Un protocollo per elettrochimici valutazioni e stato di carica della diagnostica di un Redox flusso batteria simmetrica Organic

L'obiettivo generale di questo protocollo video è quello di dimostrare sperimentalmente le prestazioni elettrochimiche e la diagnostica dello stato di carica basata sull'infrarosso in trasformata di Fourier di una batteria a flusso redox simmetrica, non acquosa, basata su PTIO. Quindi questo metodo può rispondere a domande chiave nel campo dell'accumulo di energia di rete, come ad esempio come le persone possono assicurarsi che la batteria di flusso funzioni in modo sicuro e affidabile, soprattutto nelle operazioni a lungo termine. Il vantaggio principale di questa tecnica è che lo stato di carica della batteria può essere determinato attraverso una semplice spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier ed economica che è anche integrabile per il monitoraggio in tempo reale.

In generale, gli individui che non conoscono questa tecnica avranno difficoltà perché nelle batterie a flusso il solvente e gli elettroliti di supporto avranno interferenze molto forti durante la quantificazione del materiale elettroattivo. Abbiamo avuto questa idea per la prima volta quando abbiamo scoperto che il PTIO ha un picco di assorbimento distinguibile dal solvente e dal sale ed è tra gli altri stati di ossidazione. Tutti i test elettrochimici, compresa la voltammetria ciclica nelle celle a flusso, vengono eseguiti in una scatola a guanti riempita di argon con livelli di acqua e ossigeno inferiori a un ppm.

Assemblare la configurazione della voltammetria ciclica in un pallone da 25 millilitri, a tre colli, a forma di pera, con un elettrodo di lavoro in carbonio vetroso lucidato, un controelettrodo a striscia di feltro di grafite e un elettrodo di riferimento da 10 millimolari in nitrato d'argento e argento. Successivamente, sciogliere 52 milligrammi di PTIO e 0,87 grammi di esafluorofosfato di tetrabutilammonio in 1,1 grammi di acetonitrile. Aggiungere tre millilitri di questa soluzione al pallone per immergere le punte dei tre elettrodi.

Collegare gli elettrodi a una stazione di lavoro elettrochimica. Misura le curve di voltammetria ciclica nell'intervallo di tensione da meno 1,75 a 0,75 volt a una velocità di scansione di 100 millivolt al secondo. Il divario potenziale tra le due coppie redox è la tensione teorica della cella della batteria a flusso PTIO.

Per assemblare la cella di flusso, tagliare prima il feltro di grafite in un'area di uno per 10 centimetri quadrati usando una lama di rasoio. Allo stesso modo, tagliare un separatore poroso in un'area di tre per 12 centimetri quadrati e due guarnizioni, ciascuna con un foro di uno per 10 centimetri quadrati per accogliere i feltri di grafite. Asciugare le parti della batteria a flusso in un forno a vuoto a 70 gradi Celsius per una notte.

Il giorno successivo, sposta le parti nel vano portaoggetti e lasciale raffreddare alla temperatura ambiente. Assemblare la cella di flusso utilizzando una chiave dinamometrica, preimpostata a 125 pollici libbre. Quindi collegare i tubi di flusso dell'elettrolita alla cella di flusso.

Per eseguire il test della cella a flusso, sciogliere 1,05 grammi di PTIO e 3,60 grammi di TBAPF6 in 3,60 grammi di acetonitrile nella scatola a guanti. Quindi aggiungere quattro millilitri di soluzione a ciascun flaconcino di vetro. Far fluire gli elettroliti a 20 millilitri al minuto.

Collegare i collettori di corrente positiva e negativa della cella a flusso a una stazione di lavoro elettrochimica. Misurare la spettroscopia di impedenza elettrochimica della cella a flusso nell'intervallo di frequenza da 100 kiloHertz a un Hertz al potenziale a circuito aperto. I tagli di tensione di queste celle a flusso sono relativamente sensibili alla variazione di impedenza della cella e devono essere regolati al primo ciclo di ciascuna cella per evitare il sovraccarico.

Collegare i collettori di corrente positiva e negativa della cella di flusso al tester per batterie. Impostare interruzioni di tensione di 0,8 e 2,2 volt in una corrente costante di 20 milliampere per centimetro quadrato nel software di funzionamento a batteria. Caricare e scaricare ripetutamente la cella di flusso PTIO.

Preparare un campione di solvente acetonitrile, una soluzione elettrolitica di TBAPF6 1,0 molari e una soluzione elettrolitica PTIO 0,5 molare e TBAPF6 1,0 molari nella scatola a guanti. Poiché la carica delle specie PTIO è sensibile all'aria, è necessario utilizzare celle FTIR sigillabili per evitare il contatto con l'aria. Si consiglia un contenitore ermetico quando si trasporta la cella FTIR dal vano portaoggetti allo spettrometro FTIR.

Aggiungere un piccolo volume di ciascuna soluzione a una cella FTIR sigillabile con finestre di bromuro di potassio e una lunghezza del percorso di 0,2 millimetri. Sigillare la cella FTIR e metterla in un contenitore di stoccaggio e trasferirla fuori dalla scatola a guanti. Montare la cella FTIR su uno spettrometro e procedere alla raccolta dello spettro FTIR.

Quindi confrontare gli spettri FTIR acquisiti di acetonitrile, 1,0 molare TBAPF6 ed 0,5 molare PTIO, 1,0 molare TBAPF6 elettrolita. Quindi aggiungere 4,0 millilitri della soluzione PTIO 0,5 molare e TBAPF6 1,0 molare a ciascun flaconcino di vetro. Far fluire gli elettroliti a 20 millilitri al minuto.

Caricare completamente la cella di flusso fino a quando la tensione raggiunge i 2,2 volt. Quindi interrompere la carica nella pompa e raccogliere gli elettroliti positivi e negativi. Misurare gli spettri FTIR sia per gli elettroliti positivi che negativi come prima.

Confrontare i loro spettri FTIR con quelli della soluzione PTIO originale. Lavorando in una scatola a guanti, preparare una serie di soluzioni PTIO in TBAPF6 molare 1,0 in acetonitrile. Misurare e confrontare gli spettri FTIR di ciascuna delle soluzioni per ottenere la curva di calibrazione.

Per misurare lo stato di carica, assemblare prima un'altra cella a flusso. Aggiungere 11 millilitri della soluzione 0,5 molare PTIO e 1,0 molari di TBAPF6 in ciascun flaconcino di vetro. Far fluire gli elettroliti a 20 millilitri al minuto.

Caricare la cella di flusso a una corrente costante di 10 milliampere per centimetro quadrato. A vari tempi di carica, arrestare la carica della cella e il flusso dell'elettrolita e prelevare piccole aliquote degli elettroliti dalle fiale di vetro lato anolita e catolita prima di riprendere la cella. Infine, misurare e confrontare gli spettri FTIR delle cinque aliquote campione.

Le prestazioni elettrochimiche della cella a flusso PTIO sono mostrate qui. La cella PTIO mostra una tensione teorica di cella di 1,73 volt dalla voltammetria ciclica. Il ciclo a 20 milliampere per centro quadrato per la cella da 0,5 molari ha portato a un'efficienza coulombica media del 90%, un'efficienza voltaica del 67% e un'efficienza energetica del 60%Tuttavia, la cella a flusso ha mostrato un calo della capacità.

La fattibilità dell'utilizzo di FTIR per determinare il SOC è convalidata dal FTIR peaK a 1218 centimetri inversi. Qui, i solventi e il sale hanno un'interferenza minima con il PTIO. I tre stati di ossidazione del PTIO possono essere distinti l'uno dall'altro.

Il logaritmo dell'intensità di picco mostra una dipendenza lineare dalla concentrazione di PTIO e viene utilizzato come curva di calibrazione. La concentrazione PTIO e lo stato di carica di una cella a flusso PTIO a diversi intervalli di tempo durante la carica sono stati determinati mediante misurazioni FTIR. L'accuratezza della determinazione SOC basata su FTIR è convalidata in modo incrociato da misurazioni della risonanza di spin elettronico.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in otto ore se eseguita correttamente. Durante il tentativo di eseguire questa procedura è importante ricordare di evitare l'esposizione all'ossigeno o all'umidità dei campioni. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi, come la misurazione della FTIR in funzione del numero di ciclo, al fine di rispondere a ulteriori domande, come lo stato di salute e il degrado del materiale.

Dopo aver visto il video, dovresti avere una buona comprensione di come valutare le prestazioni elettrochimiche di una data chimica della batteria a flusso redox e come misurare il SOC delle batterie a flusso redox che utilizzano materiali redox sensibili alla FTIR.