Протокол для гальванических оценок и состояние заряда диагностики Симметричный органических Редокс Flow Батарея

Общая цель этого видеопротокола — экспериментально продемонстрировать электрохимические характеристики и инфракрасную диагностику состояния заряда симметричной, неводной, основанной на PTIO, окислительно-восстановительной проточной батареи. Таким образом, этот метод может ответить на ключевые вопросы в области хранения энергии в сети, например, как люди могут убедиться, что проточная батарея работает безопасно и надежно, особенно в долгосрочной перспективе. Основное преимущество этого метода заключается в том, что уровень заряда батареи может быть определен с помощью простой экономичной инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, которая также может быть интегрирована для мониторинга в режиме реального времени.

Как правило, люди, плохо знакомые с этим методом, будут испытывать трудности, потому что в проточных батареях растворитель и поддерживающие электролиты будут иметь очень сильные интерференции во время количественного определения электроактивного материала. Впервые эта идея пришла нам в голову, когда мы обнаружили, что PTIO имеет пик поглощения, отличающийся от растворителя и соли, и находится среди других степеней окисления. Все электрохимические испытания, включая циклическую вольтамперометрию в проточных ячейках, проводятся в баркатоне, заполненном аргоном, с уровнями воды и кислорода менее одного ppm.

Соберите циклическую вольтамперометрическую установку в грушевидную колбу объемом 25 миллилитров с тремя горлышками и полированным стеклоуглеродным рабочим электродом, графитовым войлочным полосовым контрэлектродом и 10-миллимолярным электродом сравнения из нитрата серебра и серебра 10 миллиметров. Далее растворите 52 миллиграмма PTIO и 0,87 грамма тетрабутиламмония гексафторфосфата в 1,1 грамме ацетонитрила. Добавьте три миллилитра этого раствора в колбу, чтобы погрузить кончики трех электродов.

Подключите электроды к электрохимической рабочей станции. Измерьте кривые циклической вольтамперометрии в диапазоне напряжений от минус 1,75 до 0,75 вольт при скорости сканирования 100 милливольт в секунду. Потенциальный зазор между двумя окислительно-восстановительными парами является теоретическим напряжением ячейки проточной батареи PTIO.

Чтобы собрать проточную ячейку, сначала разрежьте графитовый войлок на площадь один на 10 квадратных сантиметров с помощью лезвия бритвы. Аналогично вырежьте пористый сепаратор на площади три на 12 квадратных сантиметров и две прокладки, каждая с отверстием один на 10 квадратных сантиметров для размещения графитовых войлоков. Высушите детали проточной батареи в вакуумной печи при температуре 70 градусов Цельсия в течение ночи.

На следующий день переместите детали в бардачок и дайте им остыть до температуры окружающей среды. Соберите проточную ячейку с помощью динамометрического ключа, предварительно настроенного на 125 дюймов фунтов. Затем подсоедините проточные трубки электролита к проточной ячейке.

Чтобы провести тест с проточной ячейкой, растворите 1,05 грамма PTIO и 3,60 грамма TBAPF6 в 3,60 грамма ацетонитрила в перчаточном ящике. Затем добавьте по четыре миллилитра раствора в каждый стеклянный флакон. Подавайте электролиты со скоростью 20 миллилитров в минуту.

Подключите датчики положительного и отрицательного тока проточной ячейки к электрохимической рабочей станции. Измерьте электрохимическую импедансную спектроскопию проточной ячейки в диапазоне частот от 100 килогерц до одного герца при потенциале разомкнутой цепи. Срезы напряжения этих проточных ячеек относительно чувствительны к изменению импеданса ячейки и должны регулироваться в самом первом цикле каждой ячейки, чтобы избежать перезаряда.

Подключите датчики положительного и отрицательного тока проточной ячейки к тестеру аккумуляторной батареи. Установите отсечки напряжения 0,8 и 2,2 вольта при постоянном токе 20 миллиампер на квадратный сантиметр в программном обеспечении для работы аккумулятора. Многократно заряжайте и разряжайте проточную ячейку PTIO.

Приготовьте образец ацетонитрильного растворителя, 1,0 молярного раствора электролита TBAPF6 и 0,5 моляра PTIO, 1,0 молярного раствора электролита TBAPF6 в перчаточном ящике. Поскольку заряд частиц PTIO чувствителен к воздуху, следует использовать герметичные ИК-Фурье элементы для предотвращения контакта с воздухом. При транспортировке ИК-Фурье ячейки из перчаточного ящика к ИК-Фурье спектрометру рекомендуется использовать герметичный контейнер.

Добавьте небольшой объем каждого раствора в герметичную ИК-Фурье ячейку с окнами бромида калия и длиной пути 0,2 миллиметра. Запечатайте ИК-Фурье ячейку, поместите ее в контейнер для хранения и выньте из перчаточного ящика. Установите ИК-Фурье ячейку на спектрометр и приступайте к сбору ИК-Фурье спектра.

Затем сравните полученные спектры ИК-Фурье ацетонитрила, 1,0 моляра TBAPF6 и 0,5 моляра PTIO, 1,0 моляра электролита TBAPF6. Далее добавьте по 4,0 миллилитра 0,5 моляра PTIO, 1,0 молярного раствора TBAPF6 в каждый стеклянный флакон. Подавайте электролиты со скоростью 20 миллилитров в минуту.

Полностью зарядите проточную ячейку до тех пор, пока напряжение не достигнет 2,2 вольта. Затем прекратите зарядку в насосе и соберите положительные и отрицательные электролиты. Измерьте спектры ИК-Фурье для положительных и отрицательных электролитов, как и раньше.

Сравните их спектры ИК-Фурье спектров с спектрами исходного решения PTIO. Работая в бардачке, приготовьте серию растворов PTIO в моляре 1,0 TBAPF6 в ацетонитриле. Измерьте и сравните спектры ИК-Фурье спектров каждого из решений, чтобы получить калибровочную кривую.

Чтобы измерить состояние заряда, сначала соберите еще одну проточную ячейку. Добавьте 11 миллилитров 0,5 моляра PTIO, 1,0 моляра раствора TBAPF6 в каждый стеклянный флакон. Подавайте электролиты со скоростью 20 миллилитров в минуту.

Заряжайте проточную ячейку при постоянном токе 10 миллиампер на квадратный сантиметр. В разное время зарядки остановите заряд элемента и поток электролита и возьмите небольшие аликвоты электролитов из стеклянных флаконов анолита и католита перед возобновлением работы элемента. Наконец, измерьте и сравните спектры ИК-Фурье спектров пяти образцов аликвот.

Здесь показаны электрохимические характеристики проточной ячейки PTIO. Ячейка PTIO показывает теоретическое напряжение ячейки 1,73 вольта по результатам циклической вольтамперометрии. Цикличность при 20 миллиамперах на квадратный центр для молярной ячейки 0,5 привела к среднему кулоновскому КПД 90%, вольтаическому КПД — 67%, а энергоэффективности — 60%.

Возможность использования ИК-Фурье для определения SOC подтверждена с помощью ИК-Фурье peaK с обратным расстоянием 1218 сантиметров. При этом растворители и соль оказывают минимальное воздействие на PTIO. Можно выделить три степени окисления PTIO друг от друга.

Логарифм пиковой интенсивности имеет линейную зависимость от концентрации PTIO и используется в качестве калибровочной кривой. Концентрацию PTIO и состояние заряда проточной ячейки PTIO через несколько временных интервалов во время зарядки определяли с помощью ИК-Фурье измерений. Точность определения SOC на основе ИК-Фурье-спектрометрии подтверждается измерениями электронного спинового резонанса.

После освоения этой техники ее можно выполнить за восемь часов, если она выполнена правильно. При попытке выполнить эту процедуру важно помнить о том, что необходимо избегать контакта с образцами кислорода или влаги. Следуя этой процедуре, можно использовать другие методы, такие как измерение ИК-Фурье спектрометрии в зависимости от номера цикла, чтобы ответить на дополнительные вопросы, такие как состояние здоровья и деградация материала.

После просмотра видео у вас должно быть хорошее понимание того, как оценить электрохимические характеристики данной окислительно-восстановительной проточной батареи и как измерить SOC окислительно-восстановительных батарей, в которых используются ИК-Фурье чувствительные окислительно-восстановительные материалы.