2017년 2월 13일
우리는 전기 대칭 비 수성 유기 독스 흐름 전지 평가 및 FTIR을 사용하여 충전 상태를 진단하기위한 프로토콜을 제시한다.
이 비디오 프로토콜의 전반적인 목표는 대칭, 비수성, PTIO 기반 산화 환원 흐름 배터리의 전기화학적 성능 및 푸리에 변환 적외선 기반 충전 상태 진단을 실험적으로 시연하는 것입니다. 따라서 이 방법은 특히 장기 운영에서 플로우 배터리가 안전하고 안정적으로 작동하는지 확인할 수 있는 방법과 같은 그리드 에너지 저장 분야의 주요 질문에 답할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 실시간 모니터링을 위해 통합할 수 있는 간단하고 비용 효율적인 푸리에 변환 적외선 분광법을 통해 배터리의 충전 상태를 결정할 수 있다는 것입니다.
일반적으로 이 기술을 처음 접하는 개인은 플로우 배터리에서 용제 및 지지 전해질이 전기 활성 물질의 정량화 중에 매우 강한 간섭을 갖기 때문에 어려움을 겪을 것입니다. PTIO가 용매 및 염과 구별되는 흡수 피크를 가지고 있으며 다른 산화 상태 중 하나라는 것을 발견했을 때 이 아이디어를 처음 떠올렸습니다. 플로우 셀의 순환 전압 전류법을 포함한 모든 전기 화학 테스트는 물과 산소 수치가 1ppm 미만인 아르곤으로 채워진 글로브 박스에서 수행됩니다.
광택이 나는 유리 탄소 작업 전극, 흑연 펠트 스트립 카운터 전극 및 은, 질산은 10밀리몰 기준 전극을 사용하여 25ml, 3목, 배 모양의 플라스크에 순환 전압주사법 설정을 조립합니다. 다음으로, PTIO 52mg과 테트라부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트 0.87g을 아세토니트릴 1.1g에 용해시킵니다. 이 용액 3ml를 플라스크에 첨가하여 세 전극의 끝을 담그십시오.
전극을 전기화학 작업 스테이션에 연결합니다. 초당 100밀리볼트의 스캔 속도에서 마이너스 1.75-0.75볼트의 전압 범위에서 순환 전압주사율 곡선을 측정합니다. 두 산화 환원 쌍 사이의 전위 갭은 PTIO 플로우 배터리의 이론적인 셀 전압입니다.
플로우 셀을 조립하려면 먼저 면도날을 사용하여 흑연 펠트를 1 x 10 평방 센티미터의 크기로 자릅니다. 마찬가지로, 다공성 분리기를 3 x 12 평방 센티미터의 면적과 2 개의 개스킷으로 자르고, 각각 흑연 펠트를 수용하기 위해 1 x 10 평방 센티미터의 구멍이 있습니다. 플로우 배터리 부품을 섭씨 70도의 진공 오븐에서 밤새 건조시킵니다.
다음날 부품을 글로브 박스로 옮기고 주변 온도로 식히십시오. 125인치 파운드로 사전 설정된 토크 렌치를 사용하여 플로우 셀을 조립합니다. 그런 다음 전해질 흐름 튜브를 플로우 셀에 연결합니다.
플로우 셀 테스트를 수행하려면 글로브 박스에서 PTIO 1.05g과 TBAPF6 3.60g을 아세토니트릴 3.60g에 용해시킵니다. 그런 다음 각 유리 바이알에 용액 4ml를 추가합니다. 전해질을 분당 20밀리리터로 흘려보냅니다.
플로우 셀(flow cell)의 포지티브 및 네거티브 집진기를 전기화학 워크 스테이션에 연결합니다. 개방 회로 전위에서 100 kiloHertz에서 1 Hertz까지의 주파수 범위에서 플로우 셀의 전기화학적 임피던스 분광법을 측정합니다. 이러한 플로우 셀의 전압 차단은 임피던스의 셀 변화에 따라 셀에 상대적으로 민감하며 과충전을 방지하기 위해 각 셀의 첫 번째 주기에서 조정해야 합니다.
플로우 셀의 양극 및 음극 집전기를 배터리 테스터에 연결합니다. 배터리 작동 소프트웨어에서 제곱센티미터당 0.8밀리암페어의 정전류에서 2.2 및 20볼트의 전압 차단을 설정합니다. PTIO 플로우 셀을 반복적으로 충전 및 방전합니다.
글로브 박스에 아세토니트릴 용매 샘플, 1.0몰 TBAPF6 전해질 용액 및 0.5몰 PTIO, 1.0몰 TBAPF6 전해질 용액을 준비합니다. PTIO 종의 전하는 공기에 민감하기 때문에 공기 접촉을 피하기 위해 밀봉 가능한 FTIR 셀을 사용해야 합니다. FTIR 세포를 글로브 박스에서 FTIR 분광계로 운반할 때는 밀폐 용기를 사용하는 것이 좋습니다.
소량의 각 용액을 브롬화칼륨 창과 0.2mm의 경로 길이가 있는 밀봉 가능한 FTIR 셀에 추가합니다. FTIR 셀을 밀봉하고 FTIR 셀을 보관 용기에 넣고 글로브 박스 밖으로 옮깁니다. FTIR 셀을 분광계에 장착하고 FTIR 스펙트럼 수집을 진행합니다.
그런 다음 아세토니트릴, 1.0몰 TBAPF6 및 0.5몰 PTIO, 1.0몰 TBAPF6 전해질의 획득된 FTIR 스펙트럼을 비교합니다. 다음으로 각 유리 바이알에 0.5몰 PTIO, 1.0몰 TBAPF6 용액 4.0ml를 추가합니다. 전해질을 분당 20밀리리터로 흘려보냅니다.
전압이 2.2V에 도달할 때까지 플로우 셀을 완전히 충전하십시오. 그런 다음 펌프의 충전을 중지하고 양극 및 음극 전해질을 수집합니다. 이전과 같이 양성 전해질과 음극 전해질 모두에 대한 FTIR 스펙트럼을 측정합니다.
FTIR 스펙트럼을 원래 PTIO 솔루션의 스펙트럼과 비교해 보십시오. 글로브 박스에서 작업하면서 아세토니트릴의 1.0몰 TBAPF6에 일련의 PTIO 용액을 준비합니다. 각 용액의 FTIR 스펙트럼을 측정하고 비교하여 검량선을 얻습니다.
충전 상태를 측정하려면 먼저 다른 플로우 셀을 조립합니다. 각 유리 바이알에 0.5몰 PTIO, 1.0몰 TBAPF6 용액 11ml를 추가합니다. 전해질을 분당 20밀리리터로 흘려보냅니다.
flow cell을 제곱센티미터당 10밀리암페어의 일정한 전류로 충전합니다. 다양한 충전 시간에서 세포 전하와 전해질 흐름을 중지하고 세포를 다시 시작하기 전에 양극액 및 음극액 측면 유리 바이알에서 전해질의 작은 부분 표본을 취합니다. 마지막으로, 5개 샘플 분취량의 FTIR 스펙트럼을 측정하고 비교합니다.
PTIO 플로우 셀의 전기화학적 성능은 다음과 같습니다. PTIO 셀은 순환 전압주사법에서 1.73V의 이론적인 셀 전압을 보여줍니다. 0.5 몰 셀에 대해 제곱 센터당 20밀리암페어에서 사이클링하면 평균 쿨롱 효율은 90%, 볼타 효율은 67%, 에너지 효율은 60%였지만 플로우 셀은 용량이 희미해졌습니다.
FTIR을 사용하여 SOC를 결정할 수 있는 타당성은 1218 역 센티미터에서 FTIR peaK에 의해 검증됩니다. 여기서 용제와 염은 PTIO에 대한 간섭을 최소화합니다. PTIO의 세 가지 산화 상태는 서로 구별할 수 있습니다.
피크 intensity의 로그는 PTIO 농도에 대한 선형 의존성을 나타내며 검량선으로 사용됩니다. 충전 중 여러 시간 간격으로 PTIO 플로우 셀의 PTIO 농도 및 충전 상태는 FTIR 측정에 의해 결정되었습니다. FTIR 기반 SOC 측정의 정확도는 전자 스핀 공명 측정에 의해 교차 검증됩니다.
이 기술을 한 번 숙달하면 제대로 수행한다면 8시간 안에 완료할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 샘플에 대한 산소 또는 수분 노출을 피해야 한다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 이 절차에 따라 FTIR을 사이클 수의 함수로 측정하는 것과 같은 다른 방법을 수행하여 상태 및 재료의 열화와 같은 추가 질문에 답할 수 있습니다.
동영상을 시청한 후에는 주어진 산화 환원 흐름 배터리 화학의 전기화학적 성능을 평가하는 방법과 FTIR에 민감한 산화 환원 재료를 사용하는 산화 환원 흐름 배터리의 SOC를 측정하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
전체 스크립트를 보고 수천 개의 과학 동영상에 액세스하세요
이 비디오 프로토콜은 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 사용하여 대칭, 비수성 산화환원 흐름 배터리의 전기화학적 성능 및 충전 상태 진단을 시연합니다. 이 방법은 흐름 배터리의 장기적인 안전하고 신뢰할 수 있는 작동에 중점을 두며 그리드 에너지 저장의 주요 질문에 대한 해답을 제공합니다.
This protocol enables reliable state-of-charge monitoring for non-aqueous redox flow batteries, addressing critical grid energy storage challenges related to long-term operational safety and performance predictability. By leveraging FTIR spectroscopy for real-time diagnostics, it supports mechanistic de-risking of emerging battery chemistries and informs go/no-go decisions in energy storage technology portfolios. The approach enhances translational continuity from materials discovery to system-level validation, reducing uncertainty in stationary energy storage applications.
The method integrates into the discovery continuum by enabling hypothesis testing of redox mechanisms, supporting assay readiness through quantitative FTIR outputs, and informing analytics-driven decisions via state-of-charge tracking across operational timelines.