방법 논문

전기 평가 및 대칭 유기 산화 환원 흐름 배터리의 충전 진단의 상태에 대한 프로토콜

DOI:

10.3791/55171

⸱

2017년 2월 13일

 ,  ,  ,  , 
1Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), 2Energy & Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Earth & Biological Systems Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 4Physical & Computational Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

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우리는 전기 대칭 비 수성 유기 독스 흐름 전지 평가 및 FTIR을 사용하여 충전 상태를 진단하기위한 프로토콜을 제시한다.

초록

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레 독스 흐름 전지는 신 재생 에너지 기술 전력망 및 배포의 신뢰성을 향상시키기위한 가장 유망한 고정식 에너지 ​​저장 솔루션의 하나로 간주되고있다. 많은 유동 화학 전지 중에서, 비수 흐름 배터리 때문에 비수 전해질 좁은 전압 윈도우의 고 에너지 밀도를 달성 할 수있는 잠재력을 가지고있다. 그러나, 중요한 기술적 장애물은 이들 제한을 해결하기위한 시도 등이 낮은 산화 환원 농도, 낮은 동작 전류 언더 탐구 배터리 상태 모니터링로서의 잠재력을 보여 비수 흐름 전지 제한 존재 우리는 최근에보고했다 높은 가용성, 산화 환원 활성 유기 nitronyl의 질산화물 라디칼 화합물에 대하여 비수 흐름 전지, 2- 페닐 4,4,5,5- tetramethylimidazoline -1- 옥실 -3- 옥사이드 (PTIO). 이 산화 환원 물질은 모두 애노드 액 역할을 할 수 따라서 양극성 전기 화학적 특성을 전시하고,E 및 음극 산화 환원 물질은 대칭 유동 화학 전지를 형성한다. 또한, 우리는 푸리에 PTIO 흐름 전지 사이클링 동안 PTIO 농도를 측정 할 수있는 적외선 (FTIR) 분광기를 변환 및 전자 스핀 공명 (ESR) 측정에 의해 교차 - 검증으로, 전하 (SOC)의 배터리 상태를 합리적으로 정확한 검출을 제공하는 것을 증명 . 여기서 우리는 PTIO 대칭 유동 가능한 전지의 전기 화학적 평가 SOC 진단 영상 프로토콜을 제시한다. 상세한 설명과 함께, 우리는 실험적으로 이러한 목적을 달성하는 경로를 보여 주었다. 이 프로토콜은 비수 독스 흐름 전지 분야의 안전성 및 신뢰성에 대한 관심사와 통계를 촉발하는 것을 목적으로한다.

서론

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산화 환원는 외부 저장소에 포함되어 전기 화학 반응을 완료하기 위해 내부 전극으로 펌핑되는 액체 전해질에 배터리를 저장하는 에너지 흐름. 저장된 에너지와 전력 따라서 뛰어난 설계 유연성, 확장 성 및 모듈 선도 분리 할 수 ​​있습니다. 이러한 장점은 그리드 자산 활용 및 효율성을 증가, 에너지 복원력과 보안을 개선, 깨끗한 아직 간헐적 신 재생 에너지 통합을위한 고정 에너지 저장 애플리케이션에 적합 흐름 배터리를 확인합니다. 1, 2, 3, 전통적인 수성 흐름 전지는 물의 전기 분해를 방지하기 때문에 주로 좁은 전압 윈도우에 한정된 에너지 밀도 겪는다. 4, 5, 6, 7, 8, 반대로, 비 aque흐름 전지 기반의 OU 전해질 폭넓게 높은 전지 전압과 높은 에너지 밀도를 달성하기위한 잠재 성을 추구하고있다. 이러한 노력 9, 10, 유동 배터리 화학 다양한 금속 배위 화합물, 11, 12은 모두 유기, 13, 14, 산화 환원 활성 폴리머 (15)와, 리튬 복합 유동 시스템을 포함하여, 검토되고있다. 16, 17, 18, 19

그러나, 비 수성 흐름 전지의 전위가 아직 완전히 인해 유동 배터리 관련 조건 하에서 한정된 시연의 주요 기술적 병목 입증되어야한다. 이는 병목 밀접 성능 제한 요소의 수와 관련된다. 먼저,대부분의 전기 활성 물질의 용해도가 작은 비수 유동 세포에 의해 낮은 에너지 밀도를 전달 리드. 둘째, 비 수성 흐름 전지의 속도 기능은 크게 관련 독스 농도에서 높은 전해질 점도 저항에 의해 제한된다. 세 번째 요소는 고성능 멤브레인의 부족이다. 피온 세라믹 막은, 비수 전해질 낮은 이온 전도도를 나타낸다. 다공성 분리기 때문에 비교적 큰 공경 상당한 자기 방전을 흉 플로우 셀 성능을 입증하지만 고생했다. (14) (20) 일반적으로, 양극과 음극의 산화 환원 물질을 모두 포함하는 혼합 반응물 전해질 (1 : 1 비율) 그러나 일반적으로 절반 유효 독스 농도를 희생 산화 환원 물질 크로스 오버를 감소시키기 위해 사용된다. 상기 병목 현상을 극복 (14), (21)는 이잖아요 개선이 필요IALS 발견 전지 화학 설계 및 플로우 셀 아키텍처는 배터리 관련 사이클을 달성한다.

배터리 상태 모니터링은 안정적인 운영을위한 본질적으로 중요하다. 오프 정상 배터리 성능, 심지어 배터리 고장으로 피해가 발생할 수 있습니다 과충전, 가스 방출 및 재료의 열화를 포함하여 조건. 특히 배터리 물질을 다량 포함하는 대규모 흐름 전지를 들어, 이들 인자는 심각한 안전 문제 및 투자 손실을 일으킬 수있다. 충전 또는 유동 전지의 방전의 깊이를 설명 충전 (SOC)의 상태가 중요한 배터리 상태 파라미터들 중 하나이다. 그들이 위협하는 수준에 도달하기 전에 적시 SOC 모니터링은 잠재적 인 위험을 감지 할 수 있습니다. 그러나,이 영역은 특히 비수 흐름 전지에서 원경 아래에서 어드레싱 될 것으로 보인다. 자외선 - 가시 광선 (UV-힘) 분광법 및 전해질 전도도 측정이 수성 흐름 축전지에서 평가 된 같은 Spectrophotoscopic 방법 SOC 결정을위한 공예. 22, 23, 24

우리는 최근 새로운 양극성 산화 환원 물질에 기초한 신규 한 대칭 비수 흐름 전지 설계를 도입 한 2- 페닐 4,4,5,5- tetramethylimidazoline -1- 옥실 -3- 옥사이드 (PTIO). 흐름 (25)이 전지는 비수 흐름 전지의 상술 한 과제를 해결하기위한 가능성을 보유하고있다. 먼저 PTIO는 높은 에너지 밀도를 사용하도록 약속하고 아세토 니트릴 배터리 용매 (MeCN 중)에서 높은 용해도 (2.6 M)를 갖는다. 둘째, PTIO 적당히 자체 대칭 화학 전지를 형성 할 수있다, 따라서 분리 된 두 개의 가역적 산화 환원 쌍을 나타낸다. 우리는 또한 FTIR 스펙트럼에서 구별 PTIO 피크가 ESR 결과가 교차 검증 같이, SOC의 측정을 광학적으로 인도하는 유동 셀 내의 미 반응 PTIO의 농도와 상관 될 수 있음을 증명하고있다.아가씨 = "외부 참조"> (26)는 여기에서 우리는 전기 화학적 평가하고 PTIO 대칭 흐름 전지의 FTIR 기반 SOC 진단을위한 절차를 자세히 설명하는 프로토콜을 제시한다. 이 작업은 특히 실제 그리드 애플리케이션에 장기 흐름 전지 작동시의 안전성과 신뢰성을 유지하는데 더 많은 통계를 트리거 할 것으로 예상된다.

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프로토콜

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모든 용액 제제, 순환 전압 전류 (CV) 실험을 셀 어셈블리와 테스트는 1ppm 미만의 물 및 O 2 레벨 아르곤 충진 글로브 박스에서 수행 하였다 흐름 참고.

PTIO 흐름 세포의 1. 전기 평가

  1. CV 테스트
    1. 탈 이온수로 세척하여 0.05 ㎛의 감마 알루미나 분말 유리상 탄소 전극을 연마 밤새 실온에서 진공을에 넣고, 글로브 박스에 옮긴다.
    2. 즉을 MeCN (5 mL)을 글로브 박스에, 실버 나이트 레이트 (8.5 mg)을 녹이고, 10 mM의 3을 AGNO. 실버 / 질산은 기준 전극의 유리관에 용액을 첨가.
    3. 유리상 탄소 작동 전극을 조립 흑연 스트립 대극 펠트, 및 25 mL의 3 구 플라스크에 배 모양의은 / 질산은 기준 전극.
    4. PTIO (52 mg) 및 테트라 부틸 암모늄 hexaf을 녹여즉을 MeCN (1.10 g)에 luorophosphate (TBAPF 6, 0.87 g), 0.1 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. 세 개의 전극의 끝 잠수함하는 플라스크에 솔루션을 추가합니다.
    5. 전기 워크 스테이션에 전극을 연결합니다. 100 mV / s의 주사 속도 -1.75-0.75 V의 전압 범위에서 CV 곡선을 측정한다. 두 레 독스 쌍 사이의 전위 차이에 의해 PTIO 흐름 전지의 이론적 셀 전압을 결정한다.
      주 : Ag / Ag + 기준 전극 구성이 본질적으로 의사 - 기준 전극 인 것을 주목해야한다. 그 결과, 산화 환원 피크가 장기 CV 측정시 이동 것이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 이동은 통상적으로 산화 환원 쌍 사이의 전압 차이에 부주의 영향력을 가지며, 상기 셀 전압 값에 영향을 미치지 않을 것이다.
  2. 셀 조립 흐름
    1. 면도날을 사용하여 1 × 10cm (2)의 영역에 흑연 펠트를 잘라. 마찬가지로, 다공성 9월를 잘라3 × 12cm 2의 영역에 arator.
    2. 밤새 70 ℃에서 진공 오븐에서 유동 배터리 부 (셀 구획 튜빙 5 ㎖ 유리 튜브, 흑연 펠트, 다공성 분리기)를 건조 글러브 박스로 이동하고, 환경 온도까지 냉각.
    3. 단부 판, 동판 집, 하프 셀의 순서로 플로우 셀의 부품을 조립하는 흑연 가스켓 다공성 분리막 펠트 흑연은 반쪽 전지, 구리판 집전 장치, 및 펠트 엔드 플레이트. 토크 렌치 125 인치 파운드의 프리 세트를 이용하여 상기 두 단부 판에 대해 여덟 나사 볼트로 고정 조립체. 흐름 셀에 전해질 흐름 호스를 연결합니다. 셀 어셈블리는도 1에 도시되어있다.
  3. 대칭 전기 화학의 데모
    1. 1.2 절에 따라 유동 셀을 조립합니다. 고무 장갑에 PTIO (10 ㎎)을 MeCN와 TBAPF 6 (3.3 g) (4.4 g)을 녹이고전자 상자, 즉, 5.0 mM의 PTIO / 1.0 M TBAPF 6. 두 개의 유리 병의 각 솔루션의 4 ML을 추가합니다. 20 ㎖ / 분의 유속으로 연동 펌프를 사용하여 흐르도록 전해질 펌프.
    2. 배터리 테스터 플로우 셀의 양극 및 음극 집 전체를 연결한다. 전압까지 5mA / ㎠의 정전류 밀도로 플로우 셀 충전 1.9 V.는 충전 정지 이르렀다. 유리 병에 전해질을 펌프.
    3. 별도의 유리 병에 1 mL의 부정적인 전해질 1 mL의 긍정적 인 전해질을 섞는다. 원래, 긍정적 인 음과 혼합 : 이제 네 전해질이 있습니다.
    4. 위의 네 가지 전해질의 전자 스핀 공명 (ESR) 스펙트럼을 측정한다. (25)
      1. 튜브를 밀봉으로 양단 소량 PTFE 튜브의 양 및 음의 (~ 10 μL) (1/16 "OD와 1/32"ID)를 밀봉 한 다음, (석영 ESR 튜브 (4)를 밀봉 mm 직경).
      2. 마이크로 웨이브 주파수 ~ 9.85 GHz의 (X 밴드)와 함께 SHQE 공진기가 장착 ESR 분석기로 ESR 튜브를 탑재합니다.
      3. 1.3.3 절에서 4 개의 전해질의 ESR 스펙트럼을 수집합니다.
  4. 흐름 전지 테스트
    1. 1.2 절 다음 플로우 셀을 조립합니다.
    2. 즉 PTIO (1.05 g) 및 글러브 박스에서을 MeCN와 TBAPF 6 (3.50 g) (3.60 g), 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6 녹인다. 각 유리 병에 용액 4 mL를 넣고. / 분 20 ㎖에 전해질 흐름.
    3. 전기 화학 워크 스테이션 플로우 셀의 양극 및 음극 집 전체를 연결한다. 개방 회로 전위에서 100 kHz에서 Hz에서 1까지의 주파수 범위에서의 플로우 셀의 임피던스를 측정한다. 플로우 셀의 활성 면적 옴 저항 (고주파 임피던스)를 곱하여 면적 비저항 (ASR)을 계산한다.
    4. 양극과 음극 전류 COL 연결배터리 테스터의 플로우 셀의 lectors. 0.8 및 2.2 V의 전압 단절 및 20mA의 cm의 정전류 -2 배터리 작동 소프트웨어를 설치합니다. 반복 충전 /를 PTIO 흐름 전지를 방전 시키십시오.

2. FTIR 기반 SOC 결정

  1. FTIR의 타당성 검증
    1. 글러브 박스에서 다음 세 가지 전해질 용액을 제조한다 : (a)을 MeCN (0.50 g); 예를 MeCN (0.30 g)와 (b) TBAPF 6 (0.23 g), 1.0 M TBAPF 6; (다) PTIO (75 ㎎), 즉을 MeCN (0.26 g)와 TBAPF 6 (0.25 g), 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6.
    2. 세 가지 전해질 용액에 대한 FTIR을 측정합니다.
      1. KBr을 창문 밀봉 FTIR 셀 0.2 mm의 경로 길이의 각 용액의 소량 (~ 0.05 ml)에 추가한다. FTIR 셀을 밀봉합니다.
      2. 저장 용기에 FTIR 셀을 넣고 글로브 박스 밖으로 전송합니다.
      3. 빠르게 MOU 체결분광기로 FTIR 셀을 NT 및 FTIR 스펙트럼을 수집합니다.
    3. 1.2 절 다음 플로우 셀을 조립합니다.
    4. 즉 PTIO (1.05 g) 및 글러브 박스에서을 MeCN와 TBAPF 6 (3.50 g) (3.60 g), 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6 녹인다. 각 유리 병에 용액 4 mL를 넣고. / 분 20 ㎖에 전해질 흐름.
    5. 전압이 2.2 (V)는 충전 펌프를 중지 될 때까지 어느 정도의 플로우 셀을 부과.
    6. 섹션 2.1.2의 절차에 따라 각각 양극 및 음극 전해질 모두에 대한 FTIR 스펙트럼을 측정한다.
    7. 표 1의 조성물로 글로브 박스 내에서 MeCN 중 1.0 M TBAPF 6 PTIO 용액 (0.05 ~ 0.5 M)의 시리즈를 준비한다.
    8. 섹션 2.1.2의 절차에 따라, 섹션 2.1.6에서의 용액의 각각에 대한 FTIR 스펙트럼을 측정한다.
  2. SOC의 FTIR 측정
    1. FO 흐름 셀을 조립llowing 섹션 1.2.
    2. PTIO (2.9 g) 및 예을 MeCN (9.8 g) 글러브 박스에 함께 TBAPF 6 (9.6 g), 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6 녹인다. 두 개의 유리 병에 각각 용액의 11 mL를 넣고. / 분 20 ㎖에 전해질 흐름.
    3. 20 ㎖ / 분의 유속에서 10mA / ㎠의 정전류로 플로우 셀 충전.
    4. 0, 18, 36, 54, 72 분의 충전시에, 셀의 충전 및 전해질 유동을 중지 양극 및 음극 측 유리 바이알에서 전해질 작은 분취 량 (0.2 ml)로 촬영 한 다음 셀을 재개.
    5. 섹션 2.1.2의 절차에 따라, 전술 한 다섯 시료 분취 액에 대한 FTIR 스펙트럼을 측정한다.
    6. 섹션 1.3.4의 절차에 따라, 전술 한 다섯 시료 분취위한 ESR 스펙트럼을 측정한다.

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결과

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대칭 PTIO 흐름 전지 시스템의 독특한 장점은 매우 PTIO, 유기 질산화물 라디칼 화합물의 전기 화학적 특성에 기인한다. (도 2a) - PTIO는 PTIO + 및 PTIO을 형성하는 전기 불균등 화 반응을 겪을 수있다. 이 두 레 독스 쌍은 적당히 ~의 전압 차이에 의해 분리된다 1.7 V (도 2b)과 대칭 전지 화학 양 양극 액 및 음극 액의 산화 환원 물질로서 사용될 수있다. 산화 환원 물질로서 사용 PTIO 믹스 반응물 전해질에 대한 필요성을 제거하고 고효율 독스 농도를 활성화 할 수있다.

PTIO + 및 PTIO 간의 반응 - PTIO +과 혼합 한 후 PTIO PTIO의 ESR 신호의 복...

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토론

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우리는 이전에 입증 된 바와 같이, 25 FTIR 비 침습적 PTIO 흐름 배터리의 SOC를 검출 할 수있다. 진단 도구로서 FTIR 때문에 쉬운 접근성, 빠른 응답 속도, 낮은 비용, 작은 공간이 요구 온라인 혼입없이 검출기 채도 및 유동 배터리 동작 동안에 분자 진화를 조사 구조 정보를 상관하는 능력을위한 설비에 특히 유리하다. 도 3E는 안전 작업에 대한 실시간 모니터링 SOC 가능 온라인 FTIR 센서 통합 제안 흐름 전지 장치를 도시한다.

더 전기 평가 FTIR SOC 기반 진단을위한 프로토콜을 구현하기 위해 공기가없는 환경에서 실질적으로 중요하다; 그렇지 않으면, 충전 상태에서의 산화 - 환원 종 O 2 수분 재료 열화 부정확 SOC 측정 선도와 반응한다. 엄밀히 밀봉 FTIR 세포를해야합니다전해질과 공기의 접촉을 피하기 위해 사용. 이 기술은 FTIR에 민감한 산화 환원 ...

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공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작품은 재정적으로 에너지 저장 연구 공동 센터 (JCESR), 에너지, 과학의 사무실, 기초 에너지 과학의 미 교육부 재정 지원 '에너지 혁신 허브에 의해 지원되었다. 저자는 원래이 연구 (게시 재료 화학 A (화학 저널의 왕립 학회)의 저널을 인정 http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b을 ). PNNL 계약 DE-AC05-76RL01830 하에서 DOE위한 바텔 의해 운영되는 다중 프로그램 국립 연구소이다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
PTIOTCI AmericaA5440>98.0%
Tetrabutylammonium hexafluorophosphateSigma-Aldrich86879전기화학 등급, ≥ 99.0%
MeCNBASF50325685배터리 등급
질산은시그마-알드리치20439099.9999% 미량 금속 기준
감마 알루미나 분말CH InstrumentsCHI120
흑연 펠트SGLGFD3진공 건조 70°°C; C : 24 h
다공성 분리기DaramicAA80070°C에서 진공 건조; C 24시간
배터리 테스터Wuhan LAND electronics Co., Ltd.Lanhe1 전류 범위
전기 화학 워크 스테이션Solartron 분석ModuLab
글러브 박스MBRAUNLabmaster SP산소 및 수위 < 1ppm
ESR 분광계Bruker 엘렉시스 580 2mW 전력에서 마이크로파 주파수 ~9.85GHz(X 대역)의 SHQE 공진기 장착, 100kHz 전계 변조

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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