Article de méthode

Un protocole pour électrochimiques Evaluations et État de diagnostic charge d'une batterie de flux Redox Symmetric organique

DOI :

10.3791/55171

⸱

13 février 2017

 ,  ,  ,  , 
1Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), 2Energy & Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Earth & Biological Systems Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 4Physical & Computational Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nous présentons les protocoles d'évaluation électrochimique d'une batterie non aqueuse symétrique flux redox organique et pour le diagnostic de son état de charge en utilisant FTIR.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

batteries à flux redox ont été considérés comme l'une des solutions les plus prometteuses de stockage d'énergie fixes pour améliorer la fiabilité du réseau électrique et le déploiement de technologies d'énergie renouvelable. Parmi les nombreux types de batteries d'écoulement, des batteries d'écoulement non aqueux ont le potentiel pour obtenir une densité énergétique élevée en raison des grandes fenêtres de tension des accumulateurs à électrolyte non aqueux. Toutefois, d' importants obstacles techniques existent limitant actuellement les batteries d'écoulement non-aqueux pour démontrer leur plein potentiel, tels que de faibles concentrations d'oxydo - réduction, les courants d'exploitation faibles, sous-explorée batterie surveillance de l' état, etc. Dans une tentative de remédier à ces limitations, nous avons récemment signalé une batterie d'écoulement non aqueux à base d'un, nitronyl nitroxyde composé organique radical ayant une activité rédox hautement soluble, le 2-phényl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxyde (RITP). Ce matériau redox présente une propriété électrochimique ambipolaire, et ne peut donc servir à la fois anolyte et du catholyte matériaux rédox pour former une composition chimique de la batterie d'écoulement symétrique. De plus, nous avons démontré que la transformée de Fourier infrarouge (FTIR) pourrait mesurer les concentrations PTIO pendant le cycle de la batterie de flux PTIO et offrent une détection assez précise de l'état de charge (SOC) de la batterie, comme une validation croisée par résonance de spin électronique (ESR) de mesures . Ici, nous présentons un protocole vidéo pour l'évaluation électrochimique et le diagnostic SOC de la batterie d'écoulement symétrique RITP. Avec une description détaillée, nous avons démontré expérimentalement la route pour atteindre ces objectifs. Ce protocole vise à susciter plus d'intérêts et des idées sur la sécurité et la fiabilité dans le domaine des batteries à flux redox non aqueux.

Introduction

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Redox batteries flux stocker de l'énergie dans les électrolytes liquides qui sont contenus dans les réservoirs externes et sont pompés à des électrodes internes pour compléter les réactions électrochimiques. L'énergie et l'énergie stockée peut ainsi être découplées conduisant à une excellente flexibilité de conception, d'évolutivité et de modularité. Ces avantages font batteries d'écoulement bien adaptés pour les applications de stockage d'énergie fixes pour l'intégration des énergies renouvelables intermittentes encore propres, l'augmentation de la grille utilisation et l'efficacité actif, et l'amélioration de la résilience et la sécurité énergétique. 1, 2, 3 batteries aqueuses traditionnelles d'écoulement souffrent de densité d'énergie limitée, principalement en raison de la fenêtre de tension étroite pour éviter l' électrolyse de l' eau. 4, 5, 6, 7, 8 En revanche, la non-aqueélectrolytes UO batteries de flux à base sont largement poursuivis en raison du potentiel pour atteindre la tension de la cellule haute et haute densité d'énergie. 9, 10 Dans ces efforts, une variété de types de batteries d'écoulement ont été étudiés, y compris les complexes de métaux de coordination, 11, 12 tout-organique, 13, les polymères actifs 14 redox, 15 et les systèmes d'écoulement hybride au lithium. 16, 17, 18, 19

Cependant, le potentiel des batteries d'écoulement non-aqueux n'a pas encore été pleinement démontrée en raison du grand goulot d'étranglement technique de la démonstration limitée dans des conditions de batterie pertinentes flux. Ce goulot d'étranglement est étroitement associé à un certain nombre de facteurs de performance de limitation. Premier,la faible solubilité de la plupart des matériaux électroactifs conduit à la distribution de densité faible consommation d'énergie par les cellules d'écoulement non aqueux. En second lieu, la capacité de débit d'écoulement des piles non aqueuses est largement limitée par la viscosité élevée de l'électrolyte et de la résistivité à des concentrations appropriées d'oxydo-réduction. Le troisième facteur est le manque de membranes haute performance. Nafion et les membranes céramiques présentent une faible conductivité ionique des électrolytes non aqueux. séparateurs poreux ont démontré les performances de la cellule d'écoulement décent, mais souffrent d'auto-décharge considérable en raison de relativement grande taille des pores. 14 20 En général, les électrolytes réactifs mixtes contenant à la fois le catholyte et l' anolyte d' oxydo - réduction des matériaux (1: 1) sont utilisés pour réduire les matériaux de recouvrement d' oxydo - réduction, qui sacrifie cependant , les concentrations efficaces d'oxydo - réduction, typiquement de moitié. 14, 21 Surmonter le goulot d' étranglement précité exige des améliorations dans materEIAA découverte, la conception de la chimie de la batterie, et de l'architecture de la cellule d'écoulement pour atteindre le cyclisme de la batterie pertinente.

Batterie surveillance de l'état est essentiellement important pour un fonctionnement fiable. Off-normales, y compris les conditions de surcharge, le dégagement de gaz, et la dégradation des matériaux peut causer des dommages à la performance de la batterie et même l'échec batterie. Surtout pour les batteries à flux à grande échelle impliquant de grandes quantités de matériaux de batterie, ces facteurs peuvent causer des graves problèmes de sécurité et de la perte d'investissement. État de charge (SOC) décrivant la profondeur de charge ou de décharge des batteries d'écoulement est l'un des paramètres les plus importants de l'état de la batterie. Surveillance du SOC en temps opportun peut détecter les risques potentiels avant qu'ils atteignent des niveaux menaçants. Cependant, ce domaine semble être sous-traitées à ce jour, en particulier dans les batteries d'écoulement non-aqueux. méthodes Spectrophotoscopic tels que ultraviolet-visible (UV-vis) et la spectroscopie électrolyte conductivité des mesures ont été évaluées dans Batte de flux aqueux ry pour la détermination du SOC. 22, 23, 24

Nous avons récemment introduit une conception de la batterie d'écoulement roman symétrique non-aqueux à base d'un nouveau matériau redox ambipolaire, 2-phényl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxyde (PTIO). 25 Cette batterie de flux tient la promesse de relever les défis susmentionnés de batteries d'écoulement non-aqueux. Tout d'abord, PTIO a une solubilité élevée (2,6 M) dans le solvant de la batterie de l'acétonitrile (MeCN) qui est prometteur pour permettre à une densité d'énergie élevée. En second lieu, RITP présente deux couples redox réversibles qui sont modérément séparés et peut donc former une chimie de pile symétrique par lui-même. Nous avons également démontré qu'un pic RITP distinguable dans les spectres FTIR peut être corrélée à la concentration de RITP qui n'a pas réagi dans la cellule d'écoulement, ce qui conduit à la détermination spectroscopique de l'état de charge, comme une validation croisée de résultats ESR.lass = "xref"> 26 Nous présentons ici un protocole d'élaborer des procédures pour les évaluations électrochimiques et diagnostics SOC base-FTIR de la batterie de débit symétrique PTIO. Ce travail devrait déclencher plus d'idées dans le maintien de la sécurité et de fiabilité lors des opérations de la batterie d'écoulement à long terme, en particulier dans les applications de réseau du monde réel.

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Protocole

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Remarque: Toutes les préparations de solution, voltamétrie cyclique des tests (CV) et le flux assemblage de cellules et les tests ont été effectués dans une boîte à gants remplie d' argon avec de l' eau et de O 2 niveaux inférieurs à 1 ppm.

1. Electrochemical Evaluations des cellules PTIO débit

  1. CV test
    1. Polonais une électrode de carbone vitreux avec 0,05 um gamma alumine en poudre, rincer avec de l'eau déminéralisée, le mettre dans sous vide à température ambiante pendant la nuit, et le transférer dans une boîte à gants.
    2. Dissoudre le nitrate d' argent (8,5 mg) avec MeCN (5 ml) dans la boîte à gants, soit 10 mM Agno 3. Ajouter la solution dans le tube de verre d'un argent / électrode de référence du nitrate.
    3. Assembler l'électrode de travail en carbone vitreux, un feutre de graphite bande contre-électrode, et l'argent / électrode de référence de nitrate sur un 25 ml à trois cols en forme de poire.
    4. Dissoudre PTIO (52 mg) et tétrabutylammonium hexafluorophosphate (6 TBAPF, 0,87 g) dans du MeCN (1,10 g), soit 0,1 M RITP / 1,0 M TBAPF 6. Ajouter la solution dans le flacon pour immerger les extrémités des trois électrodes.
    5. Connecter les électrodes à un poste de travail électrochimique. Mesurer les courbes de CV dans la plage de tension de -1,75 à 0,75 V à une vitesse de balayage de 100 mV / s. Déterminer la tension de cellule théorique de la batterie d'écoulement RITP par l'écart de potentiel entre les deux paires redox.
      NOTE: Il convient de noter que le Ag / Ag + configuration d'électrode de référence est une électrode de pseudo-référence par sa nature. En conséquence, les pics redox pourraient changer au cours des mesures de CV à long terme. Néanmoins, un tel poste a normalement une influence négligente sur l'écart de tension entre les couples redox, et ne serait pas affecter la valeur de tension de la cellule.
  2. Débit Assemblée cellulaire
    1. Couper les feutres de graphite sur une surface de 1 x 10 cm2 en utilisant une lame de rasoir. De même, couper un septembre poreuxarator à une zone de 3 x 12 cm 2.
    2. Sécher les pièces de la batterie d'écoulement (compartiments cellulaires, tubes, 5 flacons de verre mL, feutres de graphite, et un séparateur poreux) dans un four sous vide à 70 ° C pendant la nuit, les déplacer dans la boîte à gants, et refroidir à la température ambiante.
    3. Assembler les parties de la cellule d'écoulement dans l'ordre d'une plaque d'extrémité, un collecteur de courant de la plaque de cuivre, une demi-cellule, un feutre de graphite, un joint, un séparateur poreux, un feutre de graphite, d'une demi-cellule, un collecteur de courant de la plaque de cuivre et d'un plaque d'extrémité. Fixer l'ensemble avec huit tiges filetées contre les deux plaques d'extrémité à l'aide d'une clé dynamométrique pré-fixé à 125 livres de pouce. Raccorder les tuyaux d'écoulement de l'électrolyte dans la cellule d'écoulement. L'assemblage de la cellule est représentée sur la figure 1.
  3. Démonstration de Symmetric Electrochimie
    1. Assemblez la cellule d'écoulement conformément à la section 1.2. Dissoudre RITP (10 mg) et TBAPF 6 (3,3 g) avec du MeCN (4,4 g) dans le Glovboîte e, à savoir mM PTIO 5,0 / 1,0 M TBAPF 6. Ajouter 4 ml d'une solution à chacun des deux flacons en verre. Pomper les électrolytes à l'écoulement à l'aide d'une pompe péristaltique à un débit de 20 ml / min.
    2. Relier les collecteurs de courant positifs et négatifs de la cellule d'écoulement vers l'appareil d'essai de la batterie. Charger la cellule d'écoulement à une densité de courant constant de 5 mA / cm 2 jusqu'à ce que la tension atteint 1,9 V. Arrêtez la charge. Pomper les électrolytes dans les flacons de verre.
    3. Mélanger un électrolyte positif 1 mL avec un électrolyte négatif de 1 ml dans un flacon séparé. Maintenant, il y a quatre électrolytes: l'original, le positif, le négatif et le mixte.
    4. Mesure électronique résonance de spin (ESR) spectre des quatre électrolytes ci-dessus. 25
      1. Avec le tube d'étanchéité, sceller une petite quantité (~ 10 pi) du positif et négatif dans un tube en PTFE (1/16 "OD et 1/32" ID) aux deux extrémités, puis le sceller dans un tube de quartz ESR (4 diamètre mm).
      2. Monter le tube ESR à un spectromètre ESR équipé d'un résonateur SHQE avec une fréquence de micro-ondes ~ 9,85 GHz (bande X).
      3. Recueillir le spectre ESR pour les quatre électrolytes dans la section 1.3.3.
  4. Cellule de débit de test
    1. Assembler une cellule d'écoulement suivant la section 1.2.
    2. Dissoudre PTIO (1,05 g) et TBAPF 6 (3,50 g) avec MeCN (3,60 g) dans la boîte à gants, soit 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Ajouter 4 ml de la solution dans chaque flacon de verre. Débit des électrolytes à 20 mL / min.
    3. Relier les collecteurs de courant positifs et négatifs de la cellule d'écoulement à un poste de travail électrochimique. Mesurer l'impédance de la cellule d'écoulement dans la plage de fréquences comprise entre 100 kHz et 1 Hz au potentiel de circuit ouvert. Calculer la résistivité spécifique de surface (ASR) en multipliant la résistance ohmique (impédance à haute fréquence) de la zone active de la cellule d'écoulement.
    4. Branchez le col courant positif et négatifLectors de la cellule d'écoulement vers le contrôleur de batterie. Mettre en place les seuils de tension de 0,8 et 2,2 V et le courant constant de 20 mA cm -2 dans le logiciel de fonctionnement de la batterie. À plusieurs reprises de charge / décharge de la cellule d'écoulement PTIO.

2. sur la base FTIR-SOC Détermination

  1. FTIR Faisabilité Validation
    1. Préparer les trois solutions électrolytiques suivantes dans la boîte à gants: (a) MeCN (0,50 g); (b) TBAPF 6 (0,23 g) avec du MeCN (0,30 g), soit 1,0 M TBAPF 6; (c) les PTIO (75 mg) et TBAPF 6 (0,25 g) avec du MeCN (0,26 g), soit 0,5 M RITP / 1,0 M TBAPF 6.
    2. Mesurer FTIR pour les trois solutions électrolytiques.
      1. Ajouter un petit volume (~ 0,05 ml) de chaque solution dans une cellule FTIR refermable avec des fenêtres de KBr et d'une longueur de trajet de 0,2 mm. Sceller la cellule FTIR.
      2. Mettre la cellule FTIR dans un récipient de stockage et de le transférer hors de la boîte à gants.
      3. rapidement mount la cellule FTIR à un spectromètre et recueillir le spectre de FTIR.
    3. Assembler une cellule d'écoulement suivant la section 1.2.
    4. Dissoudre PTIO (1,05 g) et TBAPF 6 (3,50 g) avec MeCN (3,60 g) dans la boîte à gants, soit 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Ajouter 4 ml de la solution dans chaque flacon de verre. Débit des électrolytes à 20 mL / min.
    5. Chargez complètement la cellule d'écoulement jusqu'à ce que la tension atteint 2,2 V. Arrêtez la charge et la pompe.
    6. Mesurer les spectres FTIR pour les deux électrolytes, respectivement positifs et négatifs, suivant la procédure de la section 2.1.2.
    7. Préparer une série de solutions PTIO (0,05-0,5 M) dans 1,0 M TBAPF 6 MeCN dans la boîte à gants avec les compositions du tableau 1.
    8. Mesurer le spectre FTIR pour chacune des solutions dans la section 2.1.6, suivant la procédure de la section 2.1.2.
  2. FTIR Mesure de la SOC
    1. Assembler une cellule d'écoulement following Section 1.2.
    2. Dissoudre PTIO (2,9 g) et TBAPF 6 (9,6 g) avec MeCN (9,8 g) dans la boîte à gants, soit 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Ajouter 11 ml d'une solution à chacun des deux flacons en verre. Débit des électrolytes à 20 mL / min.
    3. Charger la cellule d'écoulement à courant constant de 10 mA / cm 2 à un débit de 20 mL / min.
    4. Au moment de charge de 0, 18, 36, 54, et 72 min, arrêter la charge de la cellule et l'écoulement de l'électrolyte, prendre de petites aliquotes (0,2 ml) des électrolytes à partir des flacons de verre de côté anolyte et de catholyte, puis reprendre la cellule.
    5. Mesurer le spectre FTIR pour les cinq aliquotes ci-dessus, suivant la procédure de la section 2.1.2.
    6. Mesurer le spectre ESR pour les cinq aliquotes ci-dessus, suivant la procédure de la section 1.3.4.

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Résultats

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Les avantages uniques du système de batterie de débit symétrique PTIO sont fortement attribués aux propriétés électrochimiques des PTIO, un composé radical nitroxyde organique. RITP peut subir des réactions de dismutation électrochimique pour former RITP RITP + et - (figure 2a). Ces deux paires redox sont modérément séparées par un intervalle de tension d' approximativement 1,7 V (figure 2b) et peut être utilisé à la fois comme maté...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Comme nous l' avons montré précédemment, 25 FTIR est capable de détecter de manière non invasive l'état de charge de la batterie d'écoulement RITP. Comme un outil de diagnostic, FTIR est particulièrement avantageux en raison de sa facilité d'accès, une réponse rapide, à faible coût, faible encombrement, facilité d'incorporation en ligne, pas de saturation du détecteur, et la capacité de mettre en corrélation des informations structurelles pour étudier les évolutions moléculair...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ce travail a été soutenu financièrement par le Centre commun de recherche de stockage d'énergie (JCESR), une innovation Hub énergie financé par le Département américain de l'énergie, Bureau des sciences, des sciences fondamentales de l'énergie. Les auteurs reconnaissent aussi Journal of Materials Chemistry A (Royal Society of Chemistry revue) pour la publication de l' origine de cette recherche ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL est un laboratoire national multi-programme géré par Battelle pour DOE sous contrat DE-AC05-76RL01830.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
PTIOTCI AmericaA5440>98.0 %
Tétrabutylammonium hexafluorophosphateSigma-Aldrich86879qualité électrochimique, &ge ; 99.0 %
MeCNBASF50325685Qualité batterie
Nitrated’argent Sigma-Aldrich20439099.9999 % base de métaux traces
Poudre d’alumine gammaCH InstrumentsCHI120
Feutregraphite SGLGFD3Séchage sous vide à 70 ° ; C pour 24 h
Séparateur poreuxDaramicAA800Séchage sous vide à 70 ° ; C pour 24 h
Testeur de batterieWuhan LAND electronics Co., Ltd.Lanhe1 A gamme actuelle
Station de travail électrochimiqueSolartron AnalytiqueModuLab
boîte à gantsMBRAUNLabmaster SPniveaux d’oxygène et d’eau < Spectromètre ESR 1 ppm
Bruker  ;Elexsys 580° ;Equipé d’un résonateur SHQE avec fréquence micro-ondes ~9,85 GHz (bande X) à une puissance de 2 mW, avec modulation de champ de 100 kHz

Références

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Electrochemical EvaluationFourier Transform Infrared SpectroscopyCyclic VoltammetryElectron Spin ResonanceNon aqueous ElectrolyteSymmetric Battery ChemistryPTIO Redox MaterialFlow Cell Testing

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