Name: Um protocolo para eletroquímicos Avaliações e estado de carga Diagnostics de um fluxo Redox Battery Symmetric Organic (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-13T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: Aprenda a avaliar o desempenho eletroquímico e diagnosticar o estado de carga de baterias de fluxo redox orgânicas simétricas usando espectroscopia FTIR. Este método garante operação segura e confiável em armazenamento de energia.

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Este trabalho foi financiado pelo Centro Comum de Investigação de Armazenamento de Energia (JCESR), um Innovation Hub Energia financiado pelo Departamento de Energia, o Office of Science, ciências básicas da energia dos Estados Unidos. Os autores também reconhecem Journal of Materials Chemistry A (a Royal Society of Chemistry jornal) para originalmente publicar esta pesquisa ( <a href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b">http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b</a> ). PNNL é um laboratório nacional de multi-programa operado por Battelle para DOE sob contrato DE-AC05-76RL01830.

Nota: Todas as preparações de soluções, voltametria cíclica ensaios (CV), e o fluxo de montagem de pilha e os testes foram realizados numa caixa de luvas cheia de árgon, com água e O 2 níveis inferiores a 1 ppm. 1. Electrochemical Evaluations de Células PTIO Fluxo <ol><li> Teste CV <ol><li> Lustrar um eletrodo de carbono vítreo com 0,05 mm de gama alumina em pó, lave-o com água deionizada, colocá-lo em sob vácuo à temperatura ambiente durante a noite, e transferi-lo para uma caixa de luvas. </li><li> Dissolve-se nitrato de prata (8,5 mg) com MeCN (5 mL) na caixa de luvas, isto é, 10 mM de AgNO3. Adicionar a solução para dentro do tubo de vidro de um eléctrodo de referência de nitrato de prata / prata. </li><li> Monte o eletrodo de trabalho de carbono vítreo, um feltro de grafite tira de contra-eléctrodo, e / eléctrodo de referência de nitrato de prata de prata em 25 mL de três gargalo do balão em forma de pêra. </li><li> Dissolver PTIO (52 mg) e hexaf tetrabutilamónioluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 g) em MeCN (1,10 g), ou seja, 0,1 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar a solução ao frasco para submergir as pontas dos três eléctrodos. </li><li> Conectar os eletrodos a uma estação de trabalho eletroquímica. Medir as curvas CV dentro da faixa de tensão de -1.75-0.75 V com uma taxa de varrimento de 100 mV / s. Determinar a tensão da célula teórica da bateria de fluxo PTIO pela diferença de potencial entre os dois pares redox. NOTA: Deve notar-se que a Ag / Ag + configuração de eléctrodo de referência é um eléctrodo de pseudo-referência pela sua natureza. Como resultado, os picos redox pode mudar durante as medições CV longo prazo. No entanto, essa mudança normalmente tem uma influência negligente sobre a diferença de tensão entre os pares redox, e não afetaria o valor da tensão celular. </li></ol></li><li> Fluxo Assembleia celular <ol><li> Cortar os feltros de grafite a uma área de 1 x 10 cm2 usando uma lâmina de barbear. Da mesma forma, cortar um setembro porosaarator para uma área de 3 x 12 cm2. </li><li> Secam-se as partes da bateria de fluxo (compartimentos celulares, tubos, 5 frascos de vidro mL, feltros de grafite, e um separador poroso) em um forno de vácuo a 70 ° C durante a noite, movê-los na caixa de luvas, e arrefecer à temperatura ambiente. </li><li> Montar as partes da célula de fluxo na ordem de uma placa de extremidade, um colector de corrente de placa de cobre, uma meia célula, um feltro de grafite, uma junta, um separador poroso, um feltro de grafite, uma meia célula, um colector de corrente de placa de cobre, e um placa final. Fixe a montagem com oito parafusos de rosca contra as duas placas terminais utilizando uma chave de torque pré-fixado em 125 libras polegadas. Ligar as tubagens de fluxo de electrólito para a célula de fluxo. O conjunto de células é mostrada na Figura 1. </li></ol></li><li> Demonstração de Symmetric Eletroquímica <ol><li> Monte a célula de fluxo de acordo com a Seção 1.2. Dissolver PTIO (10 mg) e TBAPF 6 (3,3 g) com MeCN (4,4 g) na glove de caixa, ou seja, PTIO 5,0 mM / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar 4 ml de solução para cada um dos dois frascos de vidro. Bombear os electrólitos a fluir através de uma bomba peristáltica a um caudal de 20 mL / min. </li><li> Ligar os colectores de corrente positivo e negativo da célula de fluxo ao dispositivo de teste da bateria. Carregue a célula de fluxo a uma densidade de corrente constante de 5 mA / cm2 até que a voltagem atingiu 1,9 V. Pare o carregamento. Bomba de fora os eletrólitos nos frascos de vidro. </li><li> Misturar um electrólito positivo de 1 mL com um electrólito 1 mL negativo num frasco separado. Agora há quatro eletrólitos: o original, o positivo, o negativo, eo misto. </li><li> Meça espectro eletrônico de ressonância de spin (ESR) dos acima de quatro eletrólitos. 25 <ol><li> Com vedante de tubo, selar uma pequena quantidade (~ 10 mL) de valores positivos e negativos de uma tubagem de PTFE (1/16 &quot;OD e 1/32&quot; ID) em ambas as extremidades, e depois selá-la num tubo de quartzo ESR (4 mm de diâmetro). </li><li> Monte o tubo ESR de um espectrômetro de ESR equipado com um ressonador SHQE com freqüência de microondas ~ 9,85 GHz (banda X). </li><li> Recolhe-se o espectro de ESR para os quatro eletrólitos no ponto 1.3.3. </li></ol></li></ol></li><li> Teste de fluxo de celular <ol><li> Montar uma célula de fluxo seguinte Secção 1.2. </li><li> Dissolver PTIO (1,05 g) e TBAPF 6 (3,50 g) com MeCN (3,60 g) na caixa de luvas, ou seja, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar 4 ml da solução a cada frasco de vidro. Fluir os eletrólitos em 20 mL / min. </li><li> Ligar os colectores de corrente positivo e negativo da célula de fluxo para uma estação de trabalho electroquímica. Medir a impedância da célula de fluxo na gama de frequência de 100 kHz a 1 Hz para o potencial do circuito aberto. Calcula-se a resistividade de área específica (ASR), multiplicando a resistência óhmica (impedância de alta frequência) pela área activa da célula de fluxo. </li><li> Ligue o col corrente positiva e negativaleitores de a célula de fluxo ao dispositivo de teste da bateria. Configurar os pontos de corte de tensão de 0,8 e 2,2 V e a corrente constante de 20 mA cm-2 no software de operação da bateria. Repetidamente de carga / descarga da célula de fluxo PTIO. </li></ol></li></ol> 2. Determinação SOC à base de FTIR <ol><li> FTIR Validação de Viabilidade <ol><li> Prepare as seguintes três soluções eletrolíticas no porta-luvas: (a) MeCN (0,50 g); (b) TBAPF 6 (0,23 g) com MeCN (0,30 g), ou seja, 1,0 M TBAPF 6; (c) PTIO (75 mg) e TBAPF 6 (0,25 g) com MeCN (0,26 g), ou seja, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. </li><li> Medir FTIR para as três soluções de electrólitos. <ol><li> Adicionar um volume pequeno (~ 0,05 mL) de cada solução para uma célula de FTIR selável com janelas de KBr e um comprimento de percurso de 0,2 mm. Selar a célula FTIR. </li><li> Colocar a célula FTIR para um recipiente de armazenamento e transferi-lo para fora da caixa de luva. </li><li> rapidamente mount a célula FTIR a um espectrômetro e recolher o espectro FTIR. </li></ol></li><li> Montar uma célula de fluxo seguinte Secção 1.2. </li><li> Dissolver PTIO (1,05 g) e TBAPF 6 (3,50 g) com MeCN (3,60 g) na caixa de luvas, ou seja, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar 4 ml da solução a cada frasco de vidro. Fluir os eletrólitos em 20 mL / min. </li><li> Carregue totalmente a célula de fluxo até que a tensão atinge 2,2 V. Pare o carregamento e a bomba. </li><li> Medir os espectros FTIR para ambos os electrólitos positivos e negativos, respectivamente, seguindo o procedimento na Secção 2.1.2. </li><li> Prepara-se uma série de soluções PTIO (0,05-0,5 M) em 1,0 M em MeCN TBAPF 6 na caixa de luva com as composições na Tabela 1. </li><li> Medir o espectro de FTIR para cada uma das soluções na Secção 2.1.6, seguindo o procedimento na Secção 2.1.2. </li></ol></li><li> FTIR Medição de SOC <ol><li> Montar uma célula de fluxo following Seção 1.2. </li><li> Dissolver PTIO (2,9 g) e TBAPF 6 (9,6 g) com MeCN (9,8 g) na caixa de luvas, ou seja, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar 11 ml da solução para cada um dos dois frascos de vidro. Fluir os eletrólitos em 20 mL / min. </li><li> Carregue a célula de fluxo a uma corrente constante de 10 mA / cm 2 a uma taxa de fluxo de 20 mL / min. </li><li> No tempo de carga de 0, 18, 36, 54, e 72 minutos, parar a carga celular e fluxo de electrólito, tomar pequenas alíquotas (0,2 ml) da electrólitos de frascos de vidro de lado anólito e de católito, e, em seguida, retomar a célula. </li><li> Medir o espectro FTIR para as alíquotas da amostra cinco acima, seguindo o procedimento na Seção 2.1.2. </li><li> Medir o espectro de ESR para as alíquotas da amostra cinco acima, seguindo o procedimento na Seção 1.3.4. </li></ol></li></ol>

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Os autores não têm nada a divulgar.

Como foi demonstrado anteriormente, 25 FTIR é capaz de detectar de forma não invasiva o SOC da bateria de fluxo PTIO. Como uma ferramenta de diagnóstico, FTIR é particularmente vantajoso devido à sua fácil acessibilidade, resposta rápida, de baixo custo, pequena necessidade de espaço, facilidade para incorporação em linha, sem saturação detector, e a capacidade de correlacionar informações estruturais para investigar evoluções moleculares durante a operação da bateria de fluxo. Figura 3e<...

Redox fluir baterias armazenam energia em eletrólitos líquidos que estão contidos nos reservatórios externos e são bombeados para eletrodos internos para completar reações eletroquímicas. A energia armazenada e poder podem, assim, ser dissociado levando a excelente flexibilidade de design, escalabilidade e modularidade. Essas vantagens fazem baterias de fluxo adequado para aplicações de armazenamento de energia estacionários para a integração de energias renováveis ​​ainda intermitente limpo, aumentando a utilização dos ativos de rede e eficiência, e melhorando a resiliência e segurança energética. 1, 2, 3 baterias de fluxo aquosos tradicionais sofrem de densidade de energia limitada, principalmente devido à janela de tensão estreita para evitar a electrólise da água. 4, 5, 6, 7, 8 Em contraste, não-aqueelectrólitos ous baterias de fluxo de base estão a ser amplamente adoptada pelo facto de o potencial para alcançar alta tensão e de células de alta densidade energética. 9, 10 Nesses esforços, uma variedade de tipos de baterias de fluxo foram investigadas, incluindo complexos metal-coordenação, 11, 12 totalmente orgânico, 13, polímeros activos 14 redox, 15 e sistemas de fluxo híbrido lítio. 16, 17, 18, 19 No entanto, o potencial das baterias de fluxo não-aquosas ainda não foi plenamente demonstrada devido à grande gargalo técnico da demonstração limitada em condições de bateria relevantes de fluxo. Este gargalo está intimamente associada com um número de factores de limitação de desempenho. Primeiro,a pequena solubilidade da maioria dos materiais electroactivos leva a entrega de energia de baixa densidade por células de fluxo não-aquosas. Em segundo lugar, a capacidade de velocidade de baterias de fluxo não-aquosa é em grande parte limitada pela viscosidade electrólito elevado e resistividade em concentrações relevantes redox. O terceiro elemento é a falta de membranas de alta performance. Nafion e membranas cerâmicas apresentam baixa condutividade iônica com eletrólitos não aquosos. separadores porosos têm demonstrado desempenho célula de fluxo decente, mas sofrem considerável de auto-descarga por causa do tamanho relativamente grande do poro. 14, 20 Tipicamente, electrólitos mista-reagente contendo ambos os materiais de anólito e de católito redox (proporção 1: 1) são usados para reduzir os materiais de redox de cruzamento, no entanto, que as concentrações sacrifica redox eficazes, tipicamente para metade. 14, 21 Superando o gargalo acima referido exige melhorias na materIALS descoberta, design química da bateria, e arquitetura célula de fluxo para alcançar ciclismo bateria de relevante. monitorização do estado da bateria é essencialmente importante para as operações confiáveis. Off-normais condições, incluindo a sobrecarga, a evolução de gás e degradação do material pode causar danos ao desempenho da bateria e até mesmo falha da bateria. Especialmente para baterias de fluxo em grande escala envolvendo grandes quantidades de materiais de bateria, esses fatores podem causar problemas graves de segurança e perda de investimento. Estado de carga (SOC) que descreve a profundidade de carga ou descarga de baterias de fluxo é um dos mais importantes parâmetros de status da bateria. monitoramento SOC oportuna pode detectar riscos potenciais antes que eles atinjam níveis ameaçadores. No entanto, esta área parece ser sub-destinatários medida, especialmente em baterias de fluxo não-aquosas. Spectrophotoscopic métodos, tais como raios ultravioleta-visível (UV-VIS) e medições de espectroscopia de condutividade de electrólito foram avaliadas em batte fluxo aquoso<html> RY para determinação SOC. 22, 23, 24 Recentemente, introduziu um novo design não-aquosa simétrica bateria de fluxo baseado em um novo material redox ambipolar, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxil-3 -óxido (PTIO). 25 Esta bateria de fluxo mantém a promessa de enfrentar os desafios acima mencionados de baterias de fluxo não-aquosas. Em primeiro lugar, PTIO tem uma alta solubilidade (2,6 M) no solvente da bateria de acetonitrilo (MeCN) que é promissor para permitir que uma elevada densidade de energia. Em segundo lugar, PTIO apresenta dois pares redox reversível que são moderadamente separados e, portanto, pode formar uma química da bateria por si só simétrica. Nós também têm demonstrado que um pico PTIO distinguível no espectro de FTIR pode ser correlacionada com a concentração de PTIO que não reagiu na célula de fluxo, o que leva a espectroscópicas determinação do SOC, como cross-validada pelos resultados ESR.lass = &quot;xref&quot;&gt; 26 Aqui apresentamos um protocolo para a elaboração de procedimentos para as avaliações eletroquímicos e diagnósticos SOC baseados em FTIR da bateria de fluxo simétrica PTIO. Este trabalho é esperado para acionar mais conhecimentos na manutenção da segurança e confiabilidade durante as operações de baterias de fluxo de longo prazo, especialmente em aplicações de rede do mundo real.

<table><tbody><tr><td>PTIO</td><td>TCI America</td><td>A5440</td><td>>98.0%</td></tr><tr><td>Tetrabutylammonium hexafluorophosphate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>86879</td><td>grau eletroquímico, &ge; 99.0%</td></tr><tr><td>MeCN</td><td>BASF</td><td>50325685</td><td>Grau de bateria</td></tr><tr><td>Nitrato de prata</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>204390</td><td>99.9999% à base de metais traços</td></tr><tr><td>Gamma alumina em pó</td><td>CH Instruments</td><td>CHI120</td><td></td></tr><tr><td>Feltro de grafite</td><td>SGL</td><td>GFD3</td><td>Secar a vácuo a 70 &deg; C para 24 h</td></tr><tr><td>Separador poroso</td><td>Daramic</td><td>AA800</td><td>Seco a vácuo a 70 °; C para 24 h</td></tr><tr><td>Testador de bateria</td><td>Wuhan LAND electronics Co., Ltd.</td><td>Lanhe</td><td>1 A gama de corrente</td></tr><tr><td>Estação de trabalho electroquímica</td><td>Solartron Analytical</td><td>ModuLab</td><td></td></tr><tr><td>porta-luvas</td><td>MBRAUN</td><td>Labmaster SP</td><td>níveis de oxigénio e água < 1 ppm</td></tr><tr><td>Espectrômetro ESR</td><td>Bruker&nbsp;</td><td>Elexsys 580&nbsp;</td><td>Equipado com um ressonador SHQE com frequência de microondas ~ 9,85 GHz (banda X) a 2 mW de potência, com modulação de campo de 100 kHz</td></tr></tbody></table>

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

baterias de fluxo redox têm sido considerados como uma das soluções de armazenamento de energia estacionários mais promissoras para melhorar a confiabilidade da rede elétrica ea implantação de tecnologias de energia renovável. Entre os muitos tipos de baterias de fluxo, baterias de fluxo não-aquosos têm o potencial para atingir uma elevada densidade de energia por causa das janelas amplas tensão de electrólitos não-aquosos. No entanto, existem obstáculos técnicos importantes atualmente limitando baterias de fluxo não aquosos para demonstrar todo o seu potencial, tais como baixas concentrações redox, correntes de operação baixos, sub-explorado bateria monitoramento de status, etc. Em uma tentativa de resolver estas limitações, que recentemente reportou um bateria de fluxo não-aquosa de base de um composto orgânico nitronil nitróxido altamente solúvel, redox-activo radical, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxil-3 -óxido (PTIO). Este material exibe uma propriedade redox ambipolar electroquímica e, portanto, pode servir tanto como anolytE e materiais católito redox para formar uma bateria química fluxo simétrica. Além disso, demonstramos que transformada de Fourier espectroscopia no infravermelho (FTIR) poderia medir as concentrações Ptio durante o ciclismo PTIO bateria fluxo e oferecer detecção razoavelmente preciso do estado de carga da bateria (SOC), como cross-validado por ressonância magnética eletrônica (ESR) medições . Aqui apresentamos um protocolo de vídeo para o diagnóstico de avaliação e SOC eletroquímica da bateria fluxo simétrica PTIO. Com uma descrição detalhada, demonstrada experimentalmente a rota para alcançar tais fins. Este protocolo visa despertar mais interesses e percepções sobre a segurança e fiabilidade no domínio das baterias de fluxo redox não aquosos.

As vantagens únicas do sistema de bateria de fluxo simétrica PTIO são altamente atribuído às propriedades eletroquímicas de PTIO, um composto orgânico radical nitróxido. PTIO pode ser submetido a reacções de desproporcionação electroquímicos para formar PTIO + e PTIO - (Figura 2a). Estes dois pares redox são moderadamente separadas por um intervalo de voltagem de 1,7 V ~ (Figura 2b) e pode ser usado tanto como anólito e católito red...

Apresentam-se os protocolos para a avaliação electroquimicamente uma bateria de fluxo redox orgânico não aquoso e simétrica para diagnosticar seu estado de carga com FTIR.

Um protocolo para eletroquímicos Avaliações e estado de carga Diagnostics de um fluxo Redox Battery Symmetric Organic

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

O objetivo geral deste protocolo em vídeo é demonstrar experimentalmente o desempenho eletroquímico e os diagnósticos do estado de carga baseados em espectroscopia de transformada de Fourier no infravermelho de uma bateria de fluxo redox simétrica, não aquosa e baseada em PTIO. Assim, este método pode responder perguntas fundamentais na área de armazenamento de energia em rede, como como as pessoas podem garantir que as baterias de fluxo operem com segurança e confiabilidade, especialmente em operações de longo prazo. A principal vantagem desta técnica é que o estado de carga da bateria pode ser determinado por meio de uma espectroscopia de transformada de Fourier no infravermelho simples e de baixo custo, que também é integrável para monitoramento em tempo real.Em geral, indivíduos novos nesta técnica enfrentarão dificuldades porque, em baterias de fluxo, o solvente e os eletrólitos de suporte apresentam interferências muito fortes durante a quantificação do material eletroativo. Tivemos essa ideia pela primeira vez ao descobrir que o PTIO possui um pico de absorção distinto do solvente e do sal e que se encontra entre os demais estados de oxidação. Todos os testes eletroquímicos,

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Research

JoVE Journal

Chemistry

Química

Um protocolo para o teste eletroquímico de uma bateria aprótica de Li-O2 com a preparação de eletrodos e eletrólitos e uma introdução dos métodos de caracterização frequentemente usados é apresentado aqui.

Protocolo de Eletroquímica Teste e Caracterização de aprótico Li-O<sub&gt; 2</sub&gt; bateria

Espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) das espécies que sofrem oxidação reversível ou redução em solução foi utilizada para determinação das constantes de velocidade de oxidação ou redução.

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Neste artigo, descrevemos eletroquímica, ressonância paramagnética electrónica e ultravioleta, visível e infravermelho próximo spectroelectrochemical métodos para analisar compostos orgânicos para aplicação em eletrônica orgânica.

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Aprenda a avaliar o desempenho eletroquímico e diagnosticar o estado de carga de baterias de fluxo redox orgânicas simétricas usando espectroscopia FTIR. Este método garante operação segura e confiável em armazenamento de energia.

Um protocolo para eletroquímicos Avaliações e estado de carga Diagnostics de um fluxo Redox Battery Symmetric Organic

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