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 la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier pour une batterie à flux redox symétrique, non aqueuse, à base de PTIO. Cette méthode permet donc de répondre à des questions essentielles dans le domaine du stockage d'énergie pour le réseau électrique, telles que la manière dont les opérateurs peuvent s'assurer que les batteries à flux fonctionnent de façon sûre et fiable, notamment lors d'opérations à long terme. Le principal avantage de cette technique réside dans le fait que l'état de charge de la batterie peut être déterminé par une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier simple et peu coûteuse, également adaptable à une surveillance en temps réel.

En général, les personnes novices dans cette technique éprouveront des difficultés, car, dans les batteries à flux, le solvant et les électrolytes support produisent des interférences très marquées lors de la quantification du matériau électroactif. Nous avons eu cette idée pour la première fois lorsque nous avons découvert que le PTIO présente un pic d'absorption distinct de celui du solvant et du sel, et qu'il se situe parmi les autres états d'oxydation. Tous les tests électrochimiques, y compris la voltampérométrie cyclique dans des cellules à flux, sont réalisés dans une boîte à gants remplie d'argon, où les niveaux d'eau et d'oxygène sont inférieurs à une ppm.

Assemblez le dispositif de voltampérométrie cyclique dans un ballon en forme de poire de 25 millilitres à trois cols, équipé d'une électrode de travail en carbone vitreux polie, d'une électrode auxiliaire en bande de feutre de graphite et d'une électrode de référence au nitrate d'argent, argent, à 10 millimolaire. Ensuite, dissolvez 52 milligrammes de PTIO et 0,87 gramme de fluorure d'hexafluorophosphate de tétrabutylammonium dans 1,1 gramme d'acétonitrile. Ajoutez trois millilitres de cette solution dans le ballon afin d'immerger les extrémités des trois électrodes.

Reliez les électrodes à une station de travail électrochimique. Mesurez les courbes de voltampérométrie cyclique dans le domaine de tension de -1,75 à 0,75 volts à une vitesse de balayage de 100 millivolts par seconde. L'écart de potentiel entre les deux couples redox correspond à la tension cellulaire théorique de la batterie à flux PTIO.

Pour assembler la cellule d'écoulement, commencez par découper le feutre de graphite en un morceau de un sur dix centimètres carrés à l'aide d'une lame de rasoir. De la même manière, découpez un séparateur poreux en un morceau de trois sur douze centimètres carrés, ainsi que deux joints, chacun comportant une ouverture de un sur dix centimètres carrés destinée à accueillir les feutres de graphite. Séchez les composants de la batterie à flux dans une étuve sous vide à 70 degrés Celsius pendant toute une nuit.

Le lendemain, introduisez les pièces dans la boîte à gants et laissez-les refroidir à la température ambiante. Assemblez la cellule d'écoulement à l'aide d'une clé dynamométrique préréglée à 125 pouces-livres. Ensuite, reliez les tubulures d'écoulement de l'électrolyte à la cellule d'écoulement.

Pour effectuer le test de la cellule d'écoulement, dissoudre 1,05 gramme de PTIO et 3,60 grammes de TBAPF6 dans 3,60 grammes d'acétonitrile dans la boîte à gants. Ajouter ensuite quatre millilitres de la solution dans chaque flacon en verre. Faire circuler les électrolytes à 20 millilitres par minute.

Reliez les collecteurs de courant positif et négatif de la cellule à flux à une station électrochimique. Mesurez la spectroscopie d'impédance électrochimique de la cellule à flux dans la plage de fréquence allant de 100 kiloHertz à un Hertz, au potentiel de circuit ouvert. Les seuils de tension de ces cellules à flux sont relativement sensibles aux variations d'impédance d'une cellule à l'autre et doivent être ajustés dès le premier cycle de chaque cellule afin d'éviter une surcharge.

Connecter les collecteurs de courant positif et négatif de la cellule à flux au testeur de batterie. Configurer des seuils de tension de 0,8 et 2,2 volts à un courant constant de 20 milliampères par centimètre carré dans le logiciel de fonctionnement de la batterie. Charger et décharger plusieurs fois la cellule à flux PTIO.

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

Ajoutez un petit volume de chaque solution dans une cellule FTIR scellable équipée de fenêtres en bromure de potassium et d'une longueur de trajet optique de 0,2 millimètre. Scellez la cellule FTIR, placez-la dans un contenant de stockage, puis sortez-la de la boîte à gants. Montez la cellule FTIR sur un spectromètre et procédez à l'acquisition du spectre FTIR.

Ensuite, comparez les spectres FTIR obtenus de l'acétonitrile, de l'électrolyte de PTIO 0,5 molaire, TBAPF6 1,0 molaire et de TBAPF6 1,0 molaire. Ajoutez ensuite 4,0 millilitres de la solution de PTIO 0,5 molaire, TBAPF6 1,0 molaire dans chaque vial en verre. Faites circuler 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 le chargement dans la pompe et récupérez les électrolytes positif et négatif. Mesurez les spectres FTIR pour les deux électrolytes, positif et négatif, comme précédemment.

Comparez leurs spectres FTIR à celui de la solution initiale de PTIO. Dans une boîte à gants, préparez une série de solutions de PTIO dans du TBAPF6 1,0 molaire en acétonitrile. Mesurez et comparez les spectres FTIR de chacune des solutions afin d'obtenir la courbe d'étalonnage.

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

Chargez la cellule de flux à un courant constant de 10 milliampères par centimètre carré. À divers intervalles de charge, arrêtez la charge de la cellule et l'écoulement de l'électrolyte, puis prélevez de petites aliquotes des électrolytes provenant des vials en verre des côtés anolyte et catholyte avant de reprendre le fonctionnement de la cellule. Enfin, mesurez et comparez les spectres FTIR des cinq aliquotes échantillonnées.

Les performances électrochimiques de la cellule à flux PTIO sont présentées ici. La cellule PTIO présente une tension théorique de 1,73 volt issue de la voltampérométrie cyclique. Un cyclage à 20 milliampères par centimètre carré pour la cellule 0,5 molaire a conduit à un rendement coulombique moyen de 90 %, un rendement voltaïque de 67 % et un rendement énergétique de 60 %. Toutefois, la cellule à flux a montré une décroissance de capacité.

La faisabilité d'utilisation de la FTIR pour déterminer le COS est validée par le pic de FTIR à 1218 centimètres inverses. Ici, les solvants et le sel interfèrent peu avec le PTIO. Les trois états d'oxydation du PTIO peuvent être distingués les uns des autres.

Le logarithme de l'intensité du pic présente une dépendance linéaire par rapport à la concentration de PTIO et peut être utilisé comme courbe d'étalonnage. La concentration de PTIO et l'état de charge d'une cellule à flux de PTIO à plusieurs intervalles de temps pendant la charge ont été déterminés par des mesures de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). La précision de la détermination de l'état de charge basée sur la FTIR est validée par des mesures de résonance paramagnétique électronique.

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

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