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

L’objectif général de ce protocole vidéo est de démontrer expérimentalement les performances électrochimiques et le diagnostic de l’état de charge basé sur l’infrarouge de la transformée de Fourier d’une batterie symétrique, non aqueuse, à flux redox basée sur le PTIO. Cette méthode peut donc répondre à des questions clés dans le domaine du stockage d’énergie du réseau, telles que la façon dont les gens peuvent s’assurer que la batterie à flux fonctionne de manière sûre et fiable, en particulier dans les opérations à long terme. Le principal avantage de cette technique est que l’état de charge de la batterie peut être déterminé par une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier simple et rentable, qui est également intégrable pour la surveillance en temps réel.

En général, les personnes novices dans cette technique auront du mal car dans les batteries à flux, le solvant et les électrolytes de soutien auront de très fortes interférences lors de la quantification du matériau électroactif. Nous avons eu cette idée pour la première fois lorsque nous avons découvert que le PTIO a un pic d’absorption distinct du solvant et du sel et fait partie des autres états d’oxydation. Tous les tests électrochimiques, y compris la voltampérométrie cyclique dans les cellules d’écoulement, sont effectués dans une boîte à gants remplie d’argon avec des niveaux d’eau et d’oxygène inférieurs à 1 ppm.

Assemblez la configuration de voltampérométrie cyclique dans une fiole en forme de poire de 25 millilitres, à trois cols, avec une électrode de travail en carbone vitreux poli, une contre-électrode de bande de feutre de graphite et une électrode de référence en argent, nitrate d’argent de 10 millimolaires. Ensuite, dissolvez 52 milligrammes de PTIO et 0,87 gramme d’hexafluorophosphate de tétrabutylammonium dans 1,1 gramme d’acétonitrile. Ajoutez trois millilitres de cette solution dans le ballon pour immerger les extrémités des trois électrodes.

Connectez les électrodes à un poste de travail électrochimique. Mesurez les courbes de voltampérométrie cyclique dans la plage de tension de moins 1,75 à 0,75 volts à une vitesse de balayage de 100 millivolts par seconde. L’écart de potentiel entre les deux paires redox est la tension théorique de la cellule de la batterie à flux PTIO.

Pour assembler la cellule d’écoulement, coupez d’abord le feutre de graphite sur une zone d’un centimètre carré sur 10 centimètres carrés à l’aide d’une lame de rasoir. De même, coupez un séparateur poreux sur une zone de trois centimètres carrés sur 12 et deux joints, chacun avec un trou d’un sur 10 centimètres carrés pour accueillir les feutres de graphite. Faites sécher les pièces de la batterie à flux dans un four à vide à 70 degrés Celsius pendant la nuit.

Le lendemain, déplacez les pièces dans la boîte à gants et laissez-les refroidir jusqu’à la température ambiante. Assemblez la cellule d’écoulement à l’aide d’une clé dynamométrique, préréglée à 125 pouces-livres. Connectez ensuite les tubes d’écoulement de l’électrolyte à la cellule d’écoulement.

Pour effectuer le test de cellule d’écoulement, dissolvez 1,05 gramme de PTIO et 3,60 grammes de TBAPF6 dans 3,60 grammes d’acétonitrile dans la boîte à gants. Ajoutez ensuite quatre millilitres de solution dans chaque flacon en verre. Faites couler les électrolytes à 20 millilitres par minute.

Connectez les collecteurs de courant positif et négatif de la cellule d’écoulement à un poste de travail électrochimique. Mesurez la spectroscopie d’impédance électrochimique de la cellule d’écoulement dans la gamme de fréquences de 100 kiloHertz à un Hertz au potentiel du circuit ouvert. Les coupures de tension de ces cellules d’écoulement sont relativement sensibles à la variation d’impédance cellule par cellule et doivent être ajustées dès le tout premier cycle de chaque cellule pour éviter les surcharges.

Connectez les collecteurs de courant positif et négatif de la cellule d’écoulement au testeur de batterie. Configurez des coupures de tension de 0,8 et 2,2 volts dans un courant constant de 20 milliampères par centimètre carré dans le logiciel de fonctionnement de la batterie. Chargez et déchargez à plusieurs reprises la cellule d’écoulement PTIO.

Préparez un échantillon de solvant d’acétonitrile, une solution d’électrolyte TBAPF6 de 1,0 molaire et une solution d’électrolyte PTIO de 0,5 molaire et une solution d’électrolyte TBAPF6 de 1,0 molaire dans la boîte à gants. Étant donné que les espèces de PTIO sont sensibles à l’air, des cellules FTIR scellables doivent être utilisées pour éviter tout contact avec l’air. Un contenant hermétique est recommandé lors du transport de la cellule FTIR de la boîte à gants au spectromètre FTIR.

Ajouter un petit volume de chaque solution dans une cellule FTIR scellable avec des fenêtres de bromure de potassium et une longueur de trajet de 0,2 millimètre. Fermez la cellule FTIR et placez-la dans un récipient de stockage et transférez-la hors de la boîte à gants. Montez la cellule FTIR sur un spectromètre et procédez à la collecte du spectre FTIR.

Comparez ensuite les spectres FTIR acquis de l’acétonitrile, du TBAPF6 de 1,0 molaire et du PTIO de 0,5 molaire, de l’électrolyte TBAPF6 de 1,0 molaire. Ajoutez ensuite 4,0 millilitres de la solution PTIO 0,5 molaire, 1,0 molaire TBAPF6 dans chaque flacon en verre. Faites couler les électrolytes à 20 millilitres par minute.

Chargez complètement la cellule d’écoulement jusqu’à ce que la tension atteigne 2,2 volts. Arrêtez ensuite la charge dans la pompe et collectez les électrolytes positifs et négatifs. Mesurez les spectres FTIR pour les électrolytes positifs et négatifs comme précédemment.

Comparez leurs spectres FTIR avec ceux de la solution PTIO d’origine. En travaillant dans une boîte à gants, préparez une série de solutions PTIO dans 1,0 molaire TBAPF6 dans de l’acétonitrile. Mesurer et comparer les spectres FTIR de chacune des solutions pour obtenir la courbe d’étalonnage.

Pour mesurer l’état de charge, assemblez d’abord une autre cellule d’écoulement. Ajouter 11 millilitres de la solution PTIO 0,5 molaire et 1,0 molaire TBAPF6 dans chaque flacon en verre. Faites couler les électrolytes à 20 millilitres par minute.

Chargez la cellule d’écoulement à un courant constant de 10 milliampères par centimètre carré. À différents moments de charge, arrêtez la charge de la cellule et le flux d’électrolyte et prélevez de petites aliquotes des électrolytes des flacons latéraux en verre d’anolyte et de catholyte avant de reprendre la cellule. Enfin, mesurez et comparez les spectres FTIR des cinq aliquotes d’échantillon.

Les performances électrochimiques de la cellule d’écoulement PTIO sont présentées ici. La cellule PTIO affiche une tension théorique de 1,73 volt à partir de la voltampérométrie cyclique. Un cycle à 20 milliampères par centre carré pour la cellule molaire de 0,5 a conduit à une efficacité coulombienne moyenne de 90 %, à une efficacité voltaïque de 67 % et à une efficacité énergétique de 60 %.

La faisabilité de l’utilisation de la FTIR pour déterminer le SOC est validée par la FTIR peaK à 1218 centimètres inverses. Ici, les solvants et le sel ont un minimum d’interférence avec le PTIO. Les trois états d’oxydation de la PTIO peuvent être distingués les uns des autres.

Le logarithme de l’intensité maximale présente une dépendance linéaire à la concentration de l’IPP et peut être utilisé comme courbe d’étalonnage. La concentration et l’état de charge d’une cellule d’écoulement PTIO à plusieurs intervalles de temps pendant la charge ont été déterminés par des mesures FTIR. La précision de la détermination du SOC basée sur la FTIR est validée par des mesures de résonance de spin électronique.

Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en huit heures si elle est exécutée correctement. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler d’éviter l’exposition à l’oxygène ou à l’humidité des échantillons. Suite à cette procédure, d’autres méthodes, comme la mesure de la FTIR en fonction du nombre de cycles, peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires, telles que l’état de santé et la dégradation du matériau.

Après avoir regardé la vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’évaluer les performances électrochimiques d’une chimie de batterie à flux redox donnée et de la façon de mesurer le SOC des batteries à flux redox qui utilisent des matériaux redox sensibles à la FTIR.