Протокол для гальванических оценок и состояние заряда диагностики Симметричный органических Редокс Flow Батарея
13 февраля 2017 г.
Мы представляем протоколы для электрохимически оценки симметричного неводного органического батареи редокс-потока и для диагностики его состояния заряда с использованием FTIR.
Общая цель данного видеопротокола — экспериментально продемонстрировать электрохимические характеристики и диагностику степени заряда на основе инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье для симметричного неводного редокс-поточного аккумулятора на основе PTIO. Таким образом, данный метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области хранения энергии в энергосетях, такие как обеспечение безопасной и надежной работы поточных аккумуляторов, особенно при длительной эксплуатации. Основным преимуществом этого метода является возможность определения степени заряда аккумулятора с помощью простой и экономически эффективной ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье, которая также может быть интегрирована для мониторинга в режиме реального времени.
Как правило, специалисты, впервые применяющие данный метод, сталкиваются с трудностями, поскольку в проточных батареях растворитель и фоновые электролиты создают сильные помехи при количественном определении электроактивного материала. Эта идея возникла у нас, когда мы обнаружили, что PTIO имеет пик поглощения, который отличается от пиков растворителя и соли, а также от пиков других степеней окисления. Все электрохимические испытания, включая циклическую вольтамперометрию в проточных ячейках, проводятся в перчаточном боксе, заполненном аргоном, при содержании воды и кислорода менее 1 ppm.
Соберите установку для циклической вольтамперометрии в трехгорлой грушевидной колбе объемом 25 мл, используя полированный рабочий электрод из стеклоуглерода, вспомогательный электрод в виде полоски из графитового войлока и электрод сравнения из серебра с 10 мМ раствором нитрата серебра. Затем растворите 52 мг PTIO и 0,87 г гексафторфосфата тетрабутиламмония в 1,1 г ацетонитрила. Добавьте три мл этого раствора в колбу, чтобы погрузить наконечники трех электродов.
Подключите электроды к электрохимической рабочей станции. Снимите кривые циклической вольтамперометрии в диапазоне напряжений от -1,75 до 0,75 вольт при скорости сканирования 100 милливольт в секунду. Разность потенциалов между двумя редокс-парами представляет собой теоретическое напряжение элемента проточной батареи PTIO.
Для сборки проточной ячейки сначала вырежьте из графитового войлока фрагмент площадью 1×10 квадратных сантиметров с помощью лезвия бритвы. Аналогично вырежьте пористый сепаратор площадью 3×12 квадратных сантиметров и две прокладки, каждая из которых должна иметь отверстие размером 1×10 квадратных сантиметров для размещения графитового войлока. Высушите детали проточной батареи в вакуумном oven при 70 °C в течение ночи.
На следующий день переместите детали в перчаточный бокс и дайте им остыть до температуры окружающей среды. Соберите проточную ячейку с помощью динамометрического ключа, предварительно установленного на 125 inch pounds. Затем подключите трубки для подачи электролита к проточной ячейке.
Для проведения теста в проточной ячейке растворите 1,05 грамма PTIO и 3,60 грамма TBAPF6 в 3,60 граммах ацетонитрила в перчаточном боксе. Затем добавьте по четыре миллилитра раствора в каждую стеклянную виалу. Подавайте электролиты со скоростью 20 миллилитров в минуту.
Подключите положительный и отрицательный токосъемники проточной ячейки к электрохимической рабочей станции. Измерьте электрохимический импеданс проточной ячейки методом спектроскопии в диапазоне частот от 100 kiloHertz до 1 Hertz при потенциале разомкнутой цепи. Пороги напряжения этих проточных ячеек относительно чувствительны к индивидуальным различиям импеданса каждой ячейки, поэтому их необходимо отрегулировать при первом цикле каждой ячейки, чтобы избежать перезаряда.
Подключите положительный и отрицательный токосъемники проточной ячейки к тестеру аккумуляторов. В программном обеспечении для эксплуатации аккумуляторов установите пороги отсечки по напряжению 0,8 и 2,2 вольт при постоянном токе 20 мА/см². Проведите многократные циклы заряда и разряда проточной ячейки PTIO.
В перчаточном боксе подготовьте образец растворителя ацетонитрила, 1,0 молярный раствор электролита TBAPF6, а также 0,5 молярный раствор PTIO с 1,0 молярным раствором электролита TBAPF6. Поскольку заряд частиц PTIO чувствителен к воздействию воздуха, следует использовать герметичные кюветы для ИК-фурье-спектроскопии, чтобы избежать контакта с воздухом. При перемещении кюветы из перчаточного бокса к ИК-фурье-спектрометру рекомендуется использовать герметичный контейнер.
Добавьте небольшой объем каждого раствора в герметичную кювету для ИК-фурье-спектрометра с окнами из бромида калия и длиной оптического пути 0,2 мм. Герметично закройте кювету, поместите ее в контейнер для хранения и вынесите из перчаточного бокса. Установите кювету в спектрометр и приступите к регистрации ИК-фурье-спектра.
Затем сравните полученные ИК-Фурье спектры ацетонитрила, 1,0 М раствора TBAPF6 и электролита, состоящего из 0,5 М PTIO и 1,0 М TBAPF6. Далее добавьте по 4,0 мл раствора 0,5 М PTIO и 1,0 М TBAPF6 в каждую стеклянную виалу. Подавайте электролиты со скоростью потока 20 мл в минуту.
Полностью зарядите проточную ячейку до достижения напряжения 2,2 вольта. Затем прекратите подачу тока насосом и соберите положительный и отрицательный электролиты. Снимите ИК-Фурье спектры для обоих электролитов, как и ранее.
Сравните их ИК-спектры с спектром исходного раствора PTIO. Работая в перчаточном боксе, приготовьте серию растворов PTIO в 1,0 М TBAPF6 в ацетонитриле. Измерьте и сравните ИК-спектры каждого из растворов для построения калибровочного графика.
Для измерения степени заряда сначала соберите еще одну проточную ячейку. Добавьте по 11 мл 0,5 молярного раствора PTIO и 1,0 молярного раствора TBAPF6 в каждый стеклянный флакон. Подавайте электролиты со скоростью 20 мл в минуту.
Заряжайте проточную ячейку при постоянном токе 10 мА/см². Через определенные интервалы времени зарядки прекращайте зарядку ячейки и подачу электролита, затем отберите небольшие аликвоты электролитов из стеклянных флаконов на стороне анолита и католита перед повторным запуском ячейки. В завершение измерьте и сравните ИК-фурье-спектры пяти отобранных аликвот.
Здесь представлены результаты электрохимических испытаний проточного элемента на основе PTIO. Согласно данным циклической вольтамперометрии, теоретическое напряжение элемента PTIO составляет 1,73 вольта. Циклирование при плотности тока 20 мА/см² для элемента с концентрацией 0,5 М обеспечило среднюю кулоновскую эффективность 90%, вольтаическую эффективность 67% и энергетическую эффективность 60%. Тем не менее, в проточном элементе наблюдалось снижение емкости.
Возможность использования ИК-фурье-спектроскопии для определения SOC подтверждается наличием пика ИК-фурье в области 1218 см⁻¹. В данном случае растворители и соль оказывают минимальное влияние на PTIO. Три степени окисления PTIO могут быть дифференцированы между собой.
Логарифм интенсивности пика демонстрирует линейную зависимость от концентрации PTIO и может быть использован в качестве калибровочного графика. Концентрация PTIO и степень заряженности проточного элемента с PTIO в несколько временных интервалов в процессе зарядки были определены с помощью ИК-фурье-спектроскопии. Точность определения SOC на основе ИК-фурье-спектроскопии была перекрестно подтверждена измерениями методом электронного спинового резонанса.
После освоения эта методика может быть выполнена за восемь часов при условии правильного соблюдения всех этапов. При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости избегать воздействия кислорода или влаги на образцы. После завершения данной процедуры могут быть применены другие методы, такие как измерение FTIR в зависимости от номера цикла, для получения ответов на дополнительные вопросы, например, о состоянии здоровья (state of health) и деградации материала.
После просмотра данного видео вы получите четкое представление о том, как оценивать электрохимические характеристики конкретного химического состава редокс-поточного аккумулятора, а также о том, как измерять SOC редокс-поточных аккумуляторов, в которых используются редокс-материалы, чувствительные к ИК-фурье-спектроскопии (FTIR).
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном видеопротоколе демонстрируются электрохимические характеристики и диагностика степени заряженности симметричной неводной редокс-поточной батареи с использованием инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Данный метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области хранения энергии для энергосетей, уделяя особое внимание безопасной и надежной долгосрочной эксплуатации поточных батарей.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Электрохимия
- Хранение энергии
- Технология аккумуляторов
Введение
- Проточные аккумуляторы имеют решающее значение для хранения энергии в электросетях.
- Определение степени заряда необходимо для управления аккумулятором.
- PTIO демонстрирует отчетливый пик поглощения, что облегчает диагностику.
- Помехи со стороны растворителей и электролитов осложняют количественный анализ.
Цель исследования
- Оценка электрохимических характеристик проточной редокс-батареи.
- Разработка надежного метода диагностики степени заряженности.
- Обеспечение безопасной и эффективной длительной эксплуатации проточных батарей.
Используемые методы
- Электрохимические испытания, включая циклическую вольтамперометрию.
- Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье для диагностики степени заряженности.
- Эксперименты, проведенные в перчаточном боксе с аргоновой атмосферой.
- Контроль уровня содержания воды и кислорода ниже 1 ppm.
Основные результаты
- Метод ИК-фурье-спектроскопии позволяет успешно отличить PTIO от помех, создаваемых растворителем и солью.
- Продемонстрировано надежное определение степени заряда.
- Показана возможность мониторинга в режиме реального времени.
- Метод был валидирован с помощью различных электрохимических тестов.
Выводы
- Данный метод представляет собой экономически эффективное решение для диагностики аккумуляторов.
- Он повышает безопасность и надежность эксплуатации проточных аккумуляторов.
- Перспективные области применения могут включать мониторинг энергетических систем в режиме реального времени.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Данный протокол обеспечивает надежный мониторинг степени заряда неводных редокс-поточных аккумуляторов, решая критические проблемы хранения энергии в электросетях, связанные с долгосрочной эксплуатационной безопасностью и предсказуемостью рабочих характеристик. Благодаря использованию ИК-фурье-спектроскопии для диагностики в режиме реального времени, метод позволяет снизить механизмические риски при разработке новых химических составов аккумуляторов и служит основой для принятия решений о целесообразности дальнейшего развития портфелей технологий хранения энергии. Такой подход улучшает трансляционную преемственность — от поиска новых материалов до валидации на системном уровне, снижая неопределенность при применении стационарных систем хранения энергии.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать поведение редокс-активных материалов в рабочих условиях, обеспечивая валидацию целей посредством прямого наблюдения за изменениями электрохимического состояния.
- Практическая ценность: предоставляет стандартизированный метод дифференциации целевых сигналов от помех, создаваемых растворителем и электролитом, что повышает специфичность анализа в системах хранения энергии.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: облегчает подготовку валидированных электроактивных систем для последующего скрининга путем построения концентрационных кривых отклика ИК-фурье спектроскопии.
- Практическая ценность: обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость анализа за счет использования герметичных кювет для ИК-Фурье, которые предотвращают атмосферную деградацию образцов при переносе и измерении.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Способствует моделированию систем, имеющих значение для изучения заболеваний, обеспечивая непрерывный мониторинг окислительно-восстановительных форм в ходе циклов заряда/разряда, что отражает динамику биологических систем.
- Практическая ценность: Обеспечивает трансляционную преемственность путем кросс-валидации измерений степени заряда на основе ИК-фурье-спектроскопии с помощью ортогональных методов, таких как электронный спиновый резонанс.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в процесс научных открытий, позволяя проверять гипотезы о редокс-механизмах, обеспечивая готовность анализа за счет количественных данных ИК-фурье-спектроскопии и обосновывая аналитические решения путем отслеживания степени заряда на протяжении рабочих временных интервалов.
- Фундаментальная биология: способствует снижению механистических рисков путем выяснения окислительно-восстановительных путей и переходов состояний окисления PTIO в процессе циклирования аккумулятора.
- Скрининг: обеспечивает количественные, воспроизводимые измерения концентрации электроактивных веществ, что позволяет надежно оценивать соединения и материалы.
- Аналитика: предоставляет линейные калибровочные кривые на основе интенсивности пиков ИК-фурье-спектроскопии, что позволяет точно определять степень заряда через определенные интервалы времени.
- Трансляционные исследования: связывают электрохимические характеристики с возможностью мониторинга в режиме реального времени, поддерживая переход от лабораторных масштабов к валидации на системном уровне.
- Корпоративное повторное использование: создает многократно используемую диагностическую платформу, применимую для различных составов неводных проточных аккумуляторов для стабильного отслеживания степени заряда.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает точность прогнозов за счет обеспечения мониторинга изменений окислительно-восстановительного состояния в режиме реального времени с коррекцией помех.
- Практическая ценность: Повышает воспроизводимость и масштабируемость благодаря использованию герметичного отбора проб методом ИК-фурье-спектроскопии, совместимого с перчаточным боксом, и стандартизированных протоколов использования проточных кювет.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о целесообразности дальнейшей разработки («go/no-go»), снижая риск неудач на поздних этапах за счет раннего обнаружения деградации емкости и погрешностей определения степени заряда.
- Влияние на портфель проектов: Позволяет осуществлять приоритезацию технологий хранения энергии с учетом рисков, основываясь на подтвержденной надежности диагностики и эксплуатационной безопасности.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области электрохимии и спектроскопического анализа в инертных средах.
- Необходим перчаточный бокс, заполненный аргоном, с контролем содержания воды и кислорода на уровне ниже ppm для сохранения целостности образцов.
- Требуются герметичные кюветы для ИК-фурье-спектроскопии с окнами из бромида калия для предотвращения атмосферной деградации при переносе.
- Процесс включает сборку проточной кюветы с применением точного крутящего момента и контролем скорости потока электролита на уровне 20 mL/min.
- Ограничением является чувствительность PTIO к воздуху, что требует строгого исключения влаги и кислорода на всех этапах работы.
