Name: Protokół oceny elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania symetrycznej organicznej baterii przepływowej redoks (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-13T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: Poznaj metodę oceny elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania symetrycznej organicznej baterii przepływowej redoks przy użyciu spektroskopii FTIR. Technika ta umożliwia bezpieczne i niezawodne monitorowanie magazynowania energii w sieci.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była finansowana przez Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), Centrum Innowacji Energetycznych finansowane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Podstawowe Nauki Energetyczne. Autorzy dziękują również Journal of Materials Chemistry A (czasopismu Królewskiego Towarzystwa Chemicznego) za pierwotne opublikowanie tych badań (<a href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b">http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b</a>). PNNL jest wieloprogramowym krajowym laboratorium prowadzonym przez Battelle dla DOE w ramach umowy DE-AC05-76RL01830.

Uwaga: Wszystkie przygotowania roztworu, testy cyklicznej woltamperometrii (CV) oraz montaż i testy komory przepływowej zostały przeprowadzone w komorze rękawicowej wypełnionej argonem z wodą i poziomami O2 poniżej 1 ppm.
1. Oceny elektrochemiczne ogniw przepływowych PTIO
<ol>
	<li>Test CV
	<ol>
		<li>Wypoleruj szklistą elektrodę węglową proszkiem tlenku glinu gamma 0,05 μm, przepłucz ją wodą dejonizowaną, umieść w próżni w temperaturze pokojowej na noc i przenieś do schowka na rękawiczki.</li>
		<li>Rozpuścić azotan srebra (8,5 mg) w MeCN (5 ml) w schowku na rękawiczki, tj. 10 mM AgNO3. Dodać roztwór do szklanej probówki elektrody referencyjnej z azotanu srebra/srebra.</li>
		<li>Na kolbie o pojemności 25 ml z trzema szyjkami w kształcie gruszki zamontować elektrodę roboczą z węgla szklistego, przeciwelektrodę z filcu grafitowego oraz elektrodę odniesienia z azotanu srebra i azotanu srebra.</li>
		<li>Rozpuścić PTIO (52 mg) i heksafluorofosforan tetrabutyloamonu (TBAPF6, 0,87 g) w MeCN (1,10 g), tj. 0,1 M PTIO/1,0 M TBAPF6. Dodaj roztwór do kolby, aby zanurzyć końcówki trzech elektrod.</li>
		<li>Podłącz elektrody do elektrochemicznej stacji roboczej. Zmierz krzywe CV w zakresie napięcia -1,75-0,75 V z szybkością skanowania 100 mV/s. Określ teoretyczne napięcie ogniwa akumulatora przepływowego PTIO na podstawie luki potencjału między dwiema parami redoks. 
		UWAGA: Należy zauważyć, że konfiguracja elektrody referencyjnej Ag/Ag+ jest ze swej natury elektrodą pseudoreferencyjną. W rezultacie, piki redoks mogą się przesuwać podczas długoterminowych pomiarów CV. Niemniej jednak takie przesunięcie zwykle ma nieistotny wpływ na przerwę napięcia między parami redoks i nie wpływa na wartość napięcia ogniwa.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zespół komory przepływowej
	<ol>
		<li>Przytnij filce grafitowe na powierzchnię 1 x 10 cm2 za pomocą żyletki. Podobnie wytnij porowaty separator na powierzchnię 3 x 12 cm2.</li>
		<li>Wysuszyć przepływowe części baterii (komory ogniw, rurki, szklane fiolki o pojemności 5 ml, filc grafitowy i porowaty separator) w piecu próżniowym w temperaturze 70 °C na noc, przenieść je do schowka na rękawiczki i schłodzić do temperatury otoczenia.</li>
		<li>Zmontuj części ogniwa przepływowego w kolejności płyty końcowej, kolektora prądu z blachy miedzianej, półogniwa, filcu grafitowego, uszczelki, porowatego separatora, filcu grafitowego, półogniwa, kolektora prądu z blachy miedzianej i płyty końcowej. Przymocuj zespół za pomocą ośmiu gwintowanych do dwóch płyt końcowych za pomocą klucza dynamometrycznego ustawionego na 125 cali funtów. Podłącz rurki przepływowe elektrolitu do celi przepływowej. Zespół ogniw pokazano na rysunku 1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Demonstracja elektrochemii symetrycznej
	<ol>
		<li>Zamontować komorę przepływową zgodnie z sekcją 1.2. Rozpuścić PTIO (10 mg) i TBAPF6 (3,3 g) za pomocą MeCN (4,4 g) w komorze rękawicowej, tj. 5,0 mM PTIO/1,0 M TBAPF6. Dodać 4 ml roztworu do każdej z dwóch szklanych fiolek. Pompować elektrolity do przepływu za pomocą pompy perystaltycznej z natężeniem przepływu 20 ml/min.</li>
		<li>Podłącz dodatnie i ujemne kolektory prądu ogniwa przepływowego do testera akumulatorów. Ładuj komórkę przepływową ze stałą gęstością prądu 5 mA/cm2, aż napięcie osiągnie 1,9 V. Przerwij ładowanie. Wypompować elektrolity do szklanych fiolek.</li>
		<li>Zmieszać 1 ml elektrolitu dodatniego z 1 ml elektrolitu ujemnego w osobnej fiolce. Teraz są cztery elektrolity: oryginalny, dodatni, ujemny i mieszany.</li>
		<li>Zmierz widmo rezonansu spinowego elektronów (ESR) powyższych czterech elektrolitów. 25
		<ol>
			<li>Za pomocą uszczelniacza do rurek uszczelnij niewielką ilość (~10 μl) dodatniego i ujemnego w rurce PTFE (1/16" OD i 1/32" ID) na obu końcach, a następnie uszczelnij ją w kwarcowej rurce ESR (średnica 4 mm).</li>
			<li>Zamontuj rurkę ESR do spektrometru ESR wyposażonego w rezonator SHQE o częstotliwości mikrofalowej ~9.85 GHz (pasmo X).</li>
			<li>Zebrać widmo ESR dla czterech elektrolitów w sekcji 1.3.3.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Test komory przepływowej
	<ol>
		<li>Zamontować komorę przepływową zgodnie z sekcją 1.2.</li>
		<li>PTIO (1,05 g) i TBAPF6 (3,50 g) rozpuścić za pomocą MeCN (3,60 g) w komorze rękawicowej, tj. 0,5 M PTIO/1,0 M TBAPF6. Dodać 4 ml roztworu do każdej szklanej fiolki. Przepływać elektrolity z prędkością 20 ml/min.</li>
		<li>Podłącz dodatnie i ujemne kolektory prądu celi przepływowej do elektrochemicznej stacji roboczej. Zmierzyć impedancję celi przepływowej w zakresie częstotliwości od 100 kHz do 1 Hz przy potencjale obwodu otwartego. Oblicz rezystywność obszarową (ASR), mnożąc rezystancję omową (impedancję wysokiej częstotliwości) przez obszar aktywny celi przepływowej.</li>
		<li>Podłącz dodatnie i ujemne kolektory prądu ogniwa przepływowego do testera akumulatorów. Ustaw odcięcia napięcia 0,8 i 2,2 V oraz prąd stały 20 mA cm-2 w oprogramowaniu do pracy na baterii. Wielokrotnie ładować/rozładowywać celę przepływową PTIO.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Wyznaczanie SOC na podstawie FTIR
<ol>
	<li>Walidacja wykonalności FTIR
	<ol>
		<li>Przygotować następujące trzy roztwory elektrolitu w schowku na rękawiczki: a) MeCN (0,50 g); b) TBAPF6 (0,23 g) z MeCN (0,30 g), tj. 1,0 M TBAPF6; c) PTIO (75 mg) i TBAPF6 (0,25 g) z MeCN (0,26 g), tj. 0,5 M PTIO/1,0 M TBAPF6.</li>
		<li>Zmierz FTIR dla trzech roztworów elektrolitu.
		<ol>
			<li>Dodać niewielką objętość (~0,05 ml) każdego roztworu do zamykanej celi FTIR z okienkami KBr i ścieżką o długości 0,2 mm. Zapieczętuj komórkę FTIR.</li>
			<li>Umieść celę FTIR w pojemniku do przechowywania i przenieś ją ze schowka na rękawiczki.</li>
			<li>Szybko zamontuj komórkę FTIR do spektrometru i zbierz widmo FTIR.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zamontować komorę przepływową zgodnie z sekcją 1.2.</li>
		<li>PTIO (1,05 g) i TBAPF6 (3,50 g) rozpuścić za pomocą MeCN (3,60 g) w komorze rękawicowej, tj. 0,5 M PTIO/1,0 M TBAPF6. Dodać 4 ml roztworu do każdej szklanej fiolki. Przepływać elektrolity z prędkością 20 ml/min.</li>
		<li>W pełni naładuj ogniwo przepływowe, aż voltage osiągnie 2,2 V. Zatrzymaj ładowanie i pompę.</li>
		<li>Zmierzyć widma FTIR odpowiednio dla elektrolitów dodatnich i ujemnych, postępując zgodnie z procedurą opisaną w sekcji 2.1.2.</li>
		<li>Przygotować serię roztworów PTIO (0,05-0,5 M) w 1,0 M TBAPF6 w MeCN w komorze rękawicowej z kompozycjami w Tabeli 1.</li>
		<li>Zmierzyć widmo FTIR dla każdego z roztworów opisanych w sekcji 2.1.6, postępując zgodnie z procedurą opisaną w sekcji 2.1.2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar FTIR SOC
	<ol>
		<li>Zamontować komorę przepływową zgodnie z sekcją 1.2.</li>
		<li>PTIO (2,9 g) i TBAPF6 (9,6 g) rozpuścić w MeCN (9,8 g) w komorze rękawicowej, tj. 0,5 M PTIO/1,0 M TBAPF6. Dodać 11 ml roztworu do każdej z dwóch szklanych fiolek. Przepływać elektrolity z prędkością 20 ml/min.</li>
		<li>Ładuj kuwetę przepływową stałym prądem 10 mA/cm2 przy natężeniu przepływu 20 mL/min.</li>
		<li>W czasie ładowania wynoszącym 0, 18, 36, 54 i 72 minuty zatrzymaj ładunek ogniwa i przepływ elektrolitu, pobierz małe porcje (0,2 ml) elektrolitów z fiolek ze szkła po stronie anolitu i katolitu, a następnie wznów ogniwo.</li>
		<li>Zmierzyć widmo FTIR dla powyższych pięciu podwielokrotności próbki, postępując zgodnie z procedurą opisaną w sekcji 2.1.2.</li>
		<li>Zmierzyć widmo ESR dla powyższych pięciu podwielokrotności próbki, postępując zgodnie z procedurą opisaną w sekcji 1.3.4.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+Energy+Storage+for+the+Grid%3A+A+Battery+of+Choices%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices.</a> Science. 334 (6058), 928-935 (2011).</li>
<li>Yang, Z. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+Energy+Storage+for+Green+Grid%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Electrochemical Energy Storage for Green Grid.</a> Chem. Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).</li>
<li>Wang, W., Luo, Q., Li, B., Wei, X., Li, L., Yang, Z. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201200694/full">Recent Progress in Redox Flow Battery Research and Development.</a> Adv. Funct. Mater. 23 (8), 970-986 (2013).</li>
<li>Skyllas-Kazacos, M., Chakrabarti, M. H., Hajimolana, S. A., Mjalli, F. S., Saleem, M. <a target="_blank" href="http://jes.ecsdl.org/content/158/8/R55.abstract">Progress in Flow Battery Research and Development.</a> J. Electrochem. Soc. 158 (5), 55-79 (2011).</li>
<li>Weber, A. Z., et al. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s10800-011-0348-2">Redox Flow Batteries: A Review.</a> J. Appl. Electrochem. 41 (10), 1137-1164 (2011).</li>
<li>Noack, J., Roznyatovskaya, N., Herr, T., Fischer, P. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26119683">The Chemistry of Redox-Flow Batteries.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 54 (34), 9775-9808 (2015).</li>
<li>Soloveichik, G. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+Batteries%3A+Current+Status+and+Trends%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Flow Batteries: Current Status and Trends.</a> Chem. Rev. 115 (20), 11533-11558 (2015).</li>
<li>Leung, P., Li, X., de Leon, C. P., Berlouis, L., Low, C. T. J., Walsh, F. C. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/ra/c2ra21342g">Progress in Redox Flow Batteries, Remaining Challenges and Their Applications in Energy Storage.</a> RSC Adv. 2 (27), 10125-10156 (2012).</li>
<li>Gong, K., Fang, Q., Gu, S., Li, S., Yan, Y. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ee/c5ee02341f">Nonaqueous Redox-Flow Batteries: Organic Solvents, Supporting Electrolytes, and Redox Pairs.</a> Energy Environ. Sci. 8 (12), 3515-3530 (2015).</li>
<li>Shin, S. H., Yun, S. H., Moon, S. H. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2013/RA/c3ra00115f">A Review of Current Developments in Non-aqueous Redox Flow Batteries: Characterization of Their Membranes for Design Perspective.</a> RSC Adv. 3 (24), 9095-9116 (2013).</li>
<li>Cappillino, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201300566/abstract">Application of Redox Non-Innocent Ligands to Non-Aqueous Flow Battery Electrolytes.</a> Adv. Energy Mater. 4 (1), 1300566(2014).</li>
<li>Suttil, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ta/c4ta06622g">Metal Acetylacetonate Complexes for High Energy Density Non-aqueous Redox Flow Batteries.</a> J. Mater. Chem. A. 3 (15), 7929-7938 (2015).</li>
<li>Brushett, F. R., Vaughey, J. T., Jansen, A. N. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201200322/abstract">An All-Organic Non-aqueous Lithium-Ion Redox Flow Battery.</a> Adv. Energy Mater. 2 (11), 1390-1396 (2012).</li>
<li>Wei, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Radical+Compatibility+with+Nonaqueous+Electrolytes+and+Its+Impact+on+an+All-Organic+Redox+Flow+Battery%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Radical Compatibility with Nonaqueous Electrolytes and Its Impact on an All-Organic Redox Flow Battery.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 54 (30), 8684-8687 (2015).</li>
<li>Nagarjuna, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+Redox-Active+Polymer+Molecular+Weight+on+the+Electrochemical+Properties+and+Transport+Across+Porous+Separators+in+Nonaqueous+Solvents%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Impact of Redox-Active Polymer Molecular Weight on the Electrochemical Properties and Transport Across Porous Separators in Nonaqueous Solvents.</a> J. Am. Chem. Soc. 136 (46), 16309-16316 (2014).</li>
<li>Wei, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TEMPO-Based+Catholyte+for+High-Energy+Density+Nonaqueous+Redox+Flow+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">TEMPO-Based Catholyte for High-Energy Density Nonaqueous Redox Flow Batteries.</a> Adv. Mater. 26 (45), 7649-7653 (2014).</li>
<li>Wei, X., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201400678/abstract">Towards High-Performance Nonaqueous Redox Flow Electrolyte Via Ionic Modification of Active Species.</a> Adv. Energy Mater. 5 (1), 1400678(2015).</li>
<li>Fan, F. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polysulfide+Flow+Batteries+Enabled+by+Percolating+Nanoscale+Conductor+Networks%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Polysulfide Flow Batteries Enabled by Percolating Nanoscale Conductor Networks.</a> Nano Lett. 14 (4), 2210-2218 (2014).</li>
<li>Pan, H., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201500113/abstract">On the Way Toward Understanding Solution Chemistry of Lithium Polysulfides for High Energy Li-S Redox Flow Batteries.</a> Adv. Energy Mater. 5 (16), 1500113(2015).</li>
<li>Escalante-Garcia, I. L., Wainright, J. S., Thompson, L. T., Savinell, R. F. <a target="_blank" href="http://jes.ecsdl.org/content/162/3/A363.abstract">Performance of a Non-Aqueous Vanadium Acetylacetonate Prototype Redox Flow Battery: Examination of Separators and Capacity Decay.</a> J. Electrochem. Soc. 162 (3), 363-372 (2015).</li>
<li>Wei, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037877531201083X">Microporous Separators for Fe/V Redox Flow Batteries.</a> J. Power Sources. 218, 39-45 (2012).</li>
<li>Skyllas-Kazacos, M., Kazacos, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775311013176">State of Charge Monitoring Methods for Vanadium Redox Flow Battery Control.</a> J. Power Sources. 196 (20), 8822-8827 (2011).</li>
<li>Brooker, R. P., Bell, C. J., Bonville, L. J., Kunz, H. R., Fenton, J. M. <a target="_blank" href="http://jes.ecsdl.org/content/162/4/A608.full">Determining Vanadium Concentrations Using the UV-Vis Response Method.</a> J. Electrochem. Soc. 162 (4), 608-613 (2015).</li>
<li>Petchsingh, C., et al. <a target="_blank" href="http://jes.ecsdl.org/content/163/1/A5068.abstract">Spectroscopic Measurement of State of Charge in Vanadium Flow Batteries with an Analytical Model of VIV-VV Absorbance.</a> J. Electrochem. Soc. 163 (1), 5068-5083 (2016).</li>
<li>Duan, W., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b">A Symmetric Organic-Based Nonaqueous Redox Flow Battery and Its State of Charge Diagnostics by FTIR.</a> J. Mater. Chem. A. 4 (15), 5448-5456 (2016).</li>
<li>Potash, R. A., McKone, J. R., Conte, S., Abruña, H. D. <a target="_blank" href="http://jes.ecsdl.org/content/163/3/A338.full">On the Benefits of a Symmetric Redox Flow Battery.</a> J. Electrochem. Soc. 163 (3), 338-344 (2016).</li>
<li>Kim, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775315003171">A Tetradentate Ni(II) Complex Cation as a Single Redox Couple for Non-aqueous Flow Batteries.</a> J. Power Sources. 283, 300-304 (2015).</li>
<li>Shinkle, A. A., Sleightholme, A. E. S., Griffith, L. D., Thompson, L. T., Monroe, C. W. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775311000620">Degradation Mechanisms in The Non-aqueous Vanadium Acetylacetonate Redox Flow Battery.</a> J. Power Sources. 206, 490-496 (2012).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://esl.ecsdl.org/content/14/12/A171.abstract">Electrochemical Properties of an All-Organic Redox Flow Battery Using 2,2,6,6-Tetramethyl-1-Piperidinyloxy and N-Methylphthalimide.</a> Electrochem. Solid-State Lett. 14 (12), 171-173 (2011).</li>
<li>Schaltin, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+an+All-Copper+Redox+Flow+Battery+Based+on+a+Copper-Containing+Ionic+Liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Commun%22%5BJournal%5D)">Towards an All-Copper Redox Flow Battery Based on a Copper-Containing Ionic Liquid.</a> Chem. Commun. 52, 414-417 (2016).</li>
<li>SDBS. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://sdbs.db.go.jp">http://sdbs.db.go.jp</a> (2016).</li>
<li>Luo, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Capacity+Decay+and+Remediation+of+Nafion-based+All-Vanadium+Redox+Flow+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">Capacity Decay and Remediation of Nafion-based All-Vanadium Redox Flow Batteries.</a> ChemSusChem. 6 (2), 268-274 (2013).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Jak wykazaliśmy wcześniej,25 FTIR jest w stanie nieinwazyjnie wykrywać SOC akumulatora przepływowego PTIO. Jako narzędzie diagnostyczne, FTIR jest szczególnie korzystny ze względu na łatwą dostępność, szybką reakcję, niski koszt, niewielkie zapotrzebowanie na miejsce, możliwość włączenia online, brak nasycenia detektora oraz możliwość korelowania informacji strukturalnych w celu zbadania ewolucji molekularnych podczas pracy baterii przepływowej. Rysunek 3e ilustruje proponowane ur...

Baterie przepływowe Redox przechowują energię w ciekłych elektrolitach, które znajdują się w zewnętrznych zbiornikach i są pompowane do wewnętrznych elektrod w celu zakończenia reakcji elektrochemicznych. W ten sposób zmagazynowana energia i moc mogą być oddzielone, co prowadzi do doskonałej elastyczności projektowania, skalowalności i modułowości. Te zalety sprawiają, że akumulatory przepływowe dobrze nadają się do stacjonarnych zastosowań magazynowania energii w celu integracji czystej, ale nieciągłej energii odnawialnej, zwiększenia wykorzystania i wydajności zasobów sieciowych oraz poprawy odporności i bezpieczeństwa energetycznego. 1,2,3 Tradycyjne akumulatory przepływowe mają ograniczoną gęstość energii, głównie z powodu wąskiego okna napięcia, aby uniknąć elektrolizy wody. 4,5,6,7,8 Natomiast akumulatory przepływowe oparte na niewodnych elektrolitach są szeroko stosowane ze względu na potencjał do osiągnięcia wysokiego napięcia ogniwa i wysokiej gęstości energii. 9,10 W ramach tych działań zbadano różne rodzaje chemiczne akumulatorów przepływowych, w tym kompleksy koordynacyjne metali,11,12 całkowicie organiczny,13,14 aktywne polimery redoks,15 i hybrydowe systemy przepływowe litu. 16,17,18,19
Jednakże, potencjał niewodnych akumulatorów przepływowych nie został jeszcze w pełni zademonstrowany ze względu na główne techniczne wąskie gardło w postaci ograniczonej demonstracji w warunkach istotnych dla akumulatorów przepływowych. To wąskie gardło jest ściśle związane z wieloma czynnikami ograniczającymi wydajność. Po pierwsze, mała rozpuszczalność większości materiałów elektroaktywnych prowadzi do dostarczania niskiej gęstości energii przez niewodne ogniwa przepływowe. Po drugie, wydajność niewodnych akumulatorów przepływowych jest w dużej mierze ograniczona przez wysoką lepkość i rezystywność elektrolitu przy odpowiednich stężeniach redoks. Trzecim czynnikiem jest brak membran o wysokiej wydajności. Membrany nafionowe i ceramiczne wykazują niską przewodność jonową w przypadku elektrolitów niewodnych. Porowate separatory wykazały przyzwoitą wydajność komór przepływowych, ale ulegają znacznemu samorozładowaniu ze względu na stosunkowo duży rozmiar porów. 14,20 Zazwyczaj, elektrolity z mieszanymi reagentami zawierające zarówno anolit, jak i katolit (stosunek 1:1) są używane do zmniejszenia krzyżowania się materiałów redoks, co jednak zmniejsza efektywne stężenia redoks, zwykle o połowę. 14,21 Pokonanie wspomnianego wąskiego gardła wymaga ulepszeń w odkrywaniu materiałów, projektowaniu składu chemicznego baterii i architekturze ogniw przepływowych, aby osiągnąć cykl odpowiedni dla baterii.
Monitorowanie stanu baterii jest zasadniczo ważne dla niezawodnego działania. Nienormalne warunki, takie jak przeładowanie, wydzielanie się gazu i degradacja materiału, mogą spowodować uszkodzenie wydajności akumulatora, a nawet awarię akumulatora. Szczególnie w przypadku akumulatorów przepływowych na dużą skalę obejmujących duże ilości materiałów akumulatorowych, czynniki te mogą powodować poważne problemy z bezpieczeństwem i straty inwestycyjne. Stan naładowania (SOC) opisujący głębokość naładowania lub rozładowania akumulatorów przepływowych jest jednym z najważniejszych parametrów stanu akumulatora. Monitorowanie SOC w odpowiednim czasie może wykryć potencjalne zagrożenia, zanim osiągną one zagrażający poziom. Wydaje się jednak, że obszar ten jest do tej pory niedostatecznie rozwiązany, zwłaszcza w przypadku niewodnych akumulatorów przepływowych. Metody spektrofotoskopowe, takie jak spektroskopia ultrafioletowo-widzialna (UV-vis) i pomiary przewodności elektrolitów, zostały ocenione w wodnym akumulatorze przepływowym w celu określenia SOC. 22,23,24
Niedawno wprowadziliśmy nowatorską symetryczną konstrukcję baterii przepływowej opartej na nowym dwubiegunowym materiale redoks, 2-fenylo-4,4,5,5-tetrametyloimidazolino-1-oksyl-3-tlenku (PTIO). 25 Ta bateria przepływowa obiecuje sprostać wyżej wymienionym wyzwaniom związanym z niewodnymi bateriami przepływowymi. Po pierwsze, PTIO ma wysoką rozpuszczalność (2,6 M) w rozpuszczalniku akumulatorowym acetonitrylu (MeCN), co daje nadzieję na uzyskanie wysokiej gęstości energii. Po drugie, PTIO wykazuje dwie odwracalne pary redoks, które są umiarkowanie oddzielone, a zatem mogą same w sobie tworzyć symetryczną chemię baterii. Wykazaliśmy również, że wyraźny pik PTIO w widmach FTIR może być skorelowany ze stężeniem nieprzereagowanego PTIO w komórce przepływowej, co prowadzi do spektroskopowego wyznaczenia SOC, co zostało potwierdzone przez wyniki ESR. 26 Tutaj prezentujemy protokół do opracowania procedur oceny elektrochemicznej i diagnostyki SOC opartej na FTIR symetrycznego akumulatora przepływowego PTIO. Oczekuje się, że prace te dostarczą więcej informacji na temat utrzymania bezpieczeństwa i niezawodności podczas długotrwałej pracy akumulatorów przepływowych, zwłaszcza w rzeczywistych zastosowaniach sieciowych.

<table><tbody><tr><td>PTIO</td><td>TCI America</td><td>A5440</td><td>>98,0%</td></tr> <tr><td>Heksafluorofosforan tetrabutyloamonu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>86879</td><td>klasa elektrochemiczna, &ge; 99,0%</td></tr> <tr><td>MeCN</td><td>BASF</td><td>50325685</td><td>Klasa baterii</td></tr><tr><td>Azotan srebra</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>204390</td><td>99,9999% na bazie metali śladowych</td></tr><tr><td>Proszek tlenku glinu gamma</td><td>CH Instrumenty</td><td>CHI120</td><td></td></tr><tr><td>Filc grafitowy</td><td>SGL</td><td>GFD3</td><td>Suszenie próżniowe w temperaturze 70 & stopni; C na 24 h</td></tr><tr><td>Separator porowaty</td><td>Daramic</td><td>AA800</td><td>Suszenie próżniowe w temperaturze 70 stopni C dla 24-godzinnego</td></tr><tr><td>testera baterii</td><td>Wuhan LAND electronics Co., Ltd.</td><td>Lanhe</td><td>1 Zakres prądu</td></tr><tr><td>Elektrochemiczna stacja robocza</td><td>Solartron Analytical</td><td>ModuLab</td><td></td></tr><tr><td>schowek</td> rękawicowy <td>MBRAUN</td><td>Labmaster SP</td><td>poziomy tlenu i wody < </td></tr><tr><td>Spektrometr ESR</td><td>1 ppm Bruker&nbsp;</td><td>Elexsys 580&nbsp;</td><td>Wyposażony w rezonator SHQE o częstotliwości mikrofalowej ~9,85 GHz (pasmo X) o mocy 2 mW, z modulacją pola 100 kHz</td></tr></tbody></table>

protokół oceny elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania symetrycznej organicznej baterii przepływowej redoks

A Protocol for Electrochemical Evaluations and State of Charge Diagnostics of a Symmetric Organic Redox Flow Battery

Baterie przepływowe Redox zostały uznane za jedno z najbardziej obiecujących stacjonarnych rozwiązań do magazynowania energii w celu poprawy niezawodności sieci energetycznej i wdrażania technologii energii odnawialnej. Spośród wielu rodzajów chemicznych akumulatorów przepływowych, akumulatory przepływowe niewodne mają potencjał do osiągania wysokiej gęstości energii ze względu na szerokie okna napięciowe elektrolitów niewodnych. Jednak obecnie istnieją poważne przeszkody techniczne, które ograniczają niewodne akumulatory przepływowe, aby pokazać ich pełny potencjał, takie jak niskie stężenia redoks, niskie prądy robocze, niedostatecznie zbadane monitorowanie stanu baterii itp. Próbując rozwiązać te ograniczenia, niedawno opisaliśmy niewodną baterię przepływową opartą na wysoce rozpuszczalnym, redoks aktywnym organicznym związku rodnikowym nitronylu, 2-fenylo-4,4,5,5-tetrametyloimidazoline-1-oksyl-3-tlenku (PTIO). Ten materiał redoks wykazuje ambipolarne właściwości elektrochemiczne i dlatego może służyć zarówno jako materiały redoks anolitowe, jak i katolitowe, tworząc symetryczną chemię akumulatora. Co więcej, wykazaliśmy, że spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) może mierzyć stężenia PTIO podczas cykli przepływowych akumulatorów PTIO i oferować dość dokładne wykrywanie stanu naładowania akumulatora (SOC), co zostało potwierdzone przez pomiary elektronowego rezonansu spinowego (ESR). W niniejszym artykule przedstawiamy protokół wideo do oceny elektrochemicznej i diagnostyki SOC symetrycznego akumulatora przepływowego PTIO. Z dokładnym opisem eksperymentalnie pokazaliśmy drogę do osiągnięcia takich celów. Protokół ten ma na celu wzbudzenie większego zainteresowania i wglądu w bezpieczeństwo i niezawodność w dziedzinie niewodnych akumulatorów przepływowych redoks.

Unikalne zalety symetrycznego systemu ogniw przepływowych PTIO są przede wszystkim związane z właściwościami elektrochemicznymi związku PTIO, który jest organicznym związkiem rodnikowym z grupy nitroksylowych. PTIO może ulegać elektrochemicznym reakcjom dysproporcjonowania, tworząc PTIO+ i PTIO− (Rycina 2a). Te dwie pary redoks są oddzielone od siebie umiarkowaną różnicą potencjałów wynoszącą około 1,7 V (Rycina 2b) i mogą być wykorz...

Prezentujemy protokoły do elektrochemicznej oceny symetrycznej niewodnej organicznej baterii przepływowej redoks i diagnozowania jej stanu naładowania za pomocą FTIR.

Protokół oceny elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania symetrycznej organicznej baterii przepływowej redoks

Redox flow batteries have been considered as one of the most promising stationary energy storage solutions for improving the reliability of the power grid ...

Ogólnym celem niniejszego protokołu wideo jest eksperymentalne wykazanie wydajności elektrochemicznej oraz diagnostyki stanu naładowania w oparciu o spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera dla symetrycznego, niewodnego przepływowego akumulatora redoks opartego na PTIO. Metoda ta pozwala odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie magazynowania energii w sieciach elektroenergetycznych, takie jak zapewnienie bezpiecznego i niezawodnego działania akumulatorów przepływowych, szczególnie w ramach długoterminowej eksploatacji. Główną zaletą tej techniki jest możliwość określenia stanu naładowania akumulatora za pomocą prostej, kosztowo efektywnej spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera, która może być również zintegrowana w celu monitorowania w czasie rzeczywistym.Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą techniką napotykają trudności, ponieważ w bateriach przepływowych rozpuszczalnik i elektrolity pomocnicze wywierają bardzo silny wpływ zakłócający podczas ilościowego oznaczania materiału elektroaktywnego. Pomysł ten pojawił się, gdy odkryliśmy, że PTIO posiada peak absorpcyjny odróżnialny od rozpuszczalnika oraz soli, a także od innych stanów utlenienia. Wszystkie testy elektrochemiczne, w tym woltametria cykliczna w ogniwach przepływowych, są przeprowadzane w komorze rękawicowej wypełnionej argonem, w której poziom wody i tlenu wynosi mniej niż 1 ppm.Zmontuj układ do woltamperometrii cyklicznej w trójszyjnej kolbie gruszkowatej o pojemności 25 mililitrów, wyposażonej w polerowaną szklano-węglową elektrodę roboczą, przeciwelektrodę z paska filcu grafitowego oraz elektrodę odniesienia srebro/azotan srebra 10 milimolar. Następnie rozpuść 52 miligramy PTIO oraz 0,87 grama heksafluorofosforanu tetrabutyloamonium w 1,1 gramach acetonitrylu. Do kolby dodaj trzy mililitry tego roztworu, aby zanurzyć końcówki trzech elektrod.Podłącz elektrody do stacji roboczej do pomiarów elektrochemicznych. Zmierz krzywe woltamperometrii cyklicznej w zakresie napięcia od -1,75 do 0,75 V przy szybkości przesiewania 100 mV/s. Różnica potencjałów między dwiema parami redoks stanowi teoretyczne napięcie ogniwa przepływowej baterii PTIO.Aby złożyć ogniwo przepływowe, najpierw należy przyciąć filc grafitowy do wymiarów 1 × 10 cm² za pomocą żyletki. W podobny sposób należy wyciąć porowaty separator o wymiarach 3 × 12 cm² oraz dwie uszczelki, z których każda powinna posiadać otwór o wymiarach 1 × 10 cm², aby pomieścić filce grafitowe. Części baterii przepływowej należy wysuszyć w piecu próżniowym w temperaturze 70 °C przez całą noc.Następnego dnia przenieść elementy do komory Glove Box i pozwolić im ostygnąć do temperatury otoczenia. Złożyć celę przepływową za pomocą klucza dynamometrycznego, ustawionego na wartość 125 inch pounds. Następnie podłączyć rurki doprowadzające elektrolit do celi przepływowej.Aby przeprowadzić test celi przepływowej, rozpuść 1,05 g PTIO oraz 3,60 g TBAPF6 w 3,60 g acetonitrylu w komorze rękawicowej. Następnie dodaj cztery ml roztworu do każdej szklanej fiolki. Przepływaj elektrolity z prędkością 20 ml na minutę.Podłącz dodatni i ujemny kolektor prądu ogniwa przepływowego do stacji roboczej elektrochemicznej. Wykonaj pomiar spektroskopii impedancyjnej (EIS) ogniwa przepływowego w zakresie częstotliwości od 100 kHz do 1 Hz przy potencjale obwodu otwartego. Progi odcięcia napięcia w tych ogniwach przepływowych są stosunkowo wrażliwe na różnice w impedancji między poszczególnymi ogniwami i muszą zostać dostosowane podczas pierwszego cyklu każdego ogniwa, aby uniknąć przeładowania.Podłącz dodatni i ujemny kolektor prądu ogniwa przepływowego do testera baterii. W oprogramowaniu do obsługi baterii ustaw granice napięcia wyłączenia na 0,8 i 2,2 V przy stałym prądzie 20 mA/cm². Wielokrotnie ładuj i rozładowuj ogniwo przepływowe PTIO.W komorze rękawicowej należy przygotować próbkę rozpuszczalnika w postaci acetonitrylu, 1,0 M roztwór elektrolitu TBAPF6 oraz 0,5 M roztwór PTIO z 1,0 M elektrolitem TBAPF6. Ze względu na to, że ładunek form PTIO jest wrażliwy na działanie powietrza, należy stosować szczelne kule FTIR, aby uniknąć kontaktu z powietrzem. Podczas transportu kuli FTIR z komory rękawicowej do spektrometru FTIR zaleca się stosowanie szczelnego pojemnika.Należy dodać niewielką objętość każdego roztworu do szczelnej kuwy FTIR z oknami z bromku potasu i drogą optyczną 0,2 mm. Po zamknięciu kuwy FTIR należy umieścić ją w pojemniku do przechowywania i wyjąć z komory rękawicowej. Następnie kuwę FTIR montuje się w spektrometrze i przystępuje do pomiaru widma FTIR.Następnie porównaj uzyskane widma FTIR acetonitrylu, 1,0 M TBAPF6 oraz elektrolitu 0,5 M PTIO, 1,0 M TBAPF6. Następnie dodaj 4,0 ml roztworu 0,5 M PTIO, 1,0 M TBAPF6 do każdej szklanej fiolki. Przepływ elektrolitów ustaw na 20 ml/min.W pełni naładuj ogniwo przepływowe, aż napięcie osiągnie 2,2 V. Następnie przerwij proces ładowania w pompie i pobierz elektrolity dodatni oraz ujemny. Pomiar widm FTIR dla obu elektrolitów, dodatniego i ujemnego, przeprowadź w taki sam sposób jak poprzednio.Porównaj ich widma FTIR z widmem oryginalnego roztworu PTIO. Pracując w rękawicy laboratoryjnej, przygotuj serię roztworów PTIO w 1,0 M TBAPF6 w acetonitrylu. Zmierz i porównaj widma FTIR każdego z roztworów, aby uzyskać krzywą kalibracyjną.Aby zmierzyć stan naładowania, należy najpierw złożyć kolejną ogniwo przepływowe. Do każdej szklanej ampułki należy dodać 11 ml 0,5 M roztworu PTIO oraz 1,0 M TBAPF6. Elektrolity należy przepływać z prędkością 20 ml/min.Naładuj ogniwo przepływowe przy stałym prądzie 10 mA/cm². W wybranych odstępach czasu przerwij ładowanie ogniwa oraz przepływ elektrolitu i pobierz małe aliquoty elektrolitów z szklanych fiolek po stronie anolitu i katolitu, a następnie wznowij pracę ogniwa. Na koniec zmierz i porównaj widma FTIR pięciu pobranych próbek.Przedstawiono tutaj wydajność elektrochemiczną ogniwa przepływowego PTIO. Na podstawie woltamperometrii cyklicznej ogniwo PTIO wykazuje teoretyczne napięcie ogniwa wynoszące 1,73 V. Cyklicznowanie przy gęstości prądu 20 mA/cm² dla ogniwa 0,5 M doprowadziło do średniej sprawności kulombowskiej na poziomie 90%, sprawności napięciowej 67% oraz sprawności energetycznej 60%. Jednakże ogniwo przepływowe wykazało spadek pojemności.Wykonalność zastosowania FTIR do wyznaczania SOC została potwierdzona przez pik FTIR przy 1218 cm⁻¹. W tym przypadku rozpuszczalniki i sól wykazują minimalne zakłócenia w odniesieniu do PTIO. Trzy stany utlenienia PTIO można od siebie odróżnić.Logarytm intensywności piku wykazuje liniową zależność od stężenia PTIO i może być wykorzystany jako krzywa kalibracyjna. Stężenie PTIO oraz stan naładowania ogniwa przepływowego PTIO w kilku odstępach czasu podczas ładowania określono za pomocą pomiarów FTIR. Dokładność wyznaczania SOC w oparciu o FTIR została zweryfikowana poprzez pomiary spektroskopii rezonansu spinowego elektronów.Po opanowaniu techniki, przy prawidłowym wykonaniu, procedura ta może zostać zrealizowana w ciągu ośmiu godzin. Podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest, aby unikać narażania próbek na działanie tlenu lub wilgoci. Po wykonaniu tej procedury można zastosować inne metody, takie jak pomiar FTIR w funkcji liczby cykli, w celu udzielenia odpowiedzi na dodatkowe pytania, np. dotyczące stanu technicznego (state of health) i degradacji materiału.Po obejrzeniu filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak oceniać właściwości elektrochemiczne danej chemii ogniwa przepływowego redox oraz jak mierzyć SOC ogniw przepływowych redox, w których zastosowano materiały redox wrażliwe na FTIR.

a-protocol-for-electrochemical-evaluations-state-charge-diagnostics

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Przedstawiono tutaj protokół badań elektrochemicznych akumulatora aprotycznego Li-O2 z przygotowaniem elektrod i elektrolitów oraz wprowadzeniem często stosowanych metod charakteryzacji.

Protokół badania elektrochemicznego i charakterystyka akumulatora Aprotic Li-O2

Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) gatunków, które ulegają odwracalnemu utlenianiu lub redukcji roztworu, została użyta do określenia stałych szybkości utleniania lub redukcji.

Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna jako narzędzie do elektrochemicznej estymacji stałej szybkości

W tym artykule opisujemy metody elektrochemiczne, elektronowego rezonansu paramagnetycznego oraz ultrafioletowo-widzialnego i bliskiej podczerwieni spektroelektrochemiczne do analizy związków organicznych do zastosowania w elektronice organicznej.

Wykorzystanie woltamperometrii cyklicznej, UV-vis-NIR i spektroelektrochemii EPR do analizy związków organicznych

Włączenie elektrod referencyjnych do akumulatora litowo-jonowego dostarcza cennych informacji do wyjaśnienia mechanizmów degradacji przy wysokich napięciach. W tym artykule przedstawiamy konstrukcję ogniwa, która mieści wiele elektrod referencyjnych, wraz z etapami montażu w celu zapewnienia maksymalnej dokładności danych uzyskanych w pomiarach elektrochemicznych.

Elektroda referencyjna litiowana in situ: konstrukcja z czterema elektrodami do spektroskopii impedancyjnej in-operando

Ten artykuł opisuje wpływ różnych temperatur ładowania/rozładowania na degradację ogniw litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowych, dążąc do symulacji scenariuszy zbliżonych do rzeczywistych. W sumie bada się 10 kombinacji temperatur w zakresie od -20 do 30 °C w celu analizy wpływu temperatury na degradację.

Wpływ ładowania i rozładowywania ogniw litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowych w różnych temperaturach na degradację

Ogniwa trzyelektrodowe są przydatne w badaniu elektrochemii akumulatorów litowo-jonowych. Taki układ elektrochemiczny pozwala na odsprzęgnięcie i niezależne badanie zjawisk związanych z katodą i anodą. W tym miejscu przedstawiamy przewodnik dotyczący budowy i użytkowania trzyelektrodowego ogniwa pastylkowego z naciskiem na analitykę litowania.

Przygotowanie trzyelektrodowych ogniw pastylkowych i analiza elektroosadzania akumulatorów litowo-jonowych

Przedstawiono protokół budowy rozpuszczalnego akumulatora przepływowego o przedłużonej żywotności, w którym octan sodu jest dostarczany w elektrolicie metanosulfonowym jako dodatek.

Wydłużenie żywotności rozpuszczalnych akumulatorów przepływowych ołowiowych z dodatkiem octanu sodu

Ta praca ma na celu określenie kinetyki reakcji katody i anody baterii litowo-jonowej ulegających niekontrolowanemu wzrostowi termicznemu (TR). Jednoczesna analiza termiczna (STA)/spektrometr FTIR z transformacją Fouriera/spektrometria mas chromatografii gazowej (GC-MS) zostały wykorzystane do ujawnienia zdarzeń termicznych i wykrycia wydzielanych gazów.

identyfikacja i kwantyfikacja mechanizmów rozkładu w akumulatorach litowo-jonowych; Dane wejściowe do symulacji przepływu ciepła w celu modelowania niekontrolowanej temperatury

Badania magnetyczne ex situ mogą bezpośrednio dostarczyć dużych i lokalnych informacji na elektrodzie magnetycznej, aby krok po kroku ujawnić mechanizm magazynowania ładunku. W tym artykule wykazano elektronowy rezonans spinowy (ESR) i podatność magnetyczną w celu monitorowania oceny gatunków paramagnetycznych i ich stężenia w redoks-aktywnym szkielecie metaloorganicznym (MOF).

Charakterystyka magnetometryczna produktów pośrednich w elektrochemii ciała stałego redoks-aktywnych struktur metaloorganicznych

Kursy czasowe aktywności glikozylazy DNA 8-oksoguaniny są dwufazowe, wykazując gwałtowne tworzenie produktu i liniową fazę stanu ustalonego. Wykorzystując techniki przepływu gaszącego, można zmierzyć szybkość rozerwania i stanu ustalonego, które odpowiadają odpowiednio wycięciu 8-oksoguaniny i uwolnieniu glikozylazy z DNA produktu.

Pomiar kinetyczny w stanie ustalonym, przed stanem ustalonym i pojedynczym obrotem dla aktywności glikozylazy DNA

Poznaj metodę oceny elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania symetrycznej organicznej baterii przepływowej redoks przy użyciu spektroskopii FTIR. Technika ta umożliwia bezpieczne i niezawodne monitorowanie magazynowania energii w sieci.

Protokół oceny elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania symetrycznej organicznej baterii przepływowej redoks

Przeglądaj więcej filmów