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

O objetivo geral deste protocolo de vídeo é demonstrar experimentalmente o desempenho eletroquímico e o diagnóstico do estado de carga baseado no infravermelho com transformada de Fourier de uma bateria de fluxo redox simétrica, não aquosa, baseada em PTIO. Portanto, esse método pode responder a perguntas-chave no campo de armazenamento de energia da rede, como como as pessoas podem garantir que a bateria de fluxo esteja funcionando com segurança e confiabilidade, especialmente nas operações de longo prazo. A principal vantagem dessa técnica é que o estado de carga da bateria pode ser determinado por meio de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier simples e econômica, que também é integrável para monitoramento em tempo real.

Geralmente, indivíduos novos nessa técnica terão dificuldades porque nas baterias de fluxo o solvente e os eletrólitos de suporte terão interferências muito fortes durante a quantificação do material eletroativo. Tivemos essa ideia pela primeira vez quando descobrimos que o PTIO tem um pico de absorção distinguível do solvente e do sal e está entre os outros estados de oxidação. Todos os testes eletroquímicos, incluindo voltametria cíclica em células de fluxo, são realizados em um porta-luvas cheio de argônio com níveis de água e oxigênio inferiores a um ppm.

Monte a configuração de voltametria cíclica em um frasco de 25 mililitros, três pescoços, em forma de pêra, com um eletrodo de trabalho de carbono vítreo polido, um contra-eletrodo de tira de feltro de grafite e um eletrodo de referência de nitrato de prata e prata de 10 milimolares. Em seguida, dissolva 52 miligramas de PTIO e 0,87 gramas de hexafluorofosfato de tetrabutilamônio em 1,1 gramas de acetonitrila. Adicione três mililitros desta solução ao frasco para submergir as pontas dos três eletrodos.

Conecte os eletrodos a uma estação de trabalho eletroquímica. Meça as curvas de voltametria cíclica na faixa de tensão de menos 1,75 a 0,75 volts a uma taxa de varredura de 100 milivolts por segundo. A lacuna de potencial entre os dois pares redox é a tensão teórica da célula da bateria de fluxo PTIO.

Para montar a célula de fluxo, primeiro corte o feltro de grafite em uma área de um por 10 centímetros quadrados usando uma lâmina de barbear. Da mesma forma, corte um separador poroso em uma área de três por 12 centímetros quadrados e duas juntas, cada uma com um orifício de um por 10 centímetros quadrados para acomodar os feltros de grafite. Seque as peças da bateria de fluxo em um forno a vácuo a 70 graus Celsius durante a noite.

No dia seguinte, mova as peças para o porta-luvas e deixe-as esfriar até a temperatura ambiente. Monte a célula de fluxo usando uma chave de torque, predefinida em 125 libras de polegada. Em seguida, conecte os tubos de fluxo de eletrólitos à célula de fluxo.

Para realizar o teste de célula de fluxo, dissolva 1,05 gramas de PTIO e 3,60 gramas de TBAPF6 em 3,60 gramas de acetonitrila no porta-luvas. Em seguida, adicione quatro mililitros da solução a cada frasco de vidro. Flua os eletrólitos a 20 mililitros por minuto.

Conecte os coletores de corrente positiva e negativa da célula de fluxo a uma estação de trabalho eletroquímica. Meça a espectroscopia de impedância eletroquímica da célula de fluxo na faixa de frequência de 100 kiloHertz a um Hertz no potencial de circuito aberto. Os cortes de tensão dessas células de fluxo são relativamente sensíveis à variação de impedância célula a célula e precisam ser ajustados no primeiro ciclo de cada célula para evitar sobrecarga.

Conecte os coletores de corrente positiva e negativa da célula de fluxo ao testador de bateria. Configure cortes de tensão de 0,8 e 2,2 volts em uma corrente constante de 20 miliamperes por centímetro quadrado no software de operação da bateria. Carregue e descarregue repetidamente a célula de fluxo PTIO.

Prepare uma amostra de solvente acetonitrila, uma solução eletrolítica TBAPF1.0 molar 6 e uma solução eletrolítica PTIO 0.5 molar, TBAPF6 molar 1.0 molar no porta-luvas. Como a carga das espécies PTIO é sensível ao ar, células FTIR seláveis devem ser usadas para evitar o contato com o ar. Um recipiente hermético é recomendado ao transportar a célula FTIR do porta-luvas para o espectrômetro FTIR.

Adicione um pequeno volume de cada solução a uma célula FTIR selável com janelas de brometo de potássio e um comprimento de caminho de 0,2 milímetros. Sele a célula FTIR e coloque a célula FTIR em um recipiente de armazenamento e transfira-a para fora do porta-luvas. Monte a célula FTIR em um espectrômetro e prossiga para coletar o espectro FTIR.

Em seguida, compare os espectros FTIR adquiridos de acetonitrila, TBAPF6 molar 1,0 e PTIO 0,5 molar, eletrólito TBAPF6 molar 1,0. Em seguida, adicione 4,0 mililitros da solução PTIO 0,5 molar, TBAPF6 1,0 molar a cada frasco de vidro. Flua os eletrólitos a 20 mililitros por minuto.

Carregue totalmente a célula de fluxo até que a tensão atinja 2.2 volts. Em seguida, pare o carregamento na bomba e colete os eletrólitos positivos e negativos. Meça os espectros FTIR para os eletrólitos positivos e negativos como antes.

Compare seus espectros FTIR com os da solução PTIO original. Trabalhando em um porta-luvas, prepare uma série de soluções PTIO em TBAPF6 molar 1,0 em acetonitrila. Medir e comparar os espectros FTIR de cada uma das soluções para obter a curva de calibração.

Para medir o estado de carga, primeiro monte outra célula de fluxo. Adicione 11 mililitros da solução PTIO 0,5 molar, TBAPF6 1,0 molar a cada frasco de vidro. Flua os eletrólitos a 20 mililitros por minuto.

Carregue a célula de fluxo a uma corrente constante de 10 miliamperes por centímetro quadrado. Em vários momentos de carga, pare a carga da célula e o fluxo de eletrólitos e pegue pequenas alíquotas dos eletrólitos de frascos de vidro lateral de anólito e católito antes de retomar a célula. Finalmente, medir e comparar os espectros FTIR das cinco alíquotas amostrais.

O desempenho eletroquímico da célula de fluxo PTIO é mostrado aqui. A célula PTIO mostra uma tensão teórica de célula de 1,73 volts da voltametria cíclica. O ciclo a 20 miliamperes por centro quadrado para a célula molar de 0,5 levou a uma eficiência coulombiana média de 90% - uma eficiência voltaica de 67% e uma eficiência energética de 60% No entanto, a célula de fluxo exibiu um desvanecimento da capacidade.

A viabilidade de usar FTIR para determinar o SOC é validada pelo FTIR peaK em 1218 centímetros inversos. Aqui, os solventes e o sal têm interferência mínima no PTIO. Os três estados de oxidação do PTIO podem ser distinguidos uns dos outros.

O logaritmo da intensidade do pico exibe uma dependência linear da concentração de PTIO e pode ser usado como curva de calibração. A concentração de PTIO e o estado de carga de uma célula de fluxo de PTIO em vários intervalos de tempo durante o carregamento foram determinados por medições de FTIR. A precisão da determinação de SOC baseada em FTIR é validada por medições de ressonância de spin de elétrons.

Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em oito horas se for executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de evitar a exposição ao oxigênio ou umidade às amostras. Seguindo esse procedimento, outros métodos, como a medição do FTIR em função do número do ciclo, podem ser realizados para responder a perguntas adicionais, como estado de saúde e degradação do material.

Depois de assistir ao vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como avaliar o desempenho eletroquímico de uma determinada química de bateria de fluxo redox e como medir o SOC de baterias de fluxo redox que usam materiais redox sensíveis a FTIR.