Un protocolo para la electroquímicos Las evaluaciones y estado de carga de diagnóstico de una batería redox de flujo simétrico Orgánica
13 de febrero de 2017
Se presentan los protocolos para la evaluación electroquímica de una batería de flujo redox orgánico no acuoso simétrica y para el diagnóstico de su estado de carga mediante FTIR.
El objetivo general de este protocolo de video es demostrar experimentalmente el rendimiento electroquímico y el diagnóstico del estado de carga basado en infrarrojos por transformada de Fourier de una batería de flujo redox simétrica, no acuosa, basada en PTIO. Por lo tanto, este método puede responder preguntas clave en el campo del almacenamiento de energía de la red, como cómo las personas pueden asegurarse de que la batería de flujo funcione de manera segura y confiable, especialmente en las operaciones a largo plazo. La principal ventaja de esta técnica es que el estado de carga de la batería se puede determinar a través de una espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier sencilla y rentable que también es integrable para la monitorización en tiempo real.
Por lo general, las personas nuevas en esta técnica tendrán dificultades porque en las baterías de flujo, el solvente y los electrolitos de soporte tendrán interferencias muy fuertes durante la cuantificación del material electroactivo. Tuvimos esta idea por primera vez cuando descubrimos que el PTIO tiene un pico de absorción distinguible del disolvente y la sal y se encuentra entre los otros estados de oxidación. Todas las pruebas electroquímicas, incluida la voltamperometría cíclica en celdas de flujo, se realizan en una guantera llena de argón con niveles de agua y oxígeno inferiores a una ppm.
Ensamble la configuración de voltamperometría cíclica en un matraz de 25 mililitros, tres cuellos, en forma de pera, con un electrodo de trabajo de carbono vítreo pulido, un contraelectrodo de tira de fieltro de grafito y un electrodo de referencia de 10 milimolares de plata, nitrato de plata. A continuación, disuelva 52 miligramos de PTIO y 0,87 gramos de hexafluorofosfato de tetrabutilamonio en 1,1 gramos de acetonitrilo. Agregue tres mililitros de esta solución al matraz para sumergir las puntas de los tres electrodos.
Conecte los electrodos a una estación de trabajo electroquímica. Mida las curvas de voltamperometría cíclica en el rango de voltaje de menos 1,75 a 0,75 voltios a una velocidad de escaneo de 100 milivoltios por segundo. El espacio de potencial entre los dos pares redox es el voltaje teórico de la celda de la batería de flujo PTIO.
Para ensamblar la celda de flujo, primero corte el fieltro de grafito a un área de uno por 10 centímetros cuadrados con una cuchilla de afeitar. Del mismo modo, corte un separador poroso en un área de tres por 12 centímetros cuadrados y dos juntas, cada una con un orificio de uno por 10 centímetros cuadrados para acomodar los fieltros de grafito. Seque las piezas de la batería de flujo en un horno de vacío a 70 grados centígrados durante la noche.
Al día siguiente, mueva las piezas a la guantera y deje que se enfríen a la temperatura ambiente. Ensamble la celda de flujo con una llave dinamométrica, preestablecida en 125 pulgadas libras. A continuación, conecte los tubos de flujo de electrolito a la celda de flujo.
Para realizar la prueba de celda de flujo, disuelva 1,05 gramos de PTIO y 3,60 gramos de TBAPF6 en 3,60 gramos de acetonitrilo en la guantera. A continuación, añada cuatro mililitros de la solución a cada vial de vidrio. Fluye los electrolitos a 20 mililitros por minuto.
Conecte los colectores de corriente positiva y negativa de la celda de flujo a una estación de trabajo electroquímica. Mida la espectroscopia de impedancia electroquímica de la celda de flujo en el rango de frecuencia de 100 kilohercios a un hercio en el potencial de circuito abierto. Los cortes de voltaje de estas celdas de flujo son relativamente sensibles a la variación de impedancia celda por celda y deben ajustarse en el primer ciclo de cada celda para evitar sobrecargas.
Conecte los colectores de corriente positiva y negativa de la celda de flujo al probador de baterías. Configure cortes de voltaje de 0,8 y 2,2 voltios en una corriente constante de 20 miliamperios por centímetro cuadrado en el software de funcionamiento de la batería. Cargue y descargue repetidamente la celda de flujo PTIO.
Prepare una muestra de solvente acetonitrilo, una solución de electrolito TBAPF6 1.0 molar y una solución de electrolito PTIO, TBAPF6 1.0 molar en la guantera. Debido a que la carga de las especies de PTIO es sensible al aire, se deben usar celdas FTIR sellables para evitar el contacto con el aire. Se recomienda un contenedor hermético cuando se transporta la celda FTIR fuera de la guantera al espectrómetro FTIR.
Agregue un pequeño volumen de cada solución a una celda FTIR sellable con ventanas de bromuro de potasio y una longitud de ruta de 0,2 milímetros. Selle la celda FTIR y coloque la celda FTIR en un recipiente de almacenamiento y transfiérala fuera de la guantera. Monte la celda FTIR en un espectrómetro y proceda a recopilar el espectro FTIR.
A continuación, compare los espectros FTIR adquiridos de acetonitrilo, 1,0 molar TBAPF6 y 0,5 molar PTIO, 1,0 molar TBAPF6 electrolito. A continuación, agregue 4,0 mililitros de la solución de PTIO 0,5 molar, TBAPF6 1,0 molar a cada vial de vidrio. Fluye los electrolitos a 20 mililitros por minuto.
Cargue completamente la celda de flujo hasta que el voltaje alcance los 2,2 voltios. A continuación, detenga la carga de la bomba y recoja los electrolitos positivos y negativos. Mida los espectros FTIR para los electrolitos positivos y negativos como antes.
Compare sus espectros FTIR con los de la solución PTIO original. Trabajando en una guantera, prepare una serie de soluciones de PTIO en TBAPF6 molar 1.0 en acetonitrilo. Mida y compare los espectros FTIR de cada una de las soluciones para obtener la curva de calibración.
Para medir el estado de carga, primero ensamble otra celda de flujo. Agregue 11 mililitros de la solución de PTIO 0.5 molar, TBAPF6 1.0 molar a cada vial de vidrio. Fluye los electrolitos a 20 mililitros por minuto.
Cargue la celda de flujo a una corriente constante de 10 miliamperios por centímetro cuadrado. En varios momentos de carga, detenga la carga de la celda y el flujo de electrolito y tome pequeñas alícuotas de los electrolitos de los viales de vidrio del lado del anolito y del catolito antes de reanudar la celda. Por último, mida y compare los espectros FTIR de las cinco alícuotas de muestra.
Aquí se muestra el rendimiento electroquímico de la celda de flujo PTIO. La celda PTIO muestra un voltaje teórico de la celda de 1,73 voltios de voltamperometría cíclica. El ciclo a 20 miliamperios por centro cuadrado para la celda molar de 0.5 condujo a una eficiencia coulombica promedio del 90%, una eficiencia voltaica del 67% y una eficiencia energética del 60%Sin embargo, la celda de flujo exhibió un desvanecimiento de capacidad.
La factibilidad de usar FTIR para determinar el SOC está validada por el FTIR peaK a 1218 centímetros inversos. En este caso, los disolventes y la sal tienen una interferencia mínima con el PTIO. Los tres estados de oxidación de PTIO se pueden distinguir entre sí.
El logaritmo de la intensidad máxima exhibe una dependencia lineal de la concentración de PTIO y se utiliza como curva de calibración. La concentración de PTIO y el estado de carga de una celda de flujo PTIO en varios intervalos de tiempo durante la carga se determinaron mediante mediciones FTIR. La precisión de la determinación de SOC basada en FTIR se valida de forma cruzada mediante mediciones de resonancia de espín electrónico.
Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en ocho horas si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante recordar que debe evitar la exposición al oxígeno o la humedad de las muestras. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros métodos, como la medición de FTIR en función del número de ciclo, para responder a preguntas adicionales, como el estado de salud y la degradación del material.
Después de ver el video, debe tener una buena comprensión de cómo evaluar el rendimiento electroquímico de una batería de flujo redox determinada y cómo medir el SOC de las baterías de flujo redox que utilizan materiales redox sensibles a FTIR.
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Visión general
Este protocolo de video demuestra el rendimiento electroquímico y el diagnóstico del estado de carga de una batería de flujo redox simétrica y no acuosa utilizando espectroscopía de transformada de Fourier infrarroja (FTIR). El método aborda preguntas clave en el almacenamiento de energía en la red, centrándose en la operación segura y confiable de las baterías de flujo a largo plazo.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Electroquímica
- Almacenamiento de energía
- Tecnología de baterías
Antecedentes
- Las baterías de flujo son cruciales para el almacenamiento de energía en la red.
- Determinar el estado de carga es esencial para la gestión de la batería.
- PTIO muestra un pico de absorción distinguible, ayudando en el diagnóstico.
- Las interferencias de solventes y electrolitos complican la cuantificación.
Propósito del estudio
- Evaluar el rendimiento electroquímico de una batería de flujo redox.
- Desarrollar un método confiable para el diagnóstico del estado de carga.
- Asegurar una operación segura y efectiva a largo plazo de las baterías de flujo.
Métodos utilizados
- Pruebas electroquímicas incluyendo voltametría cíclica.
- Espectroscopía de transformada de Fourier infrarroja para el diagnóstico del estado de carga.
- Experimentos realizados en una caja de guantes llena de argón.
- Monitoreo de niveles de agua y oxígeno por debajo de un ppm.
Principales resultados
- FTIR distingue con éxito a PTIO de las interferencias del solvente y la sal.
- Demostró una determinación confiable del estado de carga.
- Mostró la viabilidad del monitoreo en tiempo real.
- Validó el método a través de varias pruebas electroquímicas.
Conclusiones
- El método proporciona una solución rentable para el diagnóstico de la batería.
- Mejora la seguridad y confiabilidad de las operaciones de baterías de flujo.
- Las aplicaciones futuras pueden incluir el monitoreo en tiempo real en sistemas energéticos.
Preguntas frecuentes
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.
