הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

הארכת תוחלת החיים של זרימה מסיסים עופרת סוללות עם תוסף סודיום אצטט

8.6K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/58484

⸱

7 בינואר 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Bio-industrial Mechatronics Engineering Department, National Taiwan University

במאמר זה

סיכום

פרוטוקול לבנייה של עופרת מסיסים זרימה סוללה עם תוחלת החיים מורחב, נתרן אשר מסופק אצטט האלקטרוליט methanesulfonic כתוסף, מוצג.

תקציר

בדו ח זה, אנו מציגים שיטה לבנייה של סוללה הזרימה הראשי מסיסים (SLFB) עם חיים מחזור מורחבת. על ידי אספקת כמות מספקת של סודיום אצטט (NaOAc) כדי האלקטרוליט, סיומת החיים מחזור של מעל 50% הוא הפגין לניסויים SLFBs ויה לטווח ארוך galvanostatic טעינה/פריקה. איכות גבוהה יותר של electrodeposit2 PbO על האלקטרודה החיובית מאומתת באופן כמותי עבור אלקטרוליט NaOAc-נוסף על ידי זריקת מדידות אינדקס (TI). תמונות נרכשה על-ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) גם התערוכה משולב יותר PbO מורפולוגיה2 משטח כאשר SLFB מופעל עם האלקטרוליט NaOAc-נוסף. עבודה זו מציינת כי השינוי אלקטרוליט ניתן מסלול סביר מבחינה כלכלית לאפשר SLFBs לאחסון אנרגיה בקנה מידה גדול.

מבוא

מקורות אנרגיה מתחדשים כולל שמש ורוח פותחו במשך עשרות שנים, אך טבעם לסירוגין מציב אתגרים גדולים. עבור רשת החשמל העתידי עם מקורות אנרגיה מתחדשים, שילב, טען איזון וייצוב רשת קריטיות, יכולה להיות מושגת באמצעות שילוב אחסון אנרגיה. חמצון-חיזור זרימה סוללות (RFBs) הם אחת מהאפשרויות מבטיח לאחסון אנרגיה סרגל רשת. RFBs מסורתית מכילים יון סלקטיבי ממברנות הפרדת anolyte catholyte; לדוגמה, כל ונדיום RFB הראה לפעול עם יעילות גבוהה, הרבה זמן מחזור חיים1,2. עם זאת, את נתח השוק שלהם כמו אחסון אנרגיה מצומצמת מאוד בחלקו עקב הכולל בחומרים יקרים ממברנות יון בררניים יעילים. מצד שני, סוללה זרימה עופרת מסיסים יחיד-זרימה (SLFB) מוצג על-ידי. Plectcher et al. 1 , 2 , 3 , 4 , 5. SLFB ה היא ממברנה-פחות מאחר שהוא כולל מינים פעילה אחת בלבד, Pb(II) יונים. Pb(II) יונים הן electroplated על האלקטרודה החיובית PbO2 ו האלקטרודה השלילית כמו חמאת בוטנים בו זמנית במהלך טעינה, להמיר חזרה ל- Pb(II) במהלך פריקה. SLFB ובכך צריך משאבה מחזור אחד אלקטרוליט אחד אחסון טנקים בלבד, אשר בתורו יכול העלול להוביל את הבירה מופחת ועלות מבצעית לעומת RFBs המקובלת. שפורסם מחזור החיים של SLFBs, זאת, עד כה מוגבל לפחות מ 200 מחזורים תחת זרימה תקינה תנאים6,7,8,9,10.

גורמים מובילים SLFB מחזור חיים קצר קשורה preliminarily התצהיר/פירוק PbO2 בבית האלקטרודה החיובית. במהלך תהליכי טעינה/פריקה, החומציות אלקטרוליט הוא נמצא כדי להגדיל את מחזורי עמוק או חוזרות ונשנות11, פרוטונים מוצעים כדי לגרום את הדור של שכבת פסיבציה של הלא-stoichiometric PbOx12, 13. שפיכת PbO2 הוא תופעה אחרת הקשורה SLFB השפלה. לשפוך PbO חלקיקי2 הן בלתי הפיכות, כבר לא יכול להיות מנוצל. יעילות coulombic (CE) SLFBs consequentially מסרב בגלל תגובות אלקטרוכימיות מאוזנת, כמו גם electrodeposits שהצטברו אצל שתי אלקטרודות. כדי להאריך את מחזור החיים של SLFBs, ייצוב ה-pH תנודות ומבנה electrodeposit הם קריטיים. עיתון האחרונות מפגינה ביצועים משופרים, ו מחזור מורחבת החיים של SLFBs עם תוספת של סודיום אצטט (NaOAc) methanesulfonic אלקטרוליט11.

. הנה, מתואר פרוטוקול מפורט על העסקת NaOAc כתוסף כדי אלקטרוליט methanesulfonic SLFBs. ההופעה SLFB מוצג כדי להיות משופרת, ניתן להאריך את תוחלת החיים על ידי למעלה מ- 50% בהשוואה SLFBs ללא תוספים NaOAc. בנוסף, נהלי לזרוק אינדקס (TI) מדידה מומחשים לצורך השוואה כמותית של השפעות מוספים על electrodeposition. לבסוף מתוארת שיטה הכנה מדגם מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) סריקה עבור electrodeposit על SLFB אלקטרודות, ההשפעה מוספים על electrodeposit באה לידי ביטוי בתמונות הנרכש.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. בניית תא גביע SLFB עם תוסף סודיום אצטט

הערה: סעיף זה מתאר את ההליך כדי לבנות תא גביע SLFB עם תוסף לניסוי אופניים לטווח ארוך. הפרוטוקול כולל הכנת אלקטרוליט עם ובלי תוסף, רעלני אלקטרודה, הרכבה תא והחישובים יעילות.

  1. הכנת methanesulfonate עופרת (1 ליטר, 1 מ' בתור דוגמה)
    1. בשכונה fume, להוסיף 274.6 גר' methanesulfonic חומצה (למתקן, 70%) תוך ערבוב עם בר מערבבים גביע. להמיס את למתקן עם 300 מ ל מים (DI) יונים.
    2. להכין 223.2 גר' תחמוצת עופרת (II) (98%) ולהוסיף בתוספות כשהספל הנ ל עד תחמוצת עופרת מוכן היא התפרקה לחלוטין.
    3. לסנן דרך למשפך ביכנר עם 70 מ"מ תאית נייר סינון כדי להפריד כל תחמוצת עופרת undissolved.
    4. חזור על הליך זה עבור 3 פעמים. מוסיפים מים DI להגיע 1 ליטר בהנפח הכולל.
  2. הכנת אלקטרוליט ללא תוסף (300 מ)
    1. להוסיף 20.595 גר' למתקן (70%) גביע. להוסיף 150 מ ל מוכן 1 מ' עופרת methanesulfonate כשהספל אותו.
    2. מוסיפים מים די כדי להגיע 300 מ ל הנפח הכולל ומערבבים האלקטרוליט עד מעורב בצורה אחידה, אשר תוצאות בריכוז 0.5 M עופרת methanesulfonate מעורבב עם 0.5 M למתקן.
  3. הכנה של אלקטרוליט עם סודיום אצטט (300 מ)
    1. להוסיף 20.595 גר' למתקן (70%) גביע. להוסיף 150 מ ל מוכן 1 מ' עופרת methanesulfonate כשהספל אותו.
    2. להוסיף 1.23 גר' NaOAc (98%) כשהספל כסוכן מוספים.
    3. מוסיפים מים די כדי להגיע 300 מ ל הנפח הכולל ומערבבים האלקטרוליט עד מעורב בצורה אחידה, שתוצאתה פתרון של 0.5 M עופרת methanesulfonate, חומצה methanesulfonic 0.5 M ו- 50 מ מ סודיום אצטט.
  4. רעלני של האלקטרודות חיוביים ושליליים
    1. שוב ושוב פולנית החיובי (מסחרי פחמן מרוכבים), שלילית (ניקל) אלקטרודות עם נייר זכוכית (תחמוצת אלומיניום, P100) עד אין זיהומים גלוי נותרו ולשטוף לאחר מכן אלקטרודות במים DI.
    2. להוסיף 20.83 g של מימן כלורי (35%) ב- 200 מ ל די מים ומערבבים את הפתרון עד כל מימן כלורי התפרקה.
    3. לטבול את האלקטרודה החיובית כולו בפתרון מוכן 1 מ' מימן כלורי בן לילה כדי להסיר זיהומים על פני האלקטרודה.
    4. שוטפים את האלקטרודה החיובית ביסודיות עם מים DI ומייבשים האלקטרודה עם המשימה העדינה המגבים. הקלטת צד אחד של כל אלקטרודה באמצעות קלטות טפלון (PTFE) תוך חשיפת בצד השני של האלקטרודות.
    5. להכין פתרון אחר עם g 3.03 של חנקת אשלגן (99%) ו- 300 מ ל די מים, כשהתוצאה היא פתרון של חנקת אשלגן 0.1 M.
    6. לטבול האלקטרודות חיוביים ושליליים של חנקת אשלגן 0.1 M עם השטח חשוף בפני כל אלקטרודה.
    7. פוטנציאל של 1.80 V לעומת Ag/AgCl חלות על האלקטרודה החיובית במשך 5 דקות. לאחר מכן, החל פוטנציאל של-1.0 V לעומת Ag/AgCl אל האלקטרודה החיובית למשך 2 דקות.
  5. להרכיב את SLFB גביע תא
    1. לצרף האלקטרודות חיוביים ושליליים pretreated לוח מיקום האלקטרודות תוצרת בית למרחק האלקטרודה קבוע. הנח את לוח מיקום יחד עם אלקטרודות בתוך כמו סכמטי מאויר באיור 1 ולהוסיף אלקטרוליט כשהספל עד רמת המיועד של טבילה.
    2. למקם הספל של פגים, מקם את הספל על פלטה חמה ולשלוט קצב סיבוב בחישה. להתחבר הבודק הסוללה האלקטרודות ולכסות את התא גביע בניילון נצמד כדי למנוע אידוי.
  6. לחשב את יעילות הסוללות
    1. לאחר galvanostatic טעינה ופריקה, לחשב את היעילות של הסוללה כדלהלן:
      יעילות coulombic:figure-protocol-1
      יעילות מתח:figure-protocol-2
      יעילות אנרגיה:figure-protocol-3
      . הנה, Q מציין תליונים של אלקטרונים המקביל טעונה/משוחררים, V המתח החל/פלט ו- E את האנרגיה הכוללת המאוחסנת/נצרך.

2. לזרוק אינדקס מדידה

הערה: סעיף זה מתאר את ההליך כדי למדוד את זריקת מדד (TI) electrodeposit-אלקטרודות חיובי בתאים SLFB. היפוך את התפקיד של אלקטרודות חיוביים ושליליים מספק את הסט השני של TI תוצאות. . הנה, TI ייחקר על-ידי שימוש תא הרינג-בלום תוצרת בית כמו סכמטי מתואר באיור2.

  1. מדידה
    1. שוקל והקלטה של שתי אלקטרודות חיוביות בהתאמה לפני הניסויים.
    2. מקם את האלקטרודה השלילית במרכז תא הרינג-בלום, אחד אלקטרודה חיובית ביחס למרחק של 1 מ האלקטרודה השלילית. מקם את האלקטרודה החיובית השנייה יחס אחר מרחק של האלקטרודה השלילית (קח 6 כדוגמא באיור2).
    3. לטבול את שתי אלקטרודות חיובית, האלקטרודה השלילית אחד עם אותו שקוע שטח (2 ס מ2 כאן) בתא הרינג-בלום עם האלקטרוליט עניין.
    4. החל על צפיפות זרם מבוקר (20 mA·cm-2 כאן)-האלקטרודות באמצעות כבודק הסוללה. לבצע את הטעינה galvanostatic למשך תקופה מסוימת (30 דקות כאן).
    5. לאחר ציפוי, לשטוף את שתי אלקטרודות חיובית עם מים DI, לייבש אותם בטמפרטורת החדר למשך הלילה.
    6. שוקל להקליט שתי אלקטרודות חיובי שוב בהתאמה, לחשב את יחס הפצה מתכת (MDR) לפי המשוואה המפורטים להלן.
    7. חזור על הניסויים הנ על-ידי הצבת את האלקטרודה החיובית השנייה-מרחק ליניארי שונים יחסי (LR) לרכוש את הדיאגרמה TI (מגוונות 6 ל-1 כאן).
  2. חישוב
    1. לדוגמה, לשקול האנודה כמו האלקטרודה עניין ולאחר לקבוע כל הנתונים בדיאגרמה TI מאת נמדד MDR לעומת LR, אשר יחושבו כפי שמוצג להלן:
      figure-protocol-4
      figure-protocol-5

3. הכנת הדוגמא SEM

  1. שוטפים את גרפיט אלקטרודה עם מים DI ומייבשים בטמפרטורת החדר לאחר electroplating.
  2. אלקטרודות גרפיט פרוסה לתוך גודל המדגם הרצוי על ידי יהלום ראה בזהירות. קר הר המדגם אלקטרודה ולהבריק ואז מכנית אותו עם 14, 8, 3 μm סיליקון קרביד חול ניירות, לאחר מכן.
  3. בהמשך פולנית הדגימות עם הבולם יהלום μm 1, 0.05 μm אל2O3. להפקיד המדגם רכוב קר עם פלטינה ולחבר אותו עם קלטות נחושת כדי להבטיח מוליכות עבור SEM תצפית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

כדי להאריך את מחזור החיים של SLFBs, NaOAc מסופק בתור אלקטרוליט מוספים. רכיבה על אופניים הביצועים של SLFBs עם או בלי NaOAc מוספים נבחנות במקביל, התוצאות מוצגות באיור3. עבור קל השוואה כמותית של מחזור החיים, אנו מגדירים "מותו" של SLFB כמו כאשר CE שלה הוא נמוך מ- 80% תחת galvanostatic רציף טעינה/פריקה. איור 3a ו- 3b להראות כי מחזור 50% בערך אריכות החיים של SLFB מושגת כאשר 50 מ"מ NaOAc מתווסף האלקטרוליט של 0.5 M עופרת...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

מאמר זה מתאר שיטה חסכונית כדי להאריך את מחזור החיים של SLFBs: על ידי העסקת סוכן NaOAc בתור אלקטרוליט מוספים. אוסף של אלקטרודות גרפיט טריים וצלחות ניקל הם בקובייה כמו הנ ל. בשלב 1 לפני ניסויים אופניים לטווח ארוך. בגלל חוסר עקביות בין אלקטרודות פחמן מסחרי עלול לגרום ביצועים חריגה של SLFBs, רעלני פיזיקלית/כימית ב- 1.4 שלב חיוני כדי להסיר שאריות משטח. החלק השני של שלב 1.4 הוא העסקת שיטות אלקטרוכימיות להסיר זיהומים שעלול לגרום תגובות חמצון-חיזור בין הפוטנציאל של 0 עד 1.8 V לעומת Ag/AgCl. כפי שמתואר

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין לנו לחשוף.

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע והטכנולוגיה, R.O.C., תחת המספר המימון של המועצה לבטחון לאומי 102-2221-E-002 - 146-, רוב 103-2221-E-002 - 233 - ולאחר 104-2628-E-002-016-MY3 רוב.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
70 מ"מ נייר סינון תאיתAdvance
AutolabMetrohmPGSTA302N
BT-LabBioLogicBCS-810
מסחרי פחמן מרוכב אלקטרודהHomy Tech, טייוואןצפיפות 1.75 g cm-3< / sup>, ומוליכות חשמלית 330 S cm-1< / sup>
יהלום מסורBuehler
חומצה הידרוכלוריתSHOWA0812-0150-000-69SW35%
תחמוצת עופרת (II) SHOWA1209-0250-000-23SW98%
Lutropur MSABASF5070752570%
צלחת ניקלשעבוד Hung סגסוגת מסחר ושות', בע"מ, טייוואן,  99%
אשלגן חנקתיScharlab28703-9599%
מיקרוסקופ אלקטרונים סורקJEOLJSM-7800Fבמתח מואץ של 15 קילו
וולט נתרן אצטטSHOWA1922-5250-000-23SW98%
מערכת טיהור מיםBarnstead MicroPure  18.2 MΩ   ושור; ס מ

מקורות

  1. Soloveichik, G. L. Flow batteries: current status & trends. Chemical Reviews. 115 (20), 11533-11558 (2015).
  2. Ravikumar, M. K., Rathod, S., Jaiswal, N., Patil, S., Shukla, A. The renaissance in redox flow batteries. Journal of Solid State Electrochemistry. 21 (9), 2467-2488 (2017).
  3. Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part I. Preliminary studies. Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1773-1778 (2004).
  4. Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part II. Flow cell studies. Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1779-1785 (2004).
  5. Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). III. The influence of conditions on battery performance. Journal of Power Sources. 149, 96-102 (2005).
  6. Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). IV. The influence of additives. Journal of Power Sources. 149, 103-111 (2005).
  7. Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). V. Studies of the lead negative electrode. Journal of Power Sources. 180 (1), 621-629 (2008).
  8. Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). Part VI. Studies of the lead dioxide positive electrode. Journal of Power Sources. 180 (1), 630-634 (2008).
  9. Li, X., Pletcher, D., Walsh, F. C. A novel flow battery: a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). Part VII. Further studies of the lead dioxide positive electrode. Electrochimica Acta. 54 (20), 4688-4695 (2009).
  10. Krishna, M., Fraser, E. J., Wills, R. G. A., Walsh, F. C. Developments in soluble lead flow batteries and remaining challenges: An illustrated review. Journal of Energy Storage. 15, 69-90 (2018).
  11. Lin, Y. -T., Tan, H. -L., Lee, C. -Y., Chen, H. -Y. Stabilizing the electrodeposit-electrolyte interphase in soluble lead flow batteries with ethanoate additive. Electrochimica Acta. 263, 60-67 (2018).
  12. Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y., Chainet, E. PbO2/Pb2+ cycling in methanesulfonic acid and mechanisms associated for soluble lead-acid flow battery applications. Electrochimica Acta. 71, 140-149 (2012).
  13. Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y. Potential response of lead dioxide/Lead (II) galvanostatic cycling in methanesulfonic acid: a morphologico-kinetics interpretation. Journal of The Electrochemical Society. 160 (1), A148-A154 (2013).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

סוללת זרימה של עופרת מסיסההארכת חיי מחזורמדידת מדד השליכהמיקרוסקופיה אלקטרונית סורקתשינוי אלקטרוליטתמיסת עופרת מתילסולפונטטיפול מקדים של אלקטרודת גרפיטאלקטרודת נגד מניקלתמיסת אשלגן חנקתי
הארכת תוחלת החיים של זרימה מסיסים עופרת סוללות עם תוסף סודיום אצטט
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.