Przedstawiono protokół do badania wieloelektronowych systemów baterii metalowo-powietrznych przy użyciu poprzedniej technologii opracowanej dla ogniwa cynkowo-powietrznego. Następnie przeprowadza się testy elektrochemiczne na wyprodukowanych akumulatorach w celu oceny wydajności.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Produkcja ogniw VB2/Air do badań elektrochemicznych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Zaproponowano i zaprezentowano technikę badania właściwości i wydajności nowych wieloelektronowych systemów baterii metalowo-powietrznych. Przedstawiono metodę syntezy nanoskopowego VB2 oraz procedurę krok po kroku nakładania powłoki z tlenku cyrkonu na cząstki VB2 w celu stabilizacji po rozładowaniu. Przedstawiono proces demontażu istniejących ogniw cynkowo-powietrznych, a także budowę nowej elektrody roboczej w celu zastąpienia konwencjonalnej anody ogniwa cynkowo-powietrznego nanoskopową anodą VB2. Na koniec zgłaszane jest rozładowanie gotowego akumulatora VB2/air. Pokazujemy, że użycie ogniwa cynkowo-powietrznego jako stanowiska testowego jest przydatne do zapewnienia spójnej konfiguracji do badania wydajności wysokoenergetycznej nanoskopowej anody VB2 o dużej pojemności.
Wprowadzenie
Diborek wanadu jako anoda ma jedną z najwyższych objętościowych pojemności ładunkowych spośród wszystkich materiałów anodowych. Protokół ten wprowadza metodę badania tego fascynującego materiału. Metaliczny jest dominującym materiałem anodowym w wodnych układach pierwotnych ze względu na wysoką dwuelektronową wolumetryczną i grawimetryczną zdolność magazynowania ładunku metalicznego, wynoszącą odpowiednio 5,8 kAh L-1 i 820 Ah kg-1.* Bateria cynkowo-węglowa, znana jako ogniwo Leclanché, została po raz pierwszy wprowadzona wXIX wieku, łącząc anodę cynkową z katodą z dwutlenku manganu (kolektor prądu węglowego) w elektrolicie chlorkowym1. Zwykła bateria alkaliczna wykorzystuje tę samą parę, ale zastępuje elektrolit chlorkowy wodnym elektrolitem wodorotlenku alkalicznego. Baterie cynkowo-węglowe i alkaliczne stanowią łącznie większość sprzedawanych baterii galwanicznych 1. Gdy katoda z dwutlenku manganu w ogniwie alkalicznym zostanie zastąpiona katodą powietrzną, uzyskuje się znacznie wyższą zdolność magazynowania energii. Ta bateria cynkowo-powietrzna wykorzystuje tlen z powietrza i jest powszechnie spotykana w bateriach do aparatów słuchowych 1-3.
Nasze poszukiwania baterii o większej pojemności skupiły się na materiałach, które mogą przenosić wiele elektronów na cząsteczkę 4-11. Wśród szerokiej gamy par redoks, które zbadaliśmy, VB2 wyróżnia się jako niezwykła anoda alkaliczna zdolna do uwalniania 11 elektronów na VB2, o pojemnościach objętościowych i grawimetrycznych odpowiednio 20,7 kAh L-1 i 4060 Ah kg-1.* W 2004 roku Yang i współpracownicy poinformowali o wyładowaniu VB2, ale także udokumentowali rozszerzoną domenę, w której VB2 jest podatny na korozję w mediach alkalicznych 12. W 2007 r. informowaliśmy, że powłoka na cząstkach VB2 zapobiega tej korozji13, co doprowadziło do demonstracji akumulatora VB2/air w 2008 r. 14.
W tym artykule prezentujemy protokół używany do badania nowych systemów metal/powietrze, wykorzystujący technologię wcześniej opracowaną dla ogniwa cynkowo-powietrznego, zastosowaną do ogniwa VB2/powietrze. Nanoskopowa anoda VB2 jest prezentowana jako wysokoenergetyczna anoda o dużej gęstości mocy, zdolna do wykazywania reakcji utleniania jedenastu elektronów zbliżającej się do teoretycznej wewnętrznej pojemności 4060 Ah kg-1 przy zwiększonym napięciu akumulatora i zdolności ładowania akumulatora. Para VB2 / powietrze wykorzystuje alkaliczny elektrolit KOH / NaOH, wykorzystując tę samą katodę tlenową powietrzną ekstrahowaną z ogniwa cynkowo-powietrznego 1. Katoda elektrokatalizatora węglowego nie jest zużywana podczas rozładowania.
Istnieje potrzeba lepszego zrozumienia systemu VB2 /air w celu dalszej poprawy wydajności komórek. Właściwości i wydajność nanoskopowych materiałów VB2 można badać przy użyciu konfiguracji ogniwa ogniwa cynkowo-powietrznego 15,16. Dla nanoskopowego VB2 można przeprowadzić testy elektrochemiczne w celu porównania wydajności poprzez procentową wydajność przy różnych szybkościach.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie Nano-VB2
Nanoskopowy VB2 jest bezpośrednio syntetyzowany z pierwiastkowego wanadu i boru poprzez mielenie kulowe w proporcji molowej 1:2.
- Wyczyść słoik do mielenia z węglika wolframu o pojemności 50 ml i dziesięć 10-milimetrowych kulek z węglika wolframu. Suszyć pod powietrzem w piekarniku w temperaturze 100 °C przez 1 godzinę, aby upewnić się, że cała woda wyparowała.
- Wytrzyj do czysta wnętrze słoika do mielenia, aby upewnić się, że nie pozostały żadne pozostałości, powtórz krok 1.1, jeśli widoczne są pozostałości.
- Przedsionek komory rękawicowej należy za każdym razem przeczyść argonem 3x przez 10 minut. Przenieś słoik do mielenia, kulki i czystą szpatułkę do schowka rękawicowego wypełnionego argonem.
- Odważ proszki wanadu i boru w stosunku molowym 1:2, 0,500 g wanadu i 0,212 g boru do słoika do mielenia, dodaj kulki i zamknij słoik do mielenia.
- Wyjmij szczelnie zamknięty słoik do mielenia ze schowka podręcznego, umieść go w planetarnym młynie kulowym ustawionym na 600 obr./min i miel przez 4 godziny.
- Po zakończeniu pozwól słoikowi do mielenia ostygnąć do temperatury pokojowej przed wyjęciem z młyna kulowego.
- Przedsionek komory rękawicowej należy za każdym razem przeczyść argonem 3x przez 10 minut. Przenieś słoik do mielenia, kolbę okrągłodenną, folię parafinową, szpatułkę i mieszadło magnetyczne do schowka na rękawiczki.
- Nałożyć powłokę z tlenku cyrkonu na przygotowany nanoskopowy VB2 w następujący sposób:
- Wewnątrz schowka na rękawiczki zebrać nano-VB2 przygotowany wcześniej za pomocą szpatułki, aby zeskrobać ścianki słoika do mielenia, aż do odzyskania większości masy wyjściowej. Zważyć i przenieść zebrany nano-VB2 do kolby okrągłodennej.
- Odważyć 3,5 procenta wagowego chlorku cyrkonu w porównaniu z zebranym VB2, a następnie dodać proszek do kolby okrągłodennej zawierającej zebrany nano-VB2.
- Dodać mieszadło magnetyczne do kolby i za pomocą folii parafinowej uszczelnić otwór przed wyjęciem ze schowka. Alternatywnie zastosowano przegrodę z równoważnymi wynikami Wyjąć kolbę okrągłodenną ze schowka na rękawiczki.
- Za pomocą strzykawki o pojemności 10 ml przenieść 10 ml eteru dietylowego do kolby okrągłodennej. Szybko zakryj otwór utworzony przez strzykawkę w folii parafinowej dodatkowym kawałkiem Parafilmu.
- Mieszać kolbę na talerzu mieszającym przez godzinę na średnim ogniu.
- Po godzinie odparować pozostały eter dietylowy z nano-VB2 za pomocą parownika obrotowego lub innej konfiguracji pompy, aż pokryty nano-VB2 stanie się suchy.
- Po całkowitym wyschnięciu nano-VB2 pokrytego Zr, zbierz.
2. Przygotowanie elektrolitu
- Przygotować mieszaninę 4 M KOH i 4 M roztworu NaOH do użycia jako elektrolit. (UWAGA: Zrób tylko tyle, aby wystarczyło na kilka tygodni, powtórz w razie potrzeby, aby utworzyć nowe komórki). Wodne elektrolity wodorotlenkowe NaOH i KOH były badane w przeszłości w zakresie stężeń od 8 M do nasyconych. Połączenie 4 M NaOH i 4 M KOH daje nieznacznie lepszą wydajność przy wysokich prędkościach w porównaniu z wcześniejszymi wynikami przy użyciu czystego elektrolitu NaOH.
3. Demontaż baterii cynkowo-powietrznych
Zobacz tabelę regentów i materiałów, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat producenta baterii i numeru modelu.
- Otwarcie komory cynkowo-powietrznej w celu późniejszego wytworzenia ogniw VB2/powietrznych.
- Utwórz nacięcie w krawędzi obudowy ogniwa pastylkowego za pomocą ukośnych szczypiec tnących.
- Zaciśnij zewnętrzną krawędź wargi na zewnątrz. Po dwukrotnym całkowitym obejściu celi powinno być łatwe do otwarcia.
- Za pomocą żyletki powoli dociśnij krawędzie nasadki, delikatnie otwórz komórkę. UWAGA: Otwarcie komórki może chwilę potrwać. Zachowaj cierpliwość i uważaj, aby nie pęknąć ani nie uszkodzić żadnej części podczas wykonywania tego kroku. Komórka będzie musiała pozostać nienaruszona.
- Przygotowanie baterii do użycia
- Po otwarciu ogniwa na dwie części (nasadkę i spód) zacznij delikatnie usuwać materiał anody cynkowej z nasadki i na dnie.
- Usuń jak najwięcej stałego za pomocą żyletki. Nie skrob dna; Ważne jest, aby nie uszkodzić żadnych części. Separator (na dole) i uszczelka (boki) tworzą pojedynczą nieprzezroczystą powłokę, którą można łatwo przebić przez zbyt duży nacisk żyletki. Przebicie separatora spowoduje uszkodzenie katody powietrznej. Dodatkowo, jeśli uszczelka zostanie zakłócona, niezawodność ogniwa, które ma być izolowane elektrycznie, zostanie utracone.
- Za pomocą bawełnianego wacika ostrożnie wytrzyj pozostały i pozostałości z nasadki, dna i separatora.
- Oczyść nasadkę i zewnętrzną część ogniwa alkoholem izopropylowym.
4. Przygotowanie elektrody roboczej o pojemności 5 mAh z suchą mieszanką 70/30
- Używając zsyntetyzowanego nano-VB2 pokrytego Zr jako materiału aktywnego, odważ 0,0012 g na elektrodę, która ma być wytworzona (zwykle testuje się 5-10 komórek jednocześnie) i przenieś do moździerza i tłuczka.
- Dodać 30% ważonego VB2, 0,0005 g sadzy grafitowej (na elektrodę) do materiału aktywnego w moździerzu i tłuczku i mielić przez 30 min.
- Upewnij się, że nie ma dużych, widocznych skupisk materiału i zbierz proszek.
- Odważyć około 0,0017 g mieszaniny proszku 70/30 na czystą nasadkę elektrody za pomocą szpatułki. (Jeśli przygotowujesz wiele ogniw na raz, w przeciwnym razie przenieś materiał na nasadkę elektrody).
- Dodaj pojedynczą kroplę alkoholu izopropylowego do każdej nakrętki i mieszaj proszek szpatułką lub inną małą spiczastą końcówką, aż nie będzie grudek, a zawiesina zostanie równomiernie rozprowadzona na górze nakrętki.
- Pozostaw elektrody do wyschnięcia na 30 minut.
5. VB Zespół2-powietrznych komórek - metoda sucha
- Zmontuj ogniwa w odwrotnej kolejności od ogniwa cynkowo-powietrznego z elektrodą roboczą, nasadką, do góry nogami.
- Uporządkuj każdą komórkę (od 5 do 10 testowanych) w dwóch rzędach, czapki w jednym, a odpowiadające im spody w drugim. Sprawdź każdą nasadkę, aby upewnić się, że materiał anody jest równomiernie rozłożony i nie jest pęknięty.
- Do każdego separatora dodać 27 μl mieszaniny elektrolitów 4 M KOH/4 M NaOH.
- Delikatnie usuń nadmiar elektrolitu ze spodu za pomocą bawełnianego wklepywania tylko raz wewnątrz dna.
- Ostrożnie weź każdy z dna, odwróć je i umieść na nasadkach, tak aby materiał anodowy stykał się z elektrolitem.
- Zastosuj nacisk i uszczelnij za pomocą szybkoschnącej żywicy epoksydowej.
6. Testowanie ogniw Nano-VB2/Air
- Po zakończeniu procesu produkcyjnego umieść ogniwa na stojaku rozładowczym lub uchwycie baterii.
- Pozwól każdej komórce na początkowy dziesięciominutowy etap odpoczynku, aby upewnić się, że komórki zrównoważą się przed rozładowaniem.
- Rozładuj ogniwa przy stałym obciążeniu 3 000 Ω (lub alternatywnym żądanym obciążeniu) za pomocą testera akumulatorów.
- Po kroku równoważenia wykonaj pomiar potencjału obwodu otwartego.
- Następnie rozładowuj pod stałym obciążeniem, aż do osiągnięcia napięcia zatrzymania 0,4 V.
- Sprawność kulombowską można następnie obliczyć na podstawie procentu zmierzonej pojemności w porównaniu z teoretyczną pojemnością rozładowania anody jedenastu elektronów wynoszącą 4,060 Ah kg-1.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Badania elektrochemiczne są przeprowadzane w celu określenia wydajności baterii VB2/powietrze. Wyniki uzyskane dla wielu ogniw stanowią dowód na powtarzalność ich działania. Rycina 1 porównuje baterie VB2/powietrze podczas rozładowywania przy oporności 3 000 ohm (lewa) i 1 000 ohm (prawa). Należy zauważyć, że napięcie rozładowania, jak również ułamek pojemności właściwej wynoszącej 4 060 Ah kg-1 , jest wyższy w przypadku anody z nanoscopic VB2 w porównaniu do o...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Konstrukcja baterii VB2/air w ten sposób zapewnia możliwość badania i sondowania jedenastu elektronów na cząsteczkę przenoszenia ładunku, które ma miejsce, co daje możliwość stworzenia nowego akumulatora o dużej pojemności. Jeśli uzyskane wyniki nie wykazują powtarzalnych wyników, upewnij się, że cały materiał anody cynkowej został usunięty z akumulatora, że na nasadce występuje równomierne rozproszenie materiału aktywnego oraz że ogniwa są prawidłowo sklejone bez żadnych wycieków. Jeśli problem będzie się pow...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy, Chris Rhodes, Ruben Lopez, Xuguang Li, Mahesh Waje i Matthew Mullings są pracownikami Lynntech Inc.
Podziękowania
Autorzy pragną podziękować 1006568 National Science Foundation Award za sfinansowanie tego projektu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| MATERIALS | |||
| Bor | Alfa Aesar | 11337 | |
| Eter dietylowy | J.T. Baker | 9244-06 | 4L |
| Epoxy | Loctite | Heavy Duty Czas wiązania 5 min | |
| Alkohol | |||
| Panasonic 675 Ogniwo cynkowo-powietrzne | Panasonic | PR675H | Wyprodukowane w Japonii ( nie niemiecki) |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | Grafitowa sadza | |
| Wanad Aldrich | 262935 | ||
| Diborek wanadu | Amerykańskie pierwiastki | 12007-37-3 | |
| Widmo chlorku cyrkonu | Z20001 | ||
| EKWIPUNEK | |||
| 50-mL kolba okrągłodenna | Fisher Scientific Co, LLC | CG151001 | |
| Szczypce do cięcia bocznego | Sklep | ||
| Płyta do podgrzewania/mieszania | IKA | C-MAG HS 7 | |
| Schowek na rękawiczki | Labconco | Precision Basic | |
| Dziesięć 10-milimetrowych kulek z węglika wolframu | Lab Synergy | 55.0100.08 | |
| Słoik do mielenia z węglika wolframu | Lab Synergy | 50.8600.00 | |
| Żyletka | Sklep z narzędziami | ||
| Retsch PM 100 planetarny młyn kulowy | Retsch | 205400003 | |
| Mieszadło | VWR International | 58947-140 |
Bibliografia
- Linden, D., Reddy, T. B. Handbook of Batteries. , 4th, McGraw-Hill. New York. (2010).
- Rogulski, Z., Czerwin'ski, A. Cathode Modification in the Leclanche' Cell. Journal of Solid State Electrochemistry. 7, 118-121 (2003).
- Neburchilov, V., Wang, H., Martin, J. J., Qu, W. A review on air cathodes for zinc - air fuel cells. Journal of Power Sources. 195, 1271-1291 (2010).
- Yu, X., Licht, S. High capacity alkaline super-iron boride battery. Electrochimica Acta. 52, 8138-8143 (2007).
- Licht, S., Wang, B., Ghosh, S. Energetic Iron(VI) Chemistry: The Super-Iron Battery. Science. 285, 1039-1042 (1990).
- Licht, S. Novel aluminum batteries: a step towards derivation of superbatteries. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. , 134-241 (1998).
- Licht, S., Myung, N. Fluorinated Graphites as Energetic Cathodes for Nonaqueous Al Batteries. Electrochem. Solid-State Lett. 5, A160-A163 (2002).
- Licht, S., Ghosh, S. High power BaFe(VI)O4/MnO2 composite cathode alkaline super-iron batteries. Journal of Power Sources. 109, 465-468 (2002).
- Licht, S., Myung, N., Peramunage, D. Ultrahigh Specific Power Electrochemistry, Exemplified by Al/MnO4- and Cd/AgO Redox Chemistry. The Journal of Physical Chemistry B. 102, 6780-6786 (1998).
- Licht, S. Aluminum/Sulfur Battery Discharge in the High Current Domain. J. Electrochem. Soc. 144, L133-L136 (1997).
- Gao, X. -P., Yang, H. -X. Multi-electron materials for high energy density batteries. Energy and Environmental Science. 3, 174-189 (2010).
- Yang, H. X., Wang, Y. D., Ai, X. P., Cha, C. S. Metal Borides: Competitive High Capacity Anode Materials for Aqueous Primary Batteries. Electrochemical and Solid-State. 7, A212-A215 (2004).
- Licht, S., Yu, X., Qu, X. Novel Alkaline Redox Couple: Chemistry of the Fe6+/B2- Super-iron Boride Battery. Chemical Communications. 2007, 2753-2755 (2007).
- Licht, S., Wu, H., Yu, X., Wang, Y. Renewable Highest Capacity VB2/Air Energy Storage. Chemical Communications. 2008, 3257-3259 (2008).
- Light, S., Ghosh, S., Wang, B., Jiang, D., Asercion, J., Bergmann, H. Nanoparticle Facilitated Charge Transfer and Voltage of a High Capacity VB2 Anode. Electrochemical and Solid-State. 14, 83-85 (2011).
- Licht, S., et al. Nano-VB2 Synthesis from Elemental Vanadium and Boron: Nano-VB2 Anode/Air Batteries. Electrochemical and Solid-State Letters. 15, A12-A14 (2012).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
