פרוטוקול מוצג למחקר רב אלקטרון מתכת / מערכות סוללה אוויר על ידי שימוש בטכנולוגיה קודמת שפותחה עבור תא האבץ / אוויר. בדיקות אלקטרוכימי מבוצעת לאחר מכן על סוללות מפוברקות כדי להעריך את הביצועים.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
במאמר זה
סיכום
תקציר
טכניקה כדי לחקור את התכונות וביצועים של מערכות מתכת / אוויר מרובי אלקטרונים חדשים הסוללה הציעה והציגה. שיטה לסינתזה הננוסקופי VB 2 מוצגת כמו גם הליך צעד אחר צעד ליישום ציפוי תחמוצת זירקוניום לחלקיקי VB 2 לייצוב עם שחרור. תהליך פירוק תאי אבץ / אוויר קיימים מוצג, בבניית תוספת של האלקטרודה עובדת החדשה שתחליף את האנודה תא האבץ / אוויר הקונבנציונלי עם האנודה הננוסקופי VB 2. לבסוף, פריקה של VB השלים 2 / אוויר הסוללה מדווח. אנו מראים כי שימוש בתא האבץ / אוויר כמיטת בדיקה הוא שימושי כדי לספק תצורה עקבית כדי ללמוד את הביצועים של האנודה האנרגיה גבוהה הקיבולת הגבוהה הננוסקופי VB 2.
מבוא
diboride נדיום כהאנודה יש בין נפח קיבולת הטעינה הגבוהה ביותר של כל חומר האנודה. פרוטוקול זה מציג שיטה ללימוד החומר המרתק הזה. אבץ מתכתי כבר את חומר האנודה השלטת במערכות עיקריות מימיות בשל אבץ של המתכת הגבוהה שני אלקטרונים נפחית ויכולות אחסון מטען gravimetric של 5.8 קה ל -1 ק"ג ואה 820 -1, בהתאמה. * סוללת אבץ פחמן, המכונה תא Leclanché, הוצג לראשונה בסוף המאה ה -19, המשלב האנודה אבץ עם דו תחמוצת מנגן (אספן נוכחי פחמן) קתודית בכלוריד 1 אלקטרוליט. הסוללה בסיסית המשותפת מנצלת אותו הזוג, אבל מחליפה את האלקטרוליט כלוריד עם אלקטרוליט הידרוקסיד אלקלי מימית. יחד סוללות אבץ פחם ואלקליין מהוות את הרוב המכריע של סוללות ראשוניות נמכר 1. כאשר הקתודה דו תחמוצת מנגן בתא בסיסי מוחלפתעל ידי קתודה אוויר, יכולות אחסון אנרגיה גבוהות יותר באופן משמעותי מושגות. סוללת אבץ אוויר זה מנצל חמצן מהאוויר, והוא נמצא בדרך כלל בסוללות מכשיר שמיעה 1-3.
החיפוש שלנו לאחסון סוללה קיבולת גבוהה יותר התמקד בחומרים שיכולים להעביר אלקטרונים מרובים לכל מולקולה 4-11. בין המגוון הרחב של זוגות חיזור יש לנו לחקור, VB 2 בולט כמו האנודה אלקליין יוצאת דופן מסוגלת לשחרר 11 אלקטרונים לVB 2, עם יכולות ונפח של 20.7 gravimetric קה ל -1 ק"ג ו4060 אה -1 בהתאמה. * ב 2004, יאנג והעמיתים דיווחו הזרמת VB 2, אלא גם תעד את התחום המורחב בי VB 2 הוא רגיש לקורוזיה בתקשורת אלקלי 12. בשנת 2007, דיווחנו כי ציפוי בחלקיקי VB 2 מונע קורוזיה 13 זה, שהוביל להפגנה של VB 2 / אוויר בattery בשנת 2008 14.
במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול המשמש לבדיקת מערכות חדשות מתכת / אוויר המעסיקות את הטכנולוגיה שפותחה בעבר עבור תא האבץ / אוויר כפי שהוחל על VB 2 / תא אוויר. האנודה nanoscopicVB 2 מוצגת כהאנודה צפיפות הספק גבוה באנרגיה גבוהה מסוגלת להציג תגובת חמצון אחת עשרה ואלקטרון מתקרבת ליכולת הפנימית התיאורטית של 4060 ק"ג אה -1 במתח סוללה מוגבר ויכולת טעינה של סוללה. זוג 2 / אוויר VB משתמש באלקטרוליט בסיסי של KOH / NaOH, ומעסיק אותו הקתודה אוויר החמצן המופקת מתא האבץ / אוויר 1. הקתודה electrocatalyst הפחם אינה נצרכת במהלך פריקה.
קיים צורך בהבנה רבה יותר את מערכת אוויר VB 2 / כדי לשפר את ביצועי תא נוסף. את המאפיינים והביצועים של חומרים הננוסקופי VB 2 ניתן לחקור באמצעות tהוא תצורת התא של תא האבץ / אוויר 15,16. ניתן לבצע בדיקות לאלקטרוכימי הננוסקופי VB 2 כדי להשוות את ביצועים באמצעות חיסכון באחוזים בשיעורים שונים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
1. הכנת ננו VB 2
הננוסקופי VB 2 מסונתז ישירות מהיסודות ונדיום וורון באמצעות כדור בטחינת מנת שומה 1:2.
- יש לנקות את צנצנת 50 מ"ל טונגסטן קרביד טחינה ועשרה כדורי טונגסטן קרביד של 10 מ"מ. יבש תחת אוויר בתנור בחום של 100 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 כדי להבטיח שכל המים מתאדה.
- נקה את החלק הפנימי של צנצנת הטחינה כדי להבטיח שאין שאריות נשארה, חזור על שלב 1.1 אם השאריות היא גלויות לעין.
- לטהר את חדר ההמתנה של תא כפפות עם הארגון 3x במשך 10 דקות בכל פעם. העבר את צנצנת הטחינה, כדורים, ומרית נקיות לתוך תא הכפפות מלאות הארגון.
- לשקול את נדיום ואבקות ורון ביחס טוחנת 1:2 0.500 גרם של ונדיום וורון 0.212 גרם לצנצנת הטחינה, להוסיף את הכדורים, ולאטום את צנצנת הטחינה.
- הסר את צנצנת הטחינה אטומה מתא הכפפות, מקום אותו לתוך טחנת כדור פלנטריים להגדיר עד 600 סל"ד ועד לטחנת 4 שעות.
- לאחר completion, לאפשר את צנצנת הטחינה להתקרר לטמפרטורת חדר לפני הסרת מטחנת הכדור.
- לטהר את חדר ההמתנה של תא כפפות עם הארגון 3x במשך 10 דקות בכל פעם. העבר את צנצנת הטחינה, בקבוק תחתית עגול, סרט פרפין, מרית, ובר ומערבבים מגנטי לתוך תא הכפפות.
- החל ציפוי תחמוצת זירקוניום לVB הננוסקופי מוכנים 2 כדלקמן:
- בתוך תא ההכפפות לאסוף 2 ננו VB הכינו בעבר בעזרת מרית כדי לגרד את קירות צנצנת הטחינה ועד לחלק הארי של המסה מתחילה כבר התאושש. לשקול ולהעביר נאספו ננו VB 2 לתוך בקבוק תחתית עגול.
- לשקול את משקליו של 3.5 אחוזים בהשוואה לזירקוניום כלוריד VB נאסף 2 ולאחר מכן להוסיף את האבקה לבקבוק תחתית העגולה המכיל את אסף ננו VB 2.
- הוסף בר מערבבים מגנטיים לבקבוק ובאמצעות סרט פרפין לאטום את הפתח לפני הסרת מתא הכפפות. לחלופין,מחיצה כבר בשימוש עם תוצאות שווה ערך הסירו את בקבוק תחתית העגול מתא הכפפות.
- באמצעות מזרק 10 מ"ל, להעביר 10 מ"ל של אתר diethyl לתוך בקבוק תחתית העגול. במהירות לכסות את החור שנוצר על ידי המזרק בסרט פרפין עם חתיכה נוספת של Parafilm.
- מערבבים את הבקבוק על צלחת ומערבבים במשך שעה אחת בהגדרה בינונית.
- לאחר שעה, להתאדות מאתר diethyl הנותר של 2 ננו VB באמצעות מאייד סיבובי או תצורת משאבה אחרת עד מצופים ננו VB 2 מופיעים יבשים.
- לאחר Zr המצופה ננו VB 2 הוא יבש לחלוטין, לאסוף.
2. הכנה של אלקטרוליט
- הכן תערובת של 4 4 פתרון M NaOH לשימוש כאלקטרוליט M KOH ו. (הערה: רק לעשות מספיק כדי להימשך כמה שבועות, חזור לפי צורך כדי ליצור תאים חדשים). אלקטרוליטים הידרוקסיד מימיים של NaOH ו Koh נחקרו בעבר בריכוז הנע רצוגינג של ז 8 לרוויים. שילוב של 4 M NaOH ו4 M KOH מניב ביצועים משופרים באופן שולי שיעור גבוה בהשוואה לתוצאות קודמות באמצעות NaOH אלקטרוליט טהור.
3. פירוק סוללות אבץ / אוויר
עיין בטבלה של עוצרים וחומרים לפרטים אודות יצרן הסוללה ומספר דגם.
- פתיחת תא האבץ / אוויר לייצור מאוחר יותר של VB 2 / תאי אוויר.
- יצירת חתך בשפתו של מעטפת התא בגודל המטבע באמצעות צבת חיתוך אלכסונית.
- מסלסל מחוץ קצוות של שפתיים כלפי חוץ. אחרי הולך לחלוטין מסביב לתא פעמיים, זה צריך להיות קל לפתיחה.
- באמצעות סכין גילוח, לדחוף מעלה בשולי הכובע לאט, בעדינות בכח לפתוח את התא. הערה: זה עלול לקחת זמן מה כדי לקבל את התא פתוח. היה סבלני ונזהר שלא לפגוע בסדק או כל חלק כאשר עושים את הצעד הזה. התא צריך להישאר ללא פגע.
- מכין את הסוללה לשימוש
- ברגע שהתא נפתח לשני חלקים (כובע והתחתון) מתחיל להסיר את חומר האנודה האבץ בעדינות מכובע ובתחתית.
- הסר כאבץ מוצק כמה שיותר עם סכין הגילוח. לא לגרד את התחתית, הוא חשוב לא לפגוע בחלקים. המפריד (תחתון) ואת אטם (צדדים) יוצרים שכבה אטומה אחת שיכול בקלות להיות ניקב על ידי יותר מדי לחץ החלת עם סכין הגילוח. פירסינג המפריד יגרום נזק לקתודת האוויר. בנוסף, אם האטם מופר האמינות של התא להיות מבודדים חשמלי הולכת לאיבוד.
- באמצעות מקלון צמר גפן לנגב את השאריות ואבץ שנותר מהכובע, התחתון, ומפריד בזהירות.
- נקה את הפקק ומחוץ לתא עם אלכוהול רפואי.
4. הכנה של אלקטרודה 5 מיליאמפר עבודה עם תערובת 70/30 יבשה
- שימוש מסונתז מצופה Zr ננו VB 2 כmateri הפעילהאל, לשקול את 0.0012 גרם לכל אלקטרודה להיות מפוברק (בדרך כלל 5 - 10 תאים נבדקים בכל פעם) ולהעביר לתוך מכתש ועלי.
- הוסף 30% מVB שקל 2, 0.0005 גרם של פחמן שחור גריפיט (לאלקטרודה), לחומר הפעיל במכתש ועלי ולטחון למשך 30 דקות.
- ודא שאין אשכולות גדולים, נראים לעין של חומר ולאסוף אבקה.
- לשקול את כ 0.0017 גרם של תערובת 70/30-powder לכובע האלקטרודה נקי בעזרת מרית. (אם מכין מספר תאים בכל פעם, אחרת תעביר את החומר לכובע אלקטרודה).
- הוסף טיפה אחת של אלכוהול רפואי לכל כובע ואבקת מערבולת עם מרית או קצה מחודד קטן אחר עד שאין גושים והשעיה מופצת באופן שווה לרוחב החלק העליון של הכובע.
- לאפשר אלקטרודות לייבוש למשך 30 דקות.
5. עצרת סלולרי VB 2-אוויר - שיטה יבש
- להרכיב תאים בכיוון הפוך מהאבץ / aiתא R עם אלקטרודה עובדת, כובע, במהופך.
- ארגן את כל תא (5 - 10 שנבדקו) בשתי שורות, את הפקקים באחת והתחתית המקבילה בצד השני. בדוק כל אחד כובע על מנת להבטיח כי חומר האנודה הוא להתפשט באופן שווה ולא נסדק.
- הוסף 27 μl של 4 מ 'KOH / 4 M תערובת אלקטרוליטים NaOH לכל מפריד.
- בעדינות להסיר אלקטרוליט העודף מהתחתית בעזרת צמר גפן מספיג רק פעם אחת בתוך התחתית.
- לקחת בזהירות כל אחד מהתחתי, פונה עליהם, ומניח אותם על גבי כובעים כך שחומר anodic הוא במגע עם אלקטרוליט.
- החל לחץ ולאטום באמצעות אפוקסי מתייבש במהירות.
6. בדיקת Nano-VB 2 / אוויר נייד
- ברגע שתהליך הייצור הושלם, תאי מקום על מדף פריקה או בעל סוללה.
- אפשר לכל אחד מתאים צעד שאר ראשוני של עשר דקות כדי לוודא שהתאים לאזן לפני הפריקה.
- לפרוקתאים בעומס קבוע של 3,000 Ω (או עומס רצוי אלטרנטיבי) באמצעות בוחן סוללה.
- לאחר שלב האיזון, לקחת מדידת הפוטנציאל במעגל הפתוח.
- לפרוק לאחר מכן, תחת עומס קבוע עד הפסקת מתח של 0.4 וולט הוא הגיע.
- יעילות Coulombic אז יכולה להיות מחושבת על ידי אחוז מהיכולת הנמדדת לעומת האנודה התיאורטית יכולת הפריקה אחת עשרה ואלקטרונים של 4060 ק"ג אה -1.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
אלקטרוכימי בדיקות מבוצעת כדי לקבוע את הביצועים של VB 2 / סוללות אוויר. התוצאות שהתקבלו עבור מספר תאים לספק ראיות לשחזור של ביצועי התא. איור 1 משווה VB 2 / סוללות אוויר במהלך 3000 אוהם (משמאל) ו1000 אוהם (מימין) פריקה. שימו לב שהמתח הפריקה, כמו גם את החלק היחסי של 4,060 ק"ג אה -1 יכולת פנימית הוא גבוה יותר עם האנודה הננוסקופי VB 2 בהשוואה לתא האנודה מקרוסקופית VB 2, וכי תא זה גם שומר על יעילות גבוהה יותר...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
בנייה של VB 2 / הסוללה אוויר בדרך זו מספקת את היכולת ללמוד ולחקור את אחד עשרה אלקטרונים להעברת תשלום מולקולה שמתרחש, מה שמאפשר את האפשרות לסוללה בקיבולת גבוהה חדשה. אם תוצאות שהתקבלו לא להפגין תוצאות לשחזור, להבטיח כי כל חומר האנודה האבץ הוסר מהסוללה, שיש פיזור שווה של חומר פעיל בכובע, וכי התאים מודבקים כהלכה ללא כל הדלפות. אם בעיה ממשיכה להתרחש, להבטיח כי את הסוללות הן 675 תאי אבץ / אוויר Panasonic תוצרת יפן לא בגרמניה. האטם של תא יפני אמור להופיע אטום ומחובר למפריד כי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
המחברים, כריס רודס, ראובן לופז, Xuguang לי, מאהש Waje, ומאלינגס מתיו הם עובדי Lynntech בע"מ
תודות
המחברים מבקשים להודות למדע פרס קרן 1006568 הלאומי למימון פרויקט זה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| MATERIALS | |||
| Boron | Alfa Aesar | 11337 | |
| Diethyl Ether | J.T. Baker | 9244-06 | 4L |
| אפוקסי | לוקטיט | כבד 5 דקות זמן הגדרה | |
| איזופרופיל אלכוהול | |||
| Panasonic 675 תא אבץ/אוויר | Panasonic | PR675H | תוצרת יפן ( לא גרמני) |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | גרפיטי פחמן שחור | |
| ונדיום | אולדריץ' | 262935 | |
| ונדיום דיבוריד | אלמנטים אמריקאים | 12007-37-3 | |
| ספקטרום | זירקוניום כלוריד | Z20001 | |
| <חזק>ציוד | |||
| 50 מ"ל בקבוק תחתון עגול | פישר Scientific Co LLC | CG151001 | |
| צבת חיתוך אלכסונית | לחומרי בניין | ||
| צלחת חמה / לערבב | IKA | C-MAG HS 7 | |
| קופסת כפפות | Labconco | דיוק בסיסי | |
| עשרה כדורי טונגסטן קרביד 10 מ"מ | מעבדה סינרגיה | 55.0100.08 | |
| צנצנת כרסום טונגסטן קרביד | מעבדה סינרגיה | 50.8600.00 | |
| סכין גילוח | לחומרי בניין | ||
| Retsch PM 100 טחנת כדור פלנטרית | Retsch | 205400003 | |
| Stir bar | VWR International | 58947-140 |
מקורות
- 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).
- Neburchilov, V., Wang, H., Martin, J. J., Qu, W. A review on air cathodes for zinc - air fuel cells. Journal of Power Sources. 195, 1271-1291 (2010).
- Yu, X., Licht, S. High capacity alkaline super-iron boride battery. Electrochimica Acta. 52, 8138-8143 (2007).
- Licht, S., Wang, B., Ghosh, S. Energetic Iron(VI) Chemistry: The Super-Iron Battery. Science. 285, 1039-1042 (1990).
- Licht, S. Novel aluminum batteries: a step towards derivation of superbatteries. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. , 134-241 (1998).
- Licht, S., Myung, N. Fluorinated Graphites as Energetic Cathodes for Nonaqueous Al Batteries. Electrochem. Solid-State Lett. 5, A160-A163 (2002).
- Licht, S., Ghosh, S. High power BaFe(VI)O4/MnO2 composite cathode alkaline super-iron batteries. Journal of Power Sources. 109, 465-468 (2002).
- Licht, S., Myung, N., Peramunage, D. Ultrahigh Specific Power Electrochemistry, Exemplified by Al/MnO4- and Cd/AgO Redox Chemistry. The Journal of Physical Chemistry B. 102, 6780-6786 (1998).
- Licht, S. Aluminum/Sulfur Battery Discharge in the High Current Domain. J. Electrochem. Soc. 144, L133-L136 (1997).
- Gao, X. -P., Yang, H. -X. Multi-electron materials for high energy density batteries. Energy and Environmental Science. 3, 174-189 (2010).
- Yang, H. X., Wang, Y. D., Ai, X. P., Cha, C. S. Metal Borides: Competitive High Capacity Anode Materials for Aqueous Primary Batteries. Electrochemical and Solid-State. 7, A212-A215 (2004).
- Licht, S., Yu, X., Qu, X. Novel Alkaline Redox Couple: Chemistry of the Fe6+/B2- Super-iron Boride Battery. Chemical Communications. 2007, 2753-2755 (2007).
- Licht, S., Wu, H., Yu, X., Wang, Y. Renewable Highest Capacity VB2/Air Energy Storage. Chemical Communications. 2008, 3257-3259 (2008).
- Light, S., Ghosh, S., Wang, B., Jiang, D., Asercion, J., Bergmann, H. Nanoparticle Facilitated Charge Transfer and Voltage of a High Capacity VB2 Anode. Electrochemical and Solid-State. 14, 83-85 (2011).
- 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).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
