Um protocolo para o estudo é apresentado de metal multieletrônicos / sistemas de baterias de ar, usando a tecnologia anterior, desenvolvido para a célula de zinco / ar. Teste electroquímico é então realizada nos baterias fabricados para avaliar o desempenho.
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Neste artigo
Resumo
Resumo
Uma técnica para investigar as propriedades e desempenho de novos sistemas de bateria multieletrônicos metal / ar é proposta e apresentada. Um método para sintetizar nanoscopic VB 2 é apresentada, bem como um procedimento passo-a-passo de aplicação de um revestimento de óxido de zircónio para as duas partículas VB para a estabilização no momento da alta. O processo de desmontagem de pilhas de zinco / ar existentes é mostrada, na construção de adição do novo eléctrodo de trabalho para substituir o zinco / ar de ânodo da célula convencional com um a nanoscopic VB 2 ânodo. Finalmente, a alta do VB completou 2 / bateria de ar é relatada. Nós mostramos que a utilização da célula de zinco / ar, como um banco de ensaio é útil para fornecer uma configuração consistente para estudar o desempenho de alta energia de alta capacidade nanoscopic VB 2 ânodo.
Introdução
Diboreto de vanádio como um ânodo tem entre a maior capacidade de carga volumétrico de qualquer material do ânodo. Este protocolo apresenta um método para estudar este material fascinante. Zinco metálico tem sido o material do ânodo predominante em sistemas primários aquosos, devido à alta volumétrica de dois elétrons do metal de zinco e gravimétricos capacidade de armazenamento de carga de 5,8 Kah L -1 e 820 Ah kg -1, respectivamente. * A bateria de zinco-carbono, conhecido como a célula Leclanché, foi introduzido pela primeira vez no século 19, combinando um ânodo de zinco com um dióxido de manganês (carbono coletor de corrente) cátodo em um eletrólito de cloreto de 1. A bateria alcalina comum utiliza o mesmo casal, mas substitui o eletrólito cloreto com um eletrólito de hidróxido alcalino aquoso. Juntos, zinco-carbono e pilhas alcalinas são a maioria de baterias primárias vendido 1. Quando o bióxido de manganês na célula alcalina é substituídopor um cátodo de ar, as capacidades de armazenamento de energia substancialmente mais elevados são atingidos. Esta bateria de zinco-ar utiliza o oxigênio do ar, e é comumente encontrado em baterias de aparelhos auditivos 1-3.
A nossa busca de maior capacidade de armazenamento da bateria tem incidido sobre os materiais que podem ser transferidos vários elétrons por molécula 4-11. Entre a grande variedade de pares redox que exploramos, VB 2 destaca-se como um ânodo alcalino extraordinário capaz de liberar 11 elétrons por VB 2, com capacidade volumétrica e gravimétrica de 20,7 Kah L -1 e 4060 Ah kg -1, respectivamente. * Em 2004, Yang e colaboradores relataram a descarga de VB 2, mas também documentou o domínio estendido no qual VB 2 é suscetível à corrosão em meios alcalinos 12. Em 2007, relatou que um revestimento nas VB duas partículas impede essa corrosão 13, levando a demonstração da VB 2 ar / battery em 2008 14.
Neste artigo, apresentamos um protocolo usado para investigar novos sistemas de metal / ar que empregam a tecnologia já desenvolvida para a célula de zinco / ar como aplicado ao VB 2 / câmara de ar. Um nanoscopicVB ânodo 2 é apresentado como um ânodo de alta densidade de energia de alta energia capaz de exibir uma reacção de oxidação de onze electrões aproximando a capacidade intrínseca teórica de 4060 Ah kg -1 em aumento da tensão da bateria e da capacidade de carga da bateria. A VB 2 / ar par usa um electrólito alcalino de KOH / NaOH, que emprega o mesmo cátodo de oxigénio do ar extraído a partir da célula de zinco / ar 1. O eletrocatalisador cátodo de carbono não é consumida durante a descarga.
Existe uma necessidade para uma maior compreensão da VB 2 / sistema de ar, a fim de melhorar ainda mais o desempenho da célula. As propriedades eo desempenho de nanoscopic VB dois materiais podem ser exploradas usando tele configuração de célula da célula de zinco / ar 15,16. Electrochemical testes podem ser realizados para nanoscopic 2 VB para comparar o desempenho por meio da eficiência por cento em várias taxas.
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Protocolo
1. Preparação Nano-VB 2
Nanoscopic VB 2 é diretamente sintetizada a partir de vanádio elementar e boro via bola de moagem em uma toupeira ração 01:02.
- Limpe a 50 ml de carboneto de tungstênio moagem jar e dez de 10 milímetros de carboneto de tungstênio bolas. Sob ar seco num forno a 100 ° C durante 1 hora para assegurar que toda a água tenha evaporado.
- Limpe o interior do jarro de moagem para garantir que nenhum resíduo permanece, repita o passo 1.1 se resíduo é visível.
- Purgar a antecâmara de um porta-luvas com argônio 3x por 10 minutos de cada vez. Transfira o frasco de moagem, bolas, e espátula limpa no argônio cheio porta-luvas.
- Pesar o vanádio e os pós de boro numa razão molar de 1:2, 0,500 g de vanádio e de 0,212 g de boro dentro do frasco de moagem, adicionar as bolas, e selar o frasco de moagem.
- Retire o frasco de moagem selado do porta-luvas, colocá-lo em um moinho de bolas planetário definido para 600 rpm e moinho para 4 horas.
- Depois completion, permitir que o frasco de moagem a arrefecer até à temperatura ambiente antes da remoção do moinho de bolas.
- Purgar a antecâmara de um porta-luvas com argônio 3x por 10 minutos de cada vez. Transfira o frasco de moagem, balão de fundo redondo, filme de parafina, espátula, e uma barra magnética na caixa de luva.
- Aplicar o revestimento de óxido de zircónio com o preparado nanoscopic VB 2 como se segue:
- Dentro da caixa de luva recolher o nano-VB 2 previamente preparada usando uma espátula para raspar as paredes do frasco de moagem até que a maior parte da massa de partida foi recuperado. Pesar e transferir o recolhidas nano-VB 2 em um frasco de fundo redondo.
- Pesam-se 3,5 por cento em peso de cloreto de zircónio em comparação com o VB recolhidos 2 e, em seguida, adicionar o pó para o balão de fundo redondo contendo o recolhidos nano-VB 2.
- Adicionar uma barra magnética de agitação ao frasco e usando película de parafina selar a abertura antes da remoção da caixa de luva. Alternativamente, umsepto tem sido utilizado com resultados equivalentes Remover o frasco de fundo redondo da caixa de luva.
- Usando uma seringa de 10 ml, transferir 10 ml de éter dietílico para o balão de fundo redondo. Cobrir rapidamente o buraco criado pela seringa no filme de parafina com uma peça adicional de Parafilm.
- Misture o balão numa placa de agitação durante uma hora, em uma definição média.
- Após uma hora, evapora-se o éter dietílico restante para fora do nano-2 VB utilizando um evaporador rotativo ou outro até que a configuração da bomba revestida de nano-VB 2 parece seco.
- Depois de Zr revestido nano-VB 2 é completamente seco, coletar.
2. Preparação de eletrólito
- Prepara-se uma mistura de uma solução 4 M de NaOH para utilização como electrólito e 4 M de KOH. (NOTA: Faça apenas o suficiente para durar algumas semanas, repita conforme necessário, para formar novas células). Electrólitos solução aquosa de hidróxido de NaOH e KOH foram explorados no passado variando em concentração ranging de 8 M a saturado. A combinação de NaOH 4 M e 4 M de KOH produz melhorou ligeiramente o desempenho da taxa elevada em comparação com os resultados anteriores, utilizando um electrólito de NaOH puro.
3. Desmontagem de zinco / Ar Baterias
Consulte a tabela de regentes e materiais para detalhes sobre a fabricante da bateria eo número do modelo.
- Abrindo a célula de zinco / ar para a fabricação posterior do VB 2 / células de ar.
- Criar um corte no bordo do invólucro da célula de moedas com um alicate de corte diagonal.
- Crimp fora afiada do lábio para fora. Depois de passar completamente em torno da célula, duas vezes, deve ser fácil de abrir.
- Usando uma lâmina de barbear, empurre para cima nas bordas da tampa lentamente, forçar suavemente abrir a cela. NOTA: Pode demorar algum tempo para obter a célula aberta. Seja paciente e cuidado para não quebrar ou danificar qualquer parte ao fazer este passo. A célula terá de permanecer intacto.
- Preparação da bateria para uso
- Uma vez que a célula é aberta em duas partes (a tampa e a parte inferior) começam a retirar cuidadosamente o material de ânodo de zinco a partir da tampa e no fundo.
- Remover o máximo possível de zinco sólido, com a lâmina de barbear. Não raspe o fundo, é importante para não danificar as peças. O separador (inferior) e os lados () formar uma junta de sobreposição única opaca que pode ser facilmente perfurado pela aplicação de demasiada pressão com a lâmina de barbear. Perfurar o separador irá resultar em danos no cátodo de ar. Adicionalmente, se a junta for perturbado a fiabilidade da célula a ser isolado electricamente é perdida.
- Usando um cotonete, limpe cuidadosamente o zinco eo resíduo restante da tampa, inferior e separador.
- Limpe a tampa e fora da célula com álcool isopropílico.
4. Preparação de um 5 mAh eléctrodo de trabalho, com uma mistura de 70/30 seco
- Usando sintetizado Zr revestido nano-VB 2 como materialmente ativaai, pesam-se 0,0012 g por eléctrodo a ser fabricado (normalmente 5-10 células são testadas ao mesmo tempo) e transferir para um almofariz e pilão.
- Adicionar 30% do VB pesava 2, 0,0005 g de negro de carbono de grafite (por eléctrodo), para o material activo num almofariz e pilão e moa durante 30 minutos.
- Certifique-se de que não existem grandes aglomerados, visíveis de material e recolher pó.
- Pesar aproximadamente 0,0017 g da mistura 70/30-powder per cap eletrodo limpo usando uma espátula. (Se a preparação de células múltiplas de uma só vez, transferir o material para a tampa do eléctrodo).
- Adicionar uma gota de álcool isopropílico para cada tampa e agite em pó com uma espátula ou outra pequena ponta afiada até que não haja grumos e suspensão é distribuída uniformemente em toda a parte superior da tampa.
- Permitir eléctrodos para secar durante 30 min.
5. VB 2-Air Assembléia celular - Método seco
- Montar células no sentido inverso do zinco / air célula com o eletrodo de trabalho, boné, de cabeça para baixo.
- Organizar cada célula (a 5 - 10 a ser testado), em duas filas, os tampões em uma e os fundos correspondentes na outra. Inspeccionar cada tampa para garantir que o material do ânodo é uniformemente distribuída e não rachado.
- Adicionar 27 uL de 4 M de KOH / 4 M de NaOH mistura de electrólito para cada separador.
- Com cuidado, retire o excesso de eletrólito a partir do fundo usando algodão enxugando apenas uma vez dentro do fundo.
- Retire cuidadosamente cada um dos fundos, entregá-los e colocá-los em cima das tampas de modo que o material anódico está em contato com o eletrólito.
- Aplicar pressão e selar usando um epoxi de secagem rápida.
6. Nano-VB 2 Testing Cell / Air
- Uma vez que o processo de fabricação é concluído, as células coloque em uma cremalheira de descarga ou suporte da bateria.
- Permitir que cada célula de um passo inicial de repouso de 10 minutos para assegurar que as células se equilibrar antes da descarga.
- QuitaçãoAs células a uma carga constante de 3,000 Ω (ou uma carga desejada alternativa), utilizando um aparelho de bateria.
- Após o passo de equilibração, fazer uma medição do potencial de circuito aberto.
- Depois descarregar sob uma carga constante até que uma voltagem de 0,4 V de paragem ser atingido.
- A eficiência de Coulomb pode então ser calculada a percentagem da capacidade de medição em relação ao ânodo teórico capacidade de descarga de electrões de onze Ah 4,060 kg -1.
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Resultados
Teste electroquímico é realizado para determinar o desempenho de VB 2 / ar baterias. Os resultados obtidos para várias células fornecem evidência para a reprodutibilidade do desempenho da célula. Figura 1 compara a VB 2 / baterias de ar durante uma 3000 ohm (esquerda) e 1000 ohm (à direita) de descarga. Note-se que a tensão de descarga, bem como a fracção de 4,060 kg -1 Ah capacidade intrínseca é maior com a nanoscopic VB 2 ânodo comparado com o ânodo de célul...
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Discussão
A construção da VB 2 / bateria ar, desta forma fornece a capacidade de estudar e investigar os onze elétrons por molécula de transferência de carga que ocorre, permitindo a possibilidade de uma nova bateria de alta capacidade. Se os resultados obtidos não demonstraram resultados reprodutíveis, assegurar que todo o material do ânodo de zinco foi removido a partir da bateria, que existe uma dispersão uniforme do material activo na tampa, e que as células são adequadamente coladas, sem quaisquer fugas. Se o prob...
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Divulgações
Os autores, Chris Rhodes, Ruben Lopez, Xuguang Li, Mahesh Waje e Mateus Mullings são funcionários da Lynntech Inc.
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer a National Science Foundation Award 1006568 para financiar este projeto.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| MATERIAIS | |||
| Boro | Alfa Aesar | 11337 | |
| Éter Dietílico | J.T. Baker | 9244-06 | 4L |
| Epoxy | Loctite | Heavy Duty 5 min tempo de configuração | |
| Álcool Isopropílico | |||
| Panasonic 675 Célula de Zinco/Ar Panasonic | PR675H | Feito no Japão ( não alemão) | |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | Graphitic carbon black | |
| Vanadium | Aldrich | 262935 | |
| Vanadium Diboride | American Elements | 12007-37-3 | |
| Cloreto de Zircônio | Spectrum | Z20001 | |
| EQUIPTMENT | |||
| 50-mL frasco de fundo redondo | Fisher Scientific Co LLC | CG151001 | |
| Alicate de corte diagonal | Loja | ||
| Placa quente/agitada | IKA | C-MAG HS 7 | |
| Porta-luvas | Labconco | Precision Basic | |
| Dez bolas de carboneto de tungstênio de 10 mm | Lab Synergy | 55.0100.08 | |
| Frasco de fresagem de carboneto de tungstênio | Lab Synergy | 50.8600.00 | |
| Lâmina de barbear | de ferragens | ||
| Retsch PM 100 moinho de bolas planetárias | Retsch | 205400003 | |
| Barra de agitação | VWR International | 58947-140 |
Referências
- 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).
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- 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).
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Reimpressões e permissões
