Un protocole est présenté à étudier métallique multi-électrons / systèmes de batteries de l'air en utilisant la technologie développée pour la précédente cellule zinc / air. Test électrochimique est alors effectué sur des batteries fabriquées pour évaluer la performance.
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Dans cet article
Résumé
Résumé
Une technique pour étudier les propriétés et les performances des nouveaux systèmes de batterie métal / air multi-électron est proposé et présenté. Procédé de synthèse d'nanoscopique VB 2 est présenté ainsi que la procédure étape par étape d'application d'un revêtement d'oxyde de zirconium pour les deux particules VB de stabilisation lors de la décharge. Le processus de démontage des cellules zinc / air existant est représenté, dans la construction d'addition de la nouvelle électrode de travail afin de remplacer l'anode de la cellule zinc / air classique avec un nanoscopique la VB 2 anode. Enfin, le rejet de la VB terminé 2 / batterie air est rapporté. Nous montrons que l'utilisation de la pile zinc / air comme un banc d'essai est utile de fournir une configuration cohérente pour étudier la performance de la haute énergie de grande capacité nanoscopique VB 2 anode.
Introduction
Vanadium diborure d'anode a entre la capacité de charge volumique la plus élevée de tout matériau d'anode. Ce protocole introduit une méthode pour l'étude de ce matériau fascinant. Métallique de zinc a été le matériau d'anode prédominante dans des systèmes aqueux primaire due à haute volumétrique à deux électrons du métal de zinc et gravimétriques des capacités de stockage de charge de 5,8 kAh L -1 et 820 Ah kg-1, respectivement. * La pile au zinc-carbone, connu sous le nom la cellule Leclanché, a été introduite dans le 19 ème siècle, alliant une anode en zinc avec un dioxyde de manganèse (collecteur de courant en carbone) de cathode dans un électrolyte de chlorure 1. La pile alcaline commune utilise le même couple, mais remplace l'électrolyte de chlorure avec un électrolyte aqueux d'hydroxyde alcalin. Ensemble piles zinc-carbone et alcalines constituent la majorité des piles primaires vendu 1. Lorsque la cathode en dioxyde de manganèse dans la pile alcaline est remplacépar une cathode à air, des capacités de stockage d'énergie sensiblement plus élevés sont obtenus. Cette batterie zinc-air utilise l'oxygène de l'air, et se trouve couramment dans les piles d'appareils auditifs 1-3.
Notre recherche pour le stockage de la batterie de plus grande capacité a mis l'accent sur les matériaux qui peuvent transférer plusieurs électrons par molécule 4-11. Parmi la grande variété de couples redox nous avons exploré, VB 2 se distingue comme une anode alcaline extraordinaire capable de libérer 11 électrons par VB 2, avec volumétriques et gravimétriques capacités de 20,7 kAh L -1 et 4060 Ah kg -1 respectivement. * En 2004 Yang et ses collègues ont signalé le rejet de VB 2, mais aussi documenté le domaine étendue dans laquelle VB 2 est sensible à la corrosion dans des milieux alcalins 12. En 2007, nous avons signalé que d'un revêtement sur les 2 particules VB empêche cette corrosion 13, menant à la démonstration de la VB 2 / air battery en 2008 14.
Dans cet article, nous présentons un protocole utilisé pour étudier de nouveaux systèmes métal / air utilisant la technologie déjà développée pour la pile zinc / air appliqué à la VB 2 / cellule d'air. Un nanoscopicVB 2 anode est présenté comme une anode à haute densité de puissance à haute énergie capable de présenter une réaction d'oxydation de onze électrons approchant la capacité intrinsèque théorique de 4060 Ah kg -1 à une augmentation de tension de la batterie et de la capacité de charge de la batterie. Le couple VB 2 / pneumatique utilise un électrolyte alcalin de KOH / NaOH, en utilisant la même cathode à air de l'oxygène extrait de la cellule zinc / air 1. La cathode d'électro-carbone ne soit pas consommé au cours de la décharge.
Il existe un besoin pour une meilleure compréhension du VB 2 / système d'air afin d'améliorer encore les performances de la cellule. Les propriétés et les performances de nanoscopiques VB 2 matériaux peuvent être utilisés pour explorer le tconfiguration de la cellule, il de la cellule zinc / air 15,16. Test électrochimique peut être effectuée pour nanoscopique VB 2 pour comparer les performances grâce à l'efficacité pour cent à des taux différents.
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Protocole
1. Préparation Nano-VB 2
Nanoscopique VB 2 est directement synthétisée à partir de vanadium élémentaire et du bore par broyage à boulets dans un rapport molaire de 1:2.
- Nettoyer un ml tungstène bol de broyage 50 carbure et dix billes en carbure de tungstène de 10 mm. Sec à l'air dans un four à 100 ° C pendant 1 heure pour s'assurer que toute l'eau soit évaporée.
- Nettoyez l'intérieur du bol de broyage afin de s'assurer qu'aucun résidu reste, répétez l'étape 1.1 si des résidus est visible.
- Purger l'antichambre d'une boîte à gants avec de l'argon 3x pendant 10 min à chaque fois. Transférer le bol de broyage, boules, et une spatule propre dans la boîte à gants remplie d'argon.
- Peser le vanadium et des poudres de bore dans un rapport molaire 1:2, de 0,500 g de vanadium et de 0,212 g de bore dans le récipient de broyage, ajouter les billes, et sceller le récipient de broyage.
- Retirer le bol de broyage étanche à partir de la boîte à gants, placez-le dans un broyeur à boulets planétaire à 600 tours par minute et à l'usine pendant 4 heures.
- Après des achèvementsn, laisser la cuve de broyage se refroidir à la température ambiante avant de le retirer du broyeur à boulets.
- Purger l'antichambre d'une boîte à gants avec de l'argon 3x pendant 10 min à chaque fois. Transférer le bol de broyage, ballon, un film de paraffine, spatule, et barreau magnétique dans la boîte à gants.
- Appliquer le revêtement d'oxyde de zirconium pour l'préparé nanoscopique VB 2 comme suit:
- A l'intérieur de la boîte à gants recueillir la nano-VB 2 précédemment préparé en utilisant une spatule pour racler les parois du bol de broyage jusqu'à ce que la majeure partie de la masse de départ a été récupéré. Peser et transférer le recueillies nano-VB 2 dans un ballon à fond rond.
- Peser 3,5 pour cent en poids de chlorure de zirconium par rapport au VB recueilli 2, puis ajouter la poudre dans le ballon à fond rond contenant la recueillies nano-VB 2.
- Ajouter une barre d'agitation magnétique dans le ballon et en utilisant un film de paraffine sceller l'ouverture avant de retirer de la boîte à gants. Alternativement, unseptum a été utilisé avec des résultats équivalents Retirer le ballon de la boîte à gants.
- En utilisant une seringue de 10 ml, transférer 10 ml d'éther éthylique dans le ballon à fond rond. Couvrir rapidement le trou créé par la seringue dans le film de paraffine avec une pièce supplémentaire de Parafilm.
- Mélanger le ballon sur une plaque d'agitation pendant une heure sur un réglage moyen.
- Après une heure, évaporer l'éther éthylique restant hors de la nano-VB 2 à l'aide d'un évaporateur rotatif ou une autre configuration de la pompe jusqu'à enduit nano-VB 2 semble sec.
- Après Zr revêtement nano-VB 2 est complètement sec, collecter.
2. Préparation de l'électrolyte
- Préparer un mélange de KOH 4 M et d'une solution 4 M de NaOH pour une utilisation comme électrolyte. (NOTE: Assurez-vous juste assez pour durer quelques semaines, répéter au besoin de former de nouvelles cellules). Électrolytes de solution aqueuse d'hydroxyde de NaOH et KOH ont été explorées dans le passé dont la concentration a couruging de 8 M saturée. La combinaison de 4 M NaOH et KOH 4 M cède légèrement amélioré la performance de taux élevé par rapport aux résultats antérieurs utilisant un pur NaOH électrolyte.
3. Démontage Zinc / Air Batteries
Voir le tableau des régents et des matériaux pour plus de détails au sujet de fabricant de la batterie et le numéro de modèle.
- Ouverture de la cellule zinc / air pour la fabrication ultérieure de VB 2 / cellules d'air.
- Créer une coupure dans la lèvre du boîtier de la pile de pièces de monnaie en utilisant une pince coupante diagonale.
- Crimp l'extérieur bordé de la lèvre vers l'extérieur. Après avoir complètement autour de la cellule deux fois, il devrait être facile à ouvrir.
- En utilisant une lame de rasoir, appuyez sur les bords du chapeau lentement, forcer doucement ouvrir la cellule. REMARQUE: Il peut prendre un certain temps pour obtenir la cellule ouverte. Soyez patient et veiller à ne pas casser ou d'endommager une partie lors de cette étape. La cellule devra rester intact.
- Préparation de la batterie pour une utilisation
- Une fois que la cellule est ouverte en deux parties (le bouchon et le fond) de commencer à retirer doucement le matériau d'anode de zinc à partir de la capsule et dans la partie inférieure.
- Retirez autant zinc solide que possible avec la lame de rasoir. Ne pas gratter le fond, il est important de ne pas endommager les pièces. Le séparateur (en bas) et les (côtés) joint forment une seule superposition opaque qui peut facilement être perforé par la demande trop de pression avec la lame de rasoir. Percer le séparateur se traduira par endommager la cathode à air. En outre, si le joint est perturbé de la fiabilité de la cellule à être isolé électriquement est perdue.
- En utilisant un coton-tige essuyer soigneusement le zinc restant et les résidus de la calotte, en bas, et le séparateur.
- Nettoyez le bouchon et à l'extérieur de la cellule avec de l'alcool isopropylique.
4. Préparation d'une électrode de travail mAh 5 avec un mélange 70/30 sec
- Utiliser synthétisé revêtu Zr nano-VB 2 comme matériaux actifsal, peser 0,0012 g par électrode à fabriquer (généralement 5 - 10 cellules sont testées à la fois) et le transfert dans un mortier et un pilon.
- Ajouter 30% de la pesée VB 2, 0,0005 g de graphite noir de carbone (par électrode), de la matière active dans le mortier et un pilon et broyer pendant 30 min.
- S'assurer qu'il n'y a pas de grandes grappes visibles de matériel et de recueillir poudre.
- Peser environ 0,0017 g du mélange de 70/30-powder par capuchon d'électrode propre à l'aide d'une spatule. (Si vous préparez plusieurs cellules à la fois, autrement transférer la matière dans le capuchon de l'électrode).
- Ajouter une goutte d'alcool isopropylique à chaque chapeau et de la poudre de remous avec une spatule ou un autre petit bout pointu jusqu'à ce qu'il n'y a pas de grumeaux et la suspension est répartie uniformément sur le dessus du bouchon.
- Permettre aux électrodes à sécher pendant 30 min.
5. Assemblée cellulaire VB 2-Air - Méthode à sec
- Assembler les cellules dans le sens inverse de la zinc / AIr cellule avec l'électrode de travail, le chapeau, la tête en bas.
- Organiser chaque cellule (à 5 - 10 étant testées) en deux rangées, les bouchons en une seule et les fonds correspondants dans l'autre. Inspecter chaque capuchon pour faire en sorte que le matériau d'anode est répartie uniformément et non fissurée.
- Ajouter 27 pi de KOH 4 M / 4 M mélange NaOH électrolyte à chaque séparateur.
- Retirez délicatement l'excès d'électrolyte des fonds à l'aide de coton en tamponnant une seule fois à l'intérieur de la base.
- Prendre soin de chacun des fonds, retournez-les et placez-les sur le dessus de la calotte sorte que le matériau anodique est en contact avec l'électrolyte.
- Appliquer une pression et sceller l'aide d'une résine époxy à séchage rapide.
6. Nano-VB 2 Test Cell / Air
- Une fois le processus de fabrication est terminée, les cellules de lieu sur une grille d'évacuation ou de support de batterie.
- Permettre à chaque cellule d'une étape initiale de repos de dix minutes pour s'assurer que les cellules s'équilibrer avant le déchargement.
- Déchargecellules à une charge constante de 3,000 Ω (ou une charge souhaitée de remplacement) en utilisant un testeur de batterie.
- Après l'étape d'équilibrage, prendre une mesure du potentiel de circuit ouvert.
- Puis décharger sous une charge constante jusqu'à une tension d'arrêt de 0,4 V est atteint.
- Efficacité coulombique peut alors être calculée en fonction du pourcentage de la capacité mesurée par rapport à l'anode théorique capacité d'évacuation de onze électrons de 4,060 Ah kg -1.
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Résultats
Test électrochimique est effectuée pour déterminer la performance de VB 2 / piles de l'air. Les résultats obtenus pour plusieurs cellules fournissent des preuves pour la reproductibilité de la performance de la cellule. Figure 1 compare le VB 2 / batteries de l'air au cours d'une 3000 ohms (à gauche) et 1000 ohms (à droite) décharge. A noter que la tension de décharge, de même que la fraction de 4060 Ah kg -1 capacité intrinsèque est supérieure à la nanoscopi...
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Discussion
La construction de la VB 2 / batterie air de cette manière donne la possibilité d'étudier et d'enquêter sur les onze électrons par transfert de charge de la molécule qui se produit, en prévoyant la possibilité d'une nouvelle batterie haute capacité. Si les résultats obtenus ne démontrent pas des résultats reproductibles, assurez-vous que tout le matériau d'anode en zinc a été retiré de la batterie, qu'il ya une dispersion uniforme de matière active sur le bouchon, et que les cellules sont ...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs, Chris Rhodes, Ruben Lopez, Xuguang Li, Mahesh Waje, et Matthew Mullings sont des employés de Lynntech Inc.
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier le Prix de la Fondation nationale des sciences 1006568 pour le financement de ce projet.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| MATERIALS | |||
| Boron | Alfa Aesar | 11337 | |
| Diethyl Ether | J.T. Baker | 9244-06 | 4L |
| Epoxy | Loctite | Heavy Duty 5 min temps de prise | |
| Alcool | |||
| Panasonic 675 Zinc/Air cell | Panasonic | PR675H | Fabriqué au Japon ( non allemand) |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | Graphitic carbon black | |
| Vanadium | Aldrich | 262935 | |
| Vanadium Diboride | American Elements | 12007-37-3 | |
| Zirconium Chloride | Spectrum | Z20001 | |
| EQUIPTMENT | |||
| 50-mL flacon à fond rond | Fisher Scientific Co LLC | CG151001 | |
| Pince coupante diagonale | Quincaillerie | ||
| Plaque chauffante | IKA | C-MAG HS 7 | |
| Boîte à gants | Labconco | Precision Basic | |
| Ten 10 mm billes en carbure de tungstène | Lab Synergy | 55.0100.08 | |
| Pot de fraisage en carbure de tungstène | Lab Synergy | 50.8600.00 | |
| Lame de rasoir | Quincaillerie | ||
| Retsch PM 100 broyeur planétaire à boulets | Retsch | 205400003 | |
| Barre d’agitation | VWR International | 58947-140 |
Références
- Linden, D., Reddy, T. B. Handbook of Batteries. , 4th, McGraw-Hill. New York. (2010).
- Rogulski, Z., Czerwin'ski, A. Cathode Modification in the Leclanche' Cell. Journal of Solid State Electrochemistry. 7, 118-121 (2003).
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- Gao, X. -P., Yang, H. -X. Multi-electron materials for high energy density batteries. Energy and Environmental Science. 3, 174-189 (2010).
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- Licht, S., et al. Nano-VB2 Synthesis from Elemental Vanadium and Boron: Nano-VB2 Anode/Air Batteries. Electrochemical and Solid-State Letters. 15, A12-A14 (2012).
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Réimpressions et autorisations
