemistries and informs go/no-go decisions in energy storage technology portfolios. The approach enhances translational continuity from materials discovery to system-level validation, reducing uncertainty in stationary energy storage applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of redox-active material behavior under operational conditions, supporting target validation through direct observation of electrochemical state changes.
- Operational Value: Provides a standardized method to distinguish target signals from solvent and electrolyte interferences, improving assay specificity in energy storage systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of validated electroactive systems for downstream screening by establishing concentration-dependent FTIR response curves.
- Operational Value: Enables assay standardization and reproducibility through sealed FTIR cells that prevent atmospheric degradation during transfer and measurement.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by enabling continuous monitoring of redox species during charge/discharge cycles, mirroring dynamic biological systems.
- Operational Value: Ensures translational continuity by cross-validating FTIR-based state-of-charge measurements with orthogonal techniques like electron spin resonance.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by enabling hypothesis testing of redox mechanisms, supporting assay readiness through quantitative FTIR outputs, and informing analytics-driven decisions via state-of-charge tracking across operational timelines.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by clarifying redox pathways and oxidation state transitions of PTIO during battery cycling.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible measurements of electroactive concentration, enabling reliable compound and material evaluation.
- Analytics: Provides linear calibration curves from FTIR peak intensity, allowing precise state-of-charge determination at defined time intervals.
- Translational Research: Connects electrochemical performance to real-time monitoring capability, supporting progression from lab-scale to system-level validation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable diagnostic platform applicable across non-aqueous flow battery formulations for consistent state-of-charge tracking.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by enabling real-time, interference-corrected monitoring of redox state changes.
- Operational Value: Enhances reproducibility and scalability through glove-compatible, sealed FTIR sampling and standardized flow cell protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing late-stage failure risk through early detection of capacity fading and state-of-charge inaccuracies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of energy storage technologies based on validated diagnostic reliability and operational safety.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrochemistry and spectroscopic analysis within inert environments.
- Necessitates argon-filled glove box with sub-ppm water and oxygen control for sample integrity.
- Demands sealed FTIR cells with potassium bromide windows to prevent atmospheric degradation during transfer.
- Involves flow cell assembly with precise torque application and electrolyte flow rate control at 20 mL/min.
- Limited by PTIO’s air sensitivity, requiring strict exclusion of moisture and oxygen during all handling steps.
