Een protocol voor elektrochemische Evaluaties en State of Charge Diagnose van een Symmetric Organic Redox Flow Battery
13 februari 2017
We presenteren de protocollen voor elektrochemisch evalueren van een symmetrische niet-waterige organische redox flow accu en voor het diagnosticeren van de toestand van de lading met behulp van FTIR.
Het algemene doel van dit videoprotocol is om experimenteel de elektrochemische prestaties en Fourier-transform infrarood gebaseerde diagnostische meting van de toestandslading van een symmetrische, niet-waterige, PTIO-gebaseerde redox-flow batterij te demonstreren. Dus deze methode kan sleutelvragen in het veld van energieopslag in het netwerk beantwoorden, zoals hoe men ervoor kan zorgen dat de flow-batterij veilig en betrouwbaar werkt, vooral bij langdurige werking. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de toestandslading van de batterij kan worden bepaald door middel van eenvoudige, kosteneffectieve Fourier-transform infraroodspectroscopie die ook integreerbaar is voor realtime monitoring.
Over het algemeen zullen individuen die nieuw zijn in deze techniek worstelen omdat in flow-batterijen het oplosmiddel en de ondersteunende elektrolyten zeer sterke interferenties hebben tijdens de kwantificering van het elektroactieve materiaal. We hadden dit idee eerst toen we ontdekten dat PTIO een absorptiepiek heeft die onderscheidbaar is van het oplosmiddel en het zout en zich tussen de andere oxidatietoestanden bevindt. Alle elektrochemische tests, inclusief cyclische voltammetrie in flowcellen, worden uitgevoerd in een argon-gevulde handschoenenkast met water en zuurstofniveaus van minder dan één ppm.
Monteer de cyclische voltammetrie opstelling in een 25 milliliter, drie-hals, peervormige kolf, met een gepolijst glasachtig koolstof werkelektrode, een grafiet vilt strip tegenelektrode, en een zilver, zilvernitraat 10 millimolair referentie-elektrode. Los vervolgens 52 milligram PTIO en 0,87 gram tetrabutylammonium hexafluorfosfaat op in 1,1 gram acetonitril. Voeg drie milliliter van deze oplossing toe aan de kolf om de uiteinden van de drie elektroden te onderdompelen.
Verbind de elektroden met een elektrochemisch werkstation. Meet de cyclische voltammetriecurven in het spanningsbereik van min 1,75 tot 0,75 volt bij een scannelheid van 100 millivolt per seconde. Het potentiaalverschil tussen de twee redoxparen is de theoretische celspanning van de PTIO-flowbatterij.
Om de flowcel te monteren, snijd eerst het grafietvilt tot een oppervlakte van één bij 10 vierkante centimeter met behulp van een scheermesje. Snijd vervolgens een poreus scheidingsvlak tot een oppervlakte van drie bij 12 vierkante centimeter en twee pakkingen, elk met een gat van één bij 10 vierkante centimeter om de grafietvilten te plaatsen. Droog de flowbatterijonderdelen in een vacuümoven bij 70 graden Celsius een nacht lang.
De volgende dag verplaatst u de onderdelen naar de handschoenenkast en laat u ze afkoelen tot de omgevingstemperatuur. Monteer de flowcel met een koppelsleutel, vooraf ingesteld op 125 inch pond. Verbind vervolgens de elektrolytstroombuizen met de flowcel.
Om de flowceltest uit te voeren, lost u 1,05 gram PTIO en 3,60 gram TBAPF6 op in 3,60 gram acetonitril in de handschoenenkast. Voeg vervolgens vier milliliter van de oplossing toe aan elke glazen fles. Laat de elektrolyten stromen met 20 milliliter per minuut.
Verbind de positieve en negatieve stroomverzamelaars van de flowcel met een elektrochemisch werkstation. Meet de elektrochemische impedantiespectroscopie van de flowcel in het frequentiebereik van 100 kiloHertz tot één Hertz bij het open circuitpotentiaal. De spanningsafsluitingen van deze flowcellen zijn relatief gevoelig voor de cel-per-cel variatie van impedantie en moeten worden aangepast bij de allereerste cyclus van elke cel om overlading te voorkomen.
Verbind de positieve en negatieve stroomverzamelaars van de flowcel met de batterijtester. Stel spanningsafsluitingen in van 0,8 en 2,2 volt in een constante stroom van 20 milliampère per vierkante centimeter in de batterijbedieningssoftware. Laad en ontlaad de PTIO-flowcel herhaaldelijk.
Bereid een acetonitril-oplosmiddelmonster, een 1,0 molaar TBAPF6-elektrolytoplossing en een 0,5 molaar PTIO, 1,0 molaar TBAPF6-elektrolytoplossing voor in de handschoenenkast. Omdat de lading van PTIO-soorten gevoelig is voor lucht, moeten afsluitbare FTIR-cellen worden gebruikt om luchtcontact te voorkomen. Een luchtdichte container wordt aanbevolen bij het vervoer van de FTIR-cel uit de handschoenenkast naar de FTIR-spectrometer.
Voeg een kleine hoeveelheid van elke oplossing toe aan een afsluitbare FTIR-cel met kaliumbromide-vensters en een padlengte van 0,2 millimeter. Sluit de FTIR-cel af en plaats de FTIR-cel in een opbergcontainer en breng deze over uit de handschoenenkast. Monteer de FTIR-cel op een spectrometer en ga door met het verzamelen van het FTIR-spectrum.
Vergelijk vervolgens de verkregen FTIR-spectra van acetonitril, 1,0 molaar TBAPF6 en 0,5 molaar PTIO, 1,0 molaar TBAPF6-elektrolyt. Voeg vervolgens 4,0 milliliter van de 0,5 molaar PTIO, 1,0 molaar TBAPF6-oplossing toe aan elke glazen fles. Laat de elektrolyten stromen met 20 milliliter per minuut.
Laad de flowcel volledig op totdat de spanning 2,2 volt bereikt. Stop vervolgens het laden in de pomp en verzamel de positieve en negatieve elektrolyten. Meet de FTIR-spectra voor zowel de positieve als negatieve elektrolyten zoals eerder.
Vergelijk hun FTIR-spectra met die van de oorspronkelijke PTIO-oplossing. Bereid werkend in een handschoenenkast een reeks PTIO-oplossingen in 1,0 molaar TBAPF6 in acetonitril. Meet en vergelijk de FTIR-spectra van elk van de oplossingen om de kalibratiecurve te verkrijgen.
Om de toestandslading te meten, monteert u eerst een andere flowcel. Voeg 11 milliliter van de 0,5 molaar PTIO, 1,0 molaar TBAPF6-oplossing toe aan elke glazen fles. Laat de elektrolyten stromen met 20 milliliter per minuut.
Laad de flowcel met een constante stroom van 10 milliampère per vierkante centimeter. Bij verschillende laadtijden stopt u het celladen en de elektrolytstroom en neemt u kleine aliquoten van de elektrolyten uit de anolyte en katholytzijde glazen flessen voor
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit videoprotocol toont de elektrochemische prestaties en de diagnose van de laadtoestand van een symmetrische, niet-waterige redox-flowbatterij met behulp van Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR). De methode beantwoordt sleutelvragen in netenergieopslag, met een focus op de veilige en betrouwbare langetermijnwerking van flowbatterijen.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Elektrochemie
- Energieopslag
- Batterijtechnologie
Achtergrond
- Flowbatterijen zijn cruciaal voor netenergieopslag.
- Het bepalen van de laadtoestand is essentieel voor batterijbeheer.
- PTIO vertoont een onderscheidbare absorptiepiek, die helpt bij diagnose.
- Interferenties van oplosmiddelen en elektrolyten bemoeilijken kwantificering.
Doel van de studie
- Om de elektrochemische prestaties van een redox-flowbatterij te evalueren.
- Om een betrouwbare methode voor diagnose van de laadtoestand te ontwikkelen.
- Om veilige en effectieve langetermijnwerking van flowbatterijen te waarborgen.
Gebruikte methoden
- Elektrochemische tests inclusief cyclische voltammetrie.
- Fourier-transform infraroodspectroscopie voor diagnose van de laadtoestand.
- Experimenten uitgevoerd in een met argon gevulde handschoenenkast.
- Bewaking van water- en zuurstofniveaus onder één ppm.
Belangrijkste resultaten
- FTIR onderscheidt met succes PTIO van interferenties van oplosmiddelen en zouten.
- Betrouwbare bepaling van de laadtoestand werd aangetoond.
- Toonde de haalbaarheid van real-time monitoring.
- Valideerde de methode door verschillende elektrochemische tests.
Conclusies
- De methode biedt een kosteneffectieve oplossing voor batterijdiagnose.
- Het verbetert de veiligheid en betrouwbaarheid van de werking van flowbatterijen.
- Toekomstige toepassingen kunnen real-time monitoring in energiesystemen omvatten.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
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.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of redox-active material behavior under operational conditions, supporting target validation through direct observation of electrochemical state changes.
- Operational Value: Provides a standardized method to distinguish target signals from solvent and electrolyte interferences, improving assay specificity in energy storage systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of validated electroactive systems for downstream screening by establishing concentration-dependent FTIR response curves.
- Operational Value: Enables assay standardization and reproducibility through sealed FTIR cells that prevent atmospheric degradation during transfer and measurement.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by enabling continuous monitoring of redox species during charge/discharge cycles, mirroring dynamic biological systems.
- Operational Value: Ensures translational continuity by cross-validating FTIR-based state-of-charge measurements with orthogonal techniques like electron spin resonance.
Pipeline & Workflow Integration
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.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by clarifying redox pathways and oxidation state transitions of PTIO during battery cycling.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible measurements of electroactive concentration, enabling reliable compound and material evaluation.
- Analytics: Provides linear calibration curves from FTIR peak intensity, allowing precise state-of-charge determination at defined time intervals.
- Translational Research: Connects electrochemical performance to real-time monitoring capability, supporting progression from lab-scale to system-level validation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable diagnostic platform applicable across non-aqueous flow battery formulations for consistent state-of-charge tracking.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by enabling real-time, interference-corrected monitoring of redox state changes.
- Operational Value: Enhances reproducibility and scalability through glove-compatible, sealed FTIR sampling and standardized flow cell protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing late-stage failure risk through early detection of capacity fading and state-of-charge inaccuracies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of energy storage technologies based on validated diagnostic reliability and operational safety.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrochemistry and spectroscopic analysis within inert environments.
- Necessitates argon-filled glove box with sub-ppm water and oxygen control for sample integrity.
- Demands sealed FTIR cells with potassium bromide windows to prevent atmospheric degradation during transfer.
- Involves flow cell assembly with precise torque application and electrolyte flow rate control at 20 mL/min.
- Limited by PTIO’s air sensitivity, requiring strict exclusion of moisture and oxygen during all handling steps.
