Protokół oceny elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania symetrycznej organicznej baterii przepływowej redoks
13 lutego 2017
Prezentujemy protokoły do elektrochemicznej oceny symetrycznej niewodnej organicznej baterii przepływowej redoks i diagnozowania jej stanu naładowania za pomocą FTIR.
Ogólnym celem tego protokołu wideo jest eksperymentalne zademonstrowanie wydajności elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania w oparciu o transformację Fouriera w podczerwieni symetrycznej, niewodnej baterii przepływowej redoks opartej na PTIO. Tak więc ta metoda może odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie magazynowania energii w sieci, takie jak to, w jaki sposób ludzie mogą upewnić się, że akumulator przepływowy działa bezpiecznie i niezawodnie, zwłaszcza w długotrwałych operacjach. Główną zaletą tej techniki jest to, że stan naładowania akumulatora można określić za pomocą prostej, ekonomicznej spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera, którą można również zintegrować w celu monitorowania w czasie rzeczywistym.
Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowicjuszami w tej technice, będą miały trudności, ponieważ w akumulatorach przepływowych rozpuszczalnik i elektrolity pomocnicze będą miały bardzo silne zakłócenia podczas kwantyfikacji materiału elektroaktywnego. Po raz pierwszy wpadliśmy na ten pomysł, gdy odkryliśmy, że PTIO ma pik absorpcji, który można odróżnić od rozpuszczalnika i soli i należy do innych stopni utlenienia. Wszystkie badania elektrochemiczne, w tym woltamperometria cykliczna w komórkach przepływowych, są wykonywane w komorze rękawicowej wypełnionej argonem, w której poziom wody i tlenu jest mniejszy niż jeden ppm.
Zmontuj zestaw do cyklicznego woltamperometrii w 25-mililitrowej, trójszyjkowej kolbie w kształcie gruszki, z polerowaną szklistą elektrodą roboczą z węgla, przeciwelektrodą z filcu grafitowego i 10-milimolową elektrodą referencyjną ze srebra i azotanu srebra. Następnie rozpuść 52 miligramy PTIO i 0,87 grama sześciofluorofosforanu tetrabutyloamonu w 1,1 grama acetonitrylu. Dodaj trzy mililitry tego roztworu do kolby, aby zanurzyć końcówki trzech elektrod.
Podłącz elektrody do elektrochemicznej stacji roboczej. Zmierz krzywe woltamperometrii cyklicznej w zakresie napięcia od minus 1,75 do 0,75 V z szybkością skanowania 100 miliwoltów na sekundę. Luka potencjałów między dwiema parami redoks to teoretyczne napięcie ogniwa akumulatora przepływowego PTIO.
Aby zmontować komórkę przepływową, najpierw przytnij filc grafitowy na powierzchnię 1 na 10 centymetrów kwadratowych za pomocą żyletki. Podobnie wytnij porowaty separator na obszar trzech na 12 centymetrów kwadratowych i dwie uszczelki, każda z otworem o wymiarach jeden na 10 centymetrów kwadratowych, aby pomieścić filc grafitowy. Wysuszyć części akumulatora przepływowego w piekarniku próżniowym w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez noc.
Następnego dnia przenieś części do schowka na rękawiczki i pozwól im ostygnąć do temperatury otoczenia. Zamontuj komórkę przepływową za pomocą klucza dynamometrycznego, ustawionego na 125 cali funtów. Następnie podłącz rurki przepływowe elektrolitu do komory przepływowej.
Aby wykonać test na komorze przepływowej, rozpuść 1,05 grama PTIO i 3,60 grama TBAPF6 w 3,60 gramie acetonitrylu w schowku na rękawiczki. Następnie dodać cztery mililitry roztworu do każdej szklanej fiolki. Przepływaj elektrolity z prędkością 20 mililitrów na minutę.
Podłącz dodatnie i ujemne kolektory prądu celi przepływowej do elektrochemicznej stacji roboczej. Zmierzyć elektrochemiczną spektroskopię impedancji ogniwa przepływowego w zakresie częstotliwości od 100 kiloherców do jednego herca przy potencjale obwodu otwartego. Odcięcia napięcia tych ogniw przepływowych są stosunkowo wrażliwe na ogniwo w zależności od zmiany impedancji ogniwa i muszą być regulowane w pierwszym cyklu każdego ogniwa, aby uniknąć przeładowania.
Podłącz dodatnie i ujemne kolektory prądu ogniwa przepływowego do testera akumulatorów. Ustaw odcięcia napięcia 0,8 i 2,2 V przy stałym prądzie 20 miliamperów na centymetr kwadratowy w oprogramowaniu do pracy akumulatora. Wielokrotnie ładuj i rozładowuj komórkę przepływową PTIO.
Przygotować próbkę rozpuszczalnika acetonitrylowego, 1,0-molowy roztwór elektrolitu TBAPF6 oraz 0,5-molowy roztwór elektrolitu PTIO i 1,0-molowy roztwór elektrolitu TBAPF6 w schowku na rękawiczki. Ponieważ ładunek gatunków PTIO jest wrażliwy na powietrze, należy stosować uszczelniane ogniwa FTIR, aby uniknąć kontaktu z powietrzem. Podczas transportu celi FTIR z komory rękawicowej do spektrometru FTIR zaleca się stosowanie hermetycznego pojemnika
.Dodaj niewielką objętość każdego roztworu do zamykanej celi FTIR z okienkami bromku potasu i ścieżką o długości 0,2 milimetra. Zamknij komorę FTIR i umieść ją w pojemniku do przechowywania, a następnie wyjmij ją ze schowka. Zamontuj komórkę FTIR w spektrometrze i przystąp do zbierania widma FTIR.
Następnie porównaj uzyskane widma FTIR acetonitrylu, 1,0 molowego TBAPF6 i 0,5 molowego PTIO, 1,0 molowego elektrolitu TBAPF6. Następnie dodaj 4,0 mililitrów 0,5 molowego roztworu PTIO, 1,0 molowego TBAPF6 do każdej szklanej fiolki. Przepływaj elektrolity z prędkością 20 mililitrów na minutę.
W pełni naładuj ogniwo przepływowe, aż napięcie osiągnie 2,2 wolta. Następnie zatrzymaj ładowanie w pompie i zbierz elektrolity dodatnie i ujemne. Zmierz widma FTIR zarówno dla elektrolitów dodatnich, jak i ujemnych, tak jak poprzednio.
Porównaj ich widma FTIR z widmami oryginalnego rozwiązania PTIO. Pracując w komorze rękawicowej, przygotuj serię roztworów PTIO w 1,0 molowym TBAPF6 w acetonitrylu. Zmierz i porównaj widma FTIR każdego z roztworów, aby uzyskać krzywą kalibracyjną.
Aby zmierzyć stan naładowania, najpierw zmontuj kolejną komórkę przepływową. Dodać 11 mililitrów 0,5 molowego roztworu PTIO, 1,0 molowego TBAPF6 do każdej szklanej fiolki. Przepływaj elektrolity z prędkością 20 mililitrów na minutę.
Naładuj komórkę przepływową stałym prądem 10 miliamperów na centymetr kwadratowy. W różnych momentach ładowania zatrzymaj ładunek ogniwa i przepływ elektrolitu i pobierz małe porcje elektrolitów z fiolek ze szkła po stronie anolitu i katolitu przed wznowieniem ogniwa. Na koniec zmierz i porównaj widma FTIR pięciu podwielokrotności próbki.
Wydajność elektrochemiczna celi przepływowej PTIO jest pokazana tutaj. Ogniwo PTIO pokazuje teoretyczne napięcie ogniwa 1,73 V z cyklicznej woltamperometrii. Cykle z prędkością 20 miliamperów na środek kwadratowy dla ogniwa 0,5 molowego doprowadziły do średniej sprawności kulombowskiej na poziomie 90%, sprawności galwanicznej na poziomie 67% i sprawności energetycznej na poziomie 60%Jednak ogniwo przepływowe wykazywało słabnącą pojemność.
Możliwość wykorzystania FTIR do wyznaczenia SOC jest weryfikowana przez FTIR peaK przy 1218 odwrotnych centymetrach. W tym przypadku rozpuszczalniki i sól mają minimalny wpływ na PTIO. Można od siebie odróżnić trzy stopnie utlenienia PTIO.
Logarytm natężenia piku wykazuje liniową zależność od stężenia PTIO i może być używany jako krzywa kalibracyjna. Stężenie PTIO i stan naładowania celi przepływowej PTIO w kilku odstępach czasu podczas ładowania określono za pomocą pomiarów FTIR. Dokładność wyznaczania SOC na podstawie FTIR jest weryfikowana krzyżowo za pomocą pomiarów rezonansu spinowego elektronów.
Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu ośmiu godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, aby unikać kontaktu próbek z tlenem lub wilgocią. Zgodnie z tą procedurą można wykonać inne metody, takie jak pomiar FTIR w funkcji liczby cyklu, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak stan zdrowia i degradacja materiału.
Po obejrzeniu filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak ocenić wydajność elektrochemiczną danej chemii baterii przepływowej redoks i jak zmierzyć SOC akumulatorów przepływowych redoks, które wykorzystują materiały redoks wrażliwe na FTIR.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten protokół wideo demonstruje elektrochemiczne osiągi i diagnostykę stanu naładowania symetrycznej, niewodnej akumulatora redoksowego z przepływem elektrolitu za pomocą spektroskopii Fouriera w podczerwieni (FTIR). Metoda odpowiada na kluczowe pytania w dziedzinie przechowywania energii w sieci, koncentrując się na bezpiecznym i niezawodnym długoterminowym działaniu akumulatorów przepływowych.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Elektrochemia
- Magazynowanie energii
- Technologia akumulatorów
Tło
- Akumulatory przepływowe są kluczowe dla magazynowania energii w sieci.
- Wyznaczanie stanu naładowania jest istotne dla zarządzania akumulatorami.
- PTIO wykazuje wyróżniający się szczyt absorpcji, ułatwiający diagnostykę.
- Interferencje z rozpuszczalników i elektrolitu komplikują ilościową ocenę.
Cel badania
- Oceniać elektrochemiczne osiągi akumulatora redoksowego z przepływem.
- Rozwijanie niezawodnej metody diagnostyki stanu naładowania.
- Zapewnić bezpieczne i efektywne długoterminowe działanie akumulatorów przepływowych.
Stosowane metody
- Testy elektrochemiczne, w tym cykliczna voltametria.
- Spektroskopia Fouriera w podczerwieni do diagnostyki stanu naładowania.
- Eksperymenty przeprowadzone w rękawicy laboratoryjnej wypełnionej argonem.
- Monitorowanie poziomu wody i tlenu poniżej jednego ppm.
Główne wyniki
- FTIR z powodzeniem rozróżnia PTIO od interferencji rozpuszczalników i soli.
- Wykazano niezawodną ocenę stanu naładowania.
- Wykazano możliwość monitorowania w czasie rzeczywistym.
- Walidowano metodę poprzez różne testy elektrochemiczne.
Wnioski
- Metoda zapewnia opłacalne rozwiązanie do diagnostyki akumulatorów.
- Zwiększa bezpieczeństwo i niezawodność działania akumulatorów przepływowych.
- Przyszłe zastosowania mogą obejmować monitorowanie w czasie rzeczywistym w systemach energetycznych.
Często zadawane pytania
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.
