Un protocolo se presenta para estudiar los sistemas de baterías de aire metal multi-electrón / mediante el uso de la tecnología anterior desarrollado para la célula de zinc / aire. Ensayos electroquímicos se realiza después de las baterías fabricadas para evaluar el desempeño.
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Resumen
Resumen
Se propone una técnica para investigar las propiedades y el rendimiento de los nuevos sistemas de batería de múltiples electrones de metal / aire y presentada. Un método para sintetizar nanoscópico VB 2 se presenta así como el procedimiento paso a paso para la aplicación de un recubrimiento de óxido de circonio a las partículas VB 2 para la estabilización el momento del alta. El proceso de desmontaje de las células de zinc / aire existentes se muestra, en la construcción de la adición del nuevo electrodo de trabajo para reemplazar el ánodo de la pila zinc / aire convencional con la nanoscópico VB 2 ánodo. Por último, se informó de descarga de la VB completado 2 / batería de aire. Se demuestra que el uso de la célula de zinc / aire como un banco de pruebas es útil para proporcionar una configuración consistente para estudiar el rendimiento de la alta capacidad nanoscópico VB 2 ánodo de alta energía.
Introducción
Vanadio diboruro como un ánodo tiene entre la capacidad de carga volumétrica más alta de cualquier material de ánodo. Este protocolo presenta un método para el estudio de este material fascinante. Metálica de zinc ha sido el material del ánodo predominante en los sistemas primarios acuosas debido a gravimétricos capacidades de almacenamiento de carga de 5,8 kAh L -1 y 820 Ah kg -1, respectivamente alta volumétrica y de dos electrones del metal de zinc. * La batería de zinc-carbono, conocido como la célula Leclanché, se introdujo por primera vez en el siglo 19, la combinación de un ánodo de zinc con una de dióxido de manganeso (corriente de colector de carbono) en un cátodo de cloruro de electrolito 1. La batería alcalina común utiliza la misma pareja, pero sustituyendo el cloruro de electrolito con un electrolito acuosa de hidróxido alcalino. Junto pilas de zinc-carbón y alcalinas constituyen la mayoría de las baterías primarias vendidos 1. Cuando se sustituye el cátodo de dióxido de manganeso en la célula alcalinapor un cátodo de aire, se consiguen capacidades de almacenamiento de energía sustancialmente más altos. Esta batería de zinc-aire utiliza el oxígeno del aire, y se encuentra comúnmente en las baterías de audífonos 1-3.
Nuestra búsqueda de una mayor capacidad de almacenamiento de la batería se ha centrado en los materiales que pueden transferir múltiples electrones por molécula 4-11. Entre la gran variedad de pares redox que hemos explorado, VB 2 se destaca como un ánodo alcalina extraordinaria capaz de liberar 11 electrones por VB 2, con volumétricos y gravimétricos capacidades de 20.7 kAh L -1 y 4060 Ah kg-1, respectivamente. * En 2004, Yang y colaboradores comunicaron la descarga de VB 2, pero también documentaron el dominio extendida en la que VB 2 es susceptible a la corrosión en medios alcalinos 12. En 2007, se informó de que un revestimiento sobre las partículas de 2 VB impide la corrosión 13, que conduce a la demostración de la VB 2 / b del aireattery en 2008 14.
En este trabajo se presenta un protocolo utilizado para investigar los sistemas metal / aire nuevos que emplean la tecnología desarrollada previamente para la celda de zinc / aire que se aplican a la VB 2 / cámara de aire. Un ánodo 2 nanoscopicVB se presenta como un ánodo de densidad de alta potencia de alta energía capaz de exhibir una reacción de oxidación de once electrones llegando a la capacidad teórica intrínseca de 4,060 Ah kg -1 en aumento de voltaje de la batería y la capacidad de carga de la batería. El 2 / aire pareja VB utiliza un electrolito alcalino de KOH / NaOH, empleando el mismo cátodo de aire de oxígeno extraído de la célula de zinc / aire 1. El cátodo electrocatalizador de carbono no se consume durante la descarga.
Existe una necesidad de una mayor comprensión de la VB 2 / sistema de aire con el fin de mejorar aún más el rendimiento celular. Las propiedades y el rendimiento de los materiales nanoscópicos 2 VB se pueden explorar mediante la tconfiguración de la celda que de la célula de zinc / aire 15,16. Prueba electroquímica se puede realizar para nanoscópico VB 2 para comparar el rendimiento a través de la eficiencia por ciento a diversas velocidades.
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Protocolo
1. Preparación Nano-VB 2
Nanoscópicos VB 2 se sintetiza directamente de vanadio elemental y boro a través de un molino de bolas en una relación molar 1:2.
- Limpie el carburo de tungsteno ml frasco de 50 de fresado y diez de 10 mm bolas de carburo de tungsteno. Bajo aire seco en un horno a 100 ° C durante 1 hora para asegurar que toda el agua se haya evaporado.
- Limpie el interior de la jarra de molienda para asegurar que no queden residuos, repita el paso 1.1, si los residuos es visible.
- Purgar la antesala de una guantera con argón 3 veces durante 10 minutos cada vez. Transfiera el tarro de molienda, bolas, y una espátula limpia en la guantera llena de argón.
- Pesar vanadio y polvos de boro en una relación molar 1:2, 0,500 g de vanadio y 0,212 g de boro en la jarra de molienda, se suman las bolas, y sellar el frasco de fresado.
- Retire el frasco cerrado de molienda de la guantera, colóquelo en un molino de bolas planetario a 600 rpm y molino durante 4 horas.
- Después completion, permitir que el tarro de molienda se enfríe a temperatura ambiente antes de sacarlo del molino de bolas.
- Purgar la antesala de una guantera con argón 3 veces durante 10 minutos cada vez. Transfiera el tarro de molienda, matraz, película de parafina, espátula y barra de agitación magnética en la guantera.
- Aplicar el revestimiento de óxido de circonio a la preparada nanoscópico VB 2 de la siguiente manera:
- Dentro de la caja de guantes recoger el nano-VB 2 preparado previamente usando una espátula para raspar las paredes de la jarra de molienda hasta que la mayor parte de la masa de partida ha sido recuperado. Pesar y transferir la recogida de nano-VB 2 en un matraz de fondo redondo.
- Pesar 3,5 por ciento en peso de cloruro de zirconio en comparación con la VB recogida 2 y a continuación, añadir el polvo al matraz de fondo redondo que contiene la conseguidas nano-VB 2.
- Añadir una barra de agitación magnética al matraz y el uso de película de parafina sellar la abertura antes de retirar de la caja de guantes. Alternativamente, unaseptum se ha utilizado con resultados equivalentes Retirar el matraz de fondo redondo de la guantera.
- Usando una jeringa de 10 ml, transferir 10 ml de éter dietílico en el matraz de fondo redondo. Cubrir rápidamente el agujero creado por la jeringa en la película de parafina con una pieza adicional de Parafilm.
- Mezcle el matraz en una placa de agitación durante una hora en una posición media.
- Después de una hora, se evapora el éter dietílico restante fuera de la nano-VB 2 utilizando un evaporador rotatorio u otra configuración de la bomba hasta que estén cubiertos nano-VB 2 aparece seco.
- Después de Zr revestido nano-VB 2 está completamente seco, recoger.
2. Preparación de electrolitos
- Preparar una mezcla de 4 M KOH y solución 4 M de NaOH para su uso como el electrolito. (NOTA: Hacer sólo lo suficiente para durar un par de semanas, repita según sea necesario para formar nuevas células). Electrolitos acuosa de hidróxido de NaOH y KOH han sido explorados en el pasado que van en la concentración corrióging de 8 M para saturada. La combinación de NaOH 4 M y 4 M KOH produce marginalmente mejorado rendimiento de velocidad alta en comparación con los resultados anteriores con un puro NaOH electrolito.
3. Desmontaje de zinc / aire Baterias
Consulte la tabla de regentes y materiales para obtener información detallada sobre el fabricante de la batería y el número de modelo.
- Apertura de la célula de zinc / aire para la fabricación posterior de VB 2 / celdas de aire.
- Crear un corte en el labio de la caja de tipo botón con unos alicates de corte diagonal.
- Unir el filo exterior del labio hacia afuera. Después de pasar completamente alrededor de la celda dos veces, debe ser fácil de abrir.
- Usando una hoja de afeitar, empuje hacia arriba en los bordes de la tapa lentamente, suavemente forzar abrir la celda. NOTA: Se puede tomar un tiempo para conseguir la celda abierta. Tenga paciencia y cuidado para no romper o dañar cualquier parte al hacer este paso. Necesitará la célula para permanecer intacto.
- Preparación de la batería para el uso
- Una vez que la célula se abre en dos partes (la tapa y la parte inferior) comenzar a eliminar suavemente el material de ánodo de zinc a partir de la tapa y en la parte inferior.
- Eliminar la mayor cantidad de zinc sólido como sea posible con la hoja de afeitar. No raspe el fondo, es importante no dañar las piezas. El separador (parte inferior) y los lados () juntas forman una sola capa opaca que puede ser fácilmente perforada por la aplicación de demasiada presión con la hoja de afeitar. Piercing separador resultará en daños en el cátodo de aire. Además, si la junta está perturbado se pierde la fiabilidad de la célula para ser aislado eléctricamente.
- El uso de un hisopo de algodón limpie con cuidado el zinc restante y los residuos de la tapa, fondo y separador.
- Limpie la tapa y el exterior de la célula con alcohol isopropílico.
4. Preparación de un electrodo de trabajo 5 mAh con una mezcla 70/30 seco
- Usando sintetizado Zr revestido nano-VB 2 como la activa materialescol, pesar 0,0012 g por electrodo para ser fabricado (por lo general 5 - 10 células se prueban a la vez) y la transferencia en un mortero y mano de mortero.
- Añadir 30% de la VB pesado 2, 0,0005 g de negro de carbono grafítico (por electrodo), para el material activo en el mortero y la mano del mortero y moler durante 30 min.
- Asegúrese de que no hay grandes agrupaciones visibles de material y recoger polvo.
- Pesar aproximadamente 0,0017 g de la mezcla por 70/30-powder tapa del electrodo limpio usando una espátula. (Si la preparación de varias celdas a la vez, de lo contrario transferir el material a la tapa del electrodo).
- Añadir una sola gota de alcohol isopropílico para cada tapa y el polvo del remolino con una espátula u otra pequeña punta afilada hasta que no queden grumos y la suspensión se distribuye uniformemente a través de la parte superior de la tapa.
- Permitir que los electrodos se sequen durante 30 min.
5. Asamblea celular VB 2-Air - Método Seco
- Montar las células a la inversa de la de zinc / aicelular r con el electrodo de trabajo, gorra, boca abajo.
- Organizar cada celda (el 5 - 10 está probando) en dos filas, las tapas en uno y de las partes inferiores correspondientes de la otra. Inspeccionar cada tapa para asegurar que el material del ánodo se distribuye uniformemente y no agrietado.
- Añadir 27 l de 4 M KOH / mezcla de 4 M NaOH electrolito para cada separador.
- Retire con cuidado el exceso de electrolito de los fondos que utilizan algodón frotando sólo una vez dentro de la parte inferior.
- Con cuidado, cada uno de los fondos, darles la vuelta, y colocarlos en la parte superior de las tapas de manera que el material anódico está en contacto con el electrolito.
- Aplique presión y sellar con un epoxi de secado rápido.
6. Nano-VB 2 Pruebas celular / Aire
- Una vez que se ha completado el proceso de fabricación, las células lugar en un estante de descarga o soporte de la batería.
- Permitir cada celda un paso inicial de reposo de diez minutos para asegurar que las células se equilibran antes de descargar.
- Descargarcélulas a una carga constante de 3,000 Ω (o una carga alternativa deseada) usando un probador de baterías.
- Después de la etapa de equilibrado, tomar una medición del potencial de circuito abierto.
- Luego se descargan bajo una carga constante hasta que se alcanza una tensión de 0,4 V parar.
- La eficiencia de Coulomb a continuación, se puede calcular por el porcentaje de la capacidad de medición en comparación con el ánodo de la capacidad teórica de descarga de once electrones de 4060 Ah kg -1.
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Resultados
Prueba electroquímica se lleva a cabo para determinar el rendimiento de VB 2 / baterías de aire. Los resultados obtenidos para varias celdas proporcionan evidencia de que la reproducibilidad del rendimiento de la célula. Figura 1 compara la VB 2 / baterías de aire durante un 3,000 ohmios (izquierda) y 1000 ohmios (a la derecha) de descarga. Tenga en cuenta que el voltaje de descarga, así como la fracción de la 4060 Ah kg -1 capacidad intrínseca es mayor con la nanoscópic...
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Discusión
La construcción de la VB 2 / batería de aire de esta manera proporciona la capacidad de estudiar y sondear los once electrones por molécula de transferencia de carga que se produce, lo que permite la posibilidad de una batería de alta capacidad. Si los resultados obtenidos no muestran resultados reproducibles, asegurar que todo el material de ánodo de zinc se eliminó de la batería, que es una dispersión uniforme de material activo en la tapa, y que las células se pegan correctamente sin fugas. Si el problema ...
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Divulgaciones
Los autores, Chris Rhodes, Ruben Lopez, Xuguang Li, Mahesh Waje y Matthew Mullings son empleados de Lynntech Inc.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer el Premio Nacional Science Foundation 1006568 para la financiación de este proyecto.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| MATERIALES | |||
| Boro | Alfa Aesar | 11337 | |
| Éter dietílico | J.T. Baker | 9244-06 | 4L |
| Epoxi | Loctite | Heavy Duty 5 min tiempo de fraguado | |
| Alcohol | |||
| Panasonic 675 Celda de zinc/aire | Panasonic | PR675H | Hecho en Japón ( no alemán) |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | Grafítico negro de carbón | |
| Vanadio | Aldrich | 262935 | |
| Diboruro de vanadio | American Elements | 12007-37-3 | |
| Espectro de cloruro de circonio | Z20001 | ||
| EQUIPTMENT | |||
| 50-mL matraz de fondo redondo | Fisher Scientific Co LLC | CG151001 | |
| Alicates de corte diagonal | Ferretería | ||
| Placa caliente/agitadora | IKA | C-MAG HS 7 | |
| Guantera | Labconco | Precision Basic | |
| Ten 10 mm bolas de carburo de tungsteno | Lab Synergy | 55.0100.08 | |
| Jarra de fresado de carburo de tungsteno | Lab Synergy | 50.8600.00 | |
| Cuchilla de afeitar | Ferretería | ||
| Retsch PM 100 molino de bolas planetario | Retsch | 205400003 | |
| Barra de agitación | VWR International | 58947-140 |
Referencias
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