Summary
Протокол представлен для изучения многоэлектронных металл / Системы воздушные батареи с использованием предыдущих технологий, разработанных для цинка / воздушная камера. Электрохимический тестирования Затем выполняется по сфабрикованным батарей для оценки производительности.
Abstract
Техника для исследования свойств и производительности новых многоэлектронными металл / воздушные батареи систем предлагается и представлены. Способ синтеза наноскопические VB 2 представлена, а также шаг за шагом порядок применения покрытия из оксида циркония на VB 2 частиц для стабилизации после выписки. Процесс разборки существующих цинк / воздух клетки показано, в дополнение строительстве нового рабочего электрода, чтобы заменить обычные цинк / воздушной камеры анода с наноскопического VB 2 анода. Наконец, сброс завершен VB 2 / воздушные батареи сообщается. Покажем, что использование цинк / воздушной камеры в качестве испытательного стенда полезно обеспечить последовательное конфигурации для изучения производительности высоких энергий высокой емкости наноскопического VB 2 анода.
Introduction
Ванадий диборида качестве анода имеет одни из самых высоких емкость заряда любого материала анода. Этот протокол вводит метод изучения этого увлекательного материала. Металлический цинк был преобладающим анодного материала в водной основной системы из-за высокой двухэлектронного металлического цинка в объемном и гравиметрического заряда емкостью 5,8 кАч L -1 и 820 Ah кг -1 соответственно. * Угольно-цинковых батарей, известные как Leclanché клетке, была впервые введена в 19-м веке, сочетая цинковый анод с диоксидом марганца (углерод токоприемника) катода в электролит хлорида 1. Общий щелочной батареи используются те же пары, но заменяет хлорид электролит с водным щелочным электролитом гидроксид. Вместе угольно-цинковые и щелочные батареи составляют большинство первичных батарей продано 1. Когда катод из диоксида марганца в щелочной элемент замененна катоде воздуха, что значительно выше мощности хранения энергии будут достигнуты. Это воздушно-цинковые батареи использует кислород из воздуха, и обычно находится в слуховых батареи 1-3.
Наш поиск более высокого хранения емкость батарей была сосредоточена на материалы, которые позволяют передавать несколько электронов в молекуле 4-11. Среди разнообразных окислительно-восстановительные пары мы исследовали, VB 2 выделяется в качестве чрезвычайного щелочной анод, способные высвобождать 11 электронов на VB 2, с объемными и гравиметрических мощностей на 20,7 кАч L -1 и 4060 кг Ах -1 соответственно. * В 2004, Янга с соавторами сообщили о выполнении VB 2, но также зафиксированы расширенной области, в которой VB 2 подвержен коррозии в щелочной среде 12. В 2007 году мы сообщали, что покрытие на VB 2 частиц предотвращает коррозию этого 13, что приводит к демонстрации VB 2 / Air Battery в 2008 году 14.
В этой статье мы представляем собой протокол, используемый для исследования новых металл / воздух системы, использующие технологии разработанные ранее для цинк / воздушной камеры применительно к VB 2 / воздушная камера. NanoscopicVB 2 анода представлен в виде высокой энергии высокой плотности мощности анода способны проявлять одиннадцать электронов реакции окисления приближается теоретическая внутренней емкостью 4060 Ач кг -1 при повышенном напряжении батареи и возможность заряда батареи. VB 2 / воздух пары использует щелочным электролитом КОН / NaOH, с использованием той же катод кислородом воздуха извлекается из цинка / воздушная камера 1. Угольного катода электрокатализатором не расходуется во время разряда.
Там существует необходимость более глубокого понимания VB 2 / пневматической системы в целях дальнейшего повышения производительности клетки. Свойства и характеристики наноскопические VB 2 Материалы можно использовать с помощью TОн ячейки конфигурации цинк / воздушной камеры 15,16. Электрохимический тестирование может быть выполнено для наноскопического VB два сравнить производительность за счет процентов эффективности при различных скоростях.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка Nano-VB 2
Наноскопических VB 2 непосредственно синтезируется из элементарного бора и ванадия через шаровой мельнице в 1:02 мол рациона.
- Очистите 50 мл карбида вольфрама банку фрезерные и десять 10-мм карбида вольфрама шаров. Сухой на воздухе в сушильном шкафу при 100 ° С в течение 1 часа, чтобы гарантировать, что все испарения воды.
- Протрите внутреннюю часть фрезерных банку чтобы убедиться в отсутствии остатков остается, повторите шаг 1,1, если остаток видна.
- Очисти преддверие перчаточный ящик с 3x аргона в течение 10 минут каждый раз. Передача банку фрезерные, мячи, и чистой лопаточкой в перчаточный ящик заполненный аргоном.
- Взвесить ванадием и бором порошков в молярном отношении 1:2, 0,500 г ванадия и 0,212 г бора в фрезерного банку, добавить шары, и запечатать фрезерные банку.
- Снимите запечатанный кувшин фрезы из перчаточного ящика, поместите его в планетарной шаровой мельнице установлено в 600 оборотов в минуту и на мельницу в течение 4 часов.
- После completioN, позволяют банку фрезерные остыть до комнатной температуры перед удалением из шаровой мельницы.
- Очисти преддверие перчаточный ящик с 3x аргона в течение 10 минут каждый раз. Передача фрезерные банку, колбу с круглым дном, парафин фильм, шпателем, и магнитной мешалкой в перчаточном ящике.
- Применение покрытия из оксида циркония на подготовленную наноскопического VB 2 следующим образом:
- Внутри перчаточном боксе собирать нано-VB два заранее подготовленных с помощью шпателя, чтобы очистить стены фрезерной банку, пока масса исходного масса была восстановлена. Взвесить и передачи собранных нано-VB 2 в круглодонную колбу.
- Взвесить 3,5 массового процента хлорида циркония по сравнению с собранной VB 2, а затем добавить порошок в круглодонную колбу, содержащую собранные нано-VB 2.
- Добавить магнитной мешалкой в колбу и использование парафин пленка уплотнения отверстия перед удалением из перчаточного бокса. Альтернативноперегородка была использована с эквивалентным результатам Снимите круглую колбу из бардачка.
- С помощью 10 мл шприц, передавать 10 мл диэтилового эфира в круглодонную колбу. Быстро закрывают дыру, возникшую в шприце в парафиновой пленки с дополнительным кусок парафильмом.
- Смешать колбы на магнитной мешалки в течение одного часа на средние настройки.
- Через один час упаривают остальные диэтилового эфира с нано-VB 2 часов с использованием роторного испарителя или другой конфигурации насос, пока покрытие нано-VB 2 появляется сухой.
- После Zr покрытием Nano-VB 2 полностью высохнет, собирать.
2. Приготовление электролита
- Подготовка смеси 4 М КОН и 4 М NaOH раствора для применения в качестве электролита. (ПРИМЕЧАНИЕ: Следует выполнять только достаточно, чтобы продлиться несколько недель, повторяю, сколько необходимо для формирования новых клеток). Водные электролиты гидроксида NaOH и КОН были изучены в прошлом в интервале концентраций побежалГинг 8 М к насыщенным. Сочетание 4 М NaOH и 4 М КОН приводит незначительно улучшена высокую производительность скорость по сравнению с более ранними результатами использованием чистого NaOH электролита.
3. Разборка Цинк / воздушные батареи
См. таблицу регентов и материалы, где подробно описано батареи производителя и номер модели.
- Открытие цинк / воздушной камерой для последующего изготовления VB 2 / воздушные ячейки.
- Создание разреза в губе корпуса монеты ячейки с помощью диагональных кусачки.
- Обожмите за пределами краев выступа наружу. Пройдя полностью вокруг клетки дважды, он должен быть легким, чтобы открыть.
- С помощью лезвия бритвы, нажмите вверх по краям крышку медленно, осторожно силой открыть ячейки. ПРИМЕЧАНИЕ: Это может занять некоторое время, чтобы клетка открыта. Будьте терпеливы и осторожны, чтобы не трещин или повреждений любой части при выполнении этого шага. Ячейка нужно будет оставаться неизменным.
- Подготовка аккумулятора для использования
- Как только клетка открыта на две части (крышки и нижней) начинают осторожно удалить цинк анодный материал из колпачка и в нижней части.
- Удалить столько твердый цинк, как можно с лезвием бритвы. Не очищайте дно, важно, чтобы не повредить детали. Сепаратор (внизу) и прокладку (сторон) образуют единый непрозрачный наложения, который может быть легко проткнуть применение слишком большого давления с лезвием бритвы. Пирсинг сепаратор может привести к выходу воздуха катода. Кроме того, если прокладка нарушается надежность клетки должны быть электрически изолированы теряется.
- С помощью ватного тампона тщательно протрите оставшийся цинк и остаток от крышки, нижней и сепаратора.
- Очистка с крышкой и снаружи ячейки в изопропиловом спирте.
4. Приготовление 5 мА Рабочий электрод с 70/30 сухой смеси
- Используя синтезированные Zr покрытием нано-VB 2 в качестве активных материаловдр., отвешивают 0,0012 г на электрод, подлежащего изготовлению (обычно 5 - 10 клетки испытывают при времени) и передачи в ступке с пестиком.
- Добавить 30% взвешенных VB 2, 0,0005 г графитовый углерод черный (на электрод), к активному материалу в ступку и пестик и измельчить в течение 30 мин.
- Убедитесь, что нет никаких больших, видимых скоплений материалов, собрать порошок.
- Взвесить приблизительно 0,0017 г 70/30-powder смеси на чистую крышку электрода с помощью шпателя. (При подготовке нескольких ячеек одновременно, в противном случае передавать материалы колпачок электрода).
- Добавить одну каплю изопропилового спирта к каждой крышке и вихрем порошок с помощью шпателя или другой маленький заостренный кончик, пока нет скопления и подвески равномерно распределяется в верхней части крышки.
- Разрешить электродов высохнуть в течение 30 мин.
5. VB 2-я воздушная Сотовые Ассамблеи - Сухой метод
- Собрать клетки в обратном направлении от цинка / аиR ячейки с рабочим электродом, шапка, с ног на голову.
- Организация каждой ячейки (5 - 10 тестируемого) в два ряда, колпачки в одном и соответствующего днища в другой. Проверьте каждую крышку для того, чтобы анодный материал равномерно распределяется и не было трещин.
- Добавить 27 мкл 4 М КОН / 4 М NaOH смесь электролита в каждой сепаратора.
- Аккуратно удалите избыток электролита из кубового хлопка вытирать только один раз внутри нижнего.
- Осторожно принимать каждый из днища, передать их, и размещать их на верхней части крышки, так что анодный материал находится в контакте с электролитом.
- Подайте давление и сальник с помощью быстрого высыхания эпоксидной смолы.
6. Nano-VB 2 / воздушная камера Тестирование
- Как только процесс изготовления завершен, клетки места на стойке разряд или держатель батареи.
- Разрешить каждой ячейке первого шага остальные десять минут, чтобы гарантировать, что клетки равновесие перед сбросом.
- РазрядитьКлетки при постоянной нагрузке в 3000 Ω (или альтернативные желаемой нагрузке) с помощью тестера.
- После уравновешивания, сделать измерение потенциала разомкнутой цепи.
- Тогда разряда при постоянной нагрузке до остановки напряжением 0,4 В не будет достигнута.
- Кулоновское эффективность может быть рассчитана на процент измеренной мощности по сравнению с теоретическим анода одиннадцать электронов Пропускная способность 4060 кг -1 Ах.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Электрохимический тестирование проводится для определения производительности В.Б. 2 / воздушные батареи. Результаты, полученные для нескольких ячеек свидетельствуют о воспроизводимости клетки производительности. Рисунок 1 сравнивает VB 2 / воздух батареи в 3000 Ом (слева) и 1000 Ом (справа) разряда. Следует отметить, что напряжение разряда, а также долю А 4060 кг -1 внутреннюю мощность выше с наноскопического VB 2 анода по сравнению с макроскопическими VB 2 анодную камеру, и что эта клетка также сохраняет высокую эффективность при более высокой скорости (по сравнению от 1000 до 3000 Ом нагрузки) с этим анодом. Маркировки клеток заключается в следующем, например I-FC000, где я-произвольная постоянная, FC выступает за полную ячейку, а 000 является номером теста. Рисунок 2 подтверждает, что пустой, Zn или Zn / VB 2 клетки разряда как ожидалось. Рисунок 3 показывает верхний слой диоксида циркония PreseNT на VB 2 наночастиц. Рисунок 4 фотографии последовательных стадий Цинк / воздушные батареи разборки, а на рисунке 5 этапов изготовления анода замены. Наконец, 6 приведены правильного приклеивания ячейки для обеспечения хорошей связи и на аноде и катоде установить хорошее уплотнение клетки. Рабочий электрод может быть изготовлен с использованием альтернативных процессов к сухому методу. Например, VB 2, могут быть смешаны в виде водной дисперсии (суспензии), а затем равномерно распределены по нержавеющей токоприемник, или, как показано на рисунке 7, отлитый в виде твердого вещества VB два диска с Kynar связующего на прокладку из нержавеющей стали .
Рисунок 1. Данные, полученные на сравнительно медленное диscharge раза (3000 и 1000 Ω Ω). клетки обычно сбрасываются в 3000 Ω представить сопоставления между экспериментами и клеточной производительности.
Рисунок 2. Проверка, которая убрала Panasonic 675 Цинк / воздушные батареи обеспечивают полезную испытательный стенд для нано-VB2 анода, по сравнению с макро-VB2 анода пустую ячейку анода (вверху слева), анод содержащие только углерод-упаковка не VB2 (внизу слева) , анод с Zn-Нет VB2 (вверху справа), и анод с композицией Zn и VB2 (внизу справа). Слева отображается разряда полностью отстроено, а закрытые Цинк / воздушная камера без материала анода (пустая пустая ячейка, без угля и без VB 2) настоящего с типичной нано-VB 2 разряда для сравнения. Вверху справа показывает сброс ячейки, содержащей 20mAh цинка материала анода. Цинк ячейка используется для валIDATE VB 2 ячейки конфигурации и использует оригинальный цинка в качестве вновь обратно в камеру. Внизу слева показан пример смеси, содержащей лишь соответствующее количество графитовой сажи для типичного VB 2 разряда с типичным нано-VB 2 разряда для сравнения. Внизу справа показывает нано-VB 2 ячейки с наличием намеренно добавленного цинка в аноде, и наблюдаемое различных плато напряжения разряда, свидетельствуют о том, что VB 2-один анод не содержит значительного загрязнения цинка. На левом рисунке подтверждает, что пустая ячейка показывает верхний предел менее 4% от измеряемой VB 2, содержащий емкость анода.
Рисунок 3. Высокое разрешение изображения SEM диоксида циркония покрыта VB 2 </ Суб>.
Рисунок 4. Правильный способ разобрать Цинк / воздушные батареи для VB 2-я воздушная Сотовые Ассамблеи. 4а и 4б показать фабрику клетки до открытия. 4с и 4d продемонстрировать начальный срез и открытие батареи. Фиг.4Е (обозначенного Top) На рисунке 4е и (внизу) обеспечивает представление открыл клетку перед извлечением цинка материала анода. После удаления мембраны очищается и уничтожены как показано на рисунке 4G. 4H Рисунок отображает область, где VB 2 анод изготовлен.
Рисунок 5. Изготовление рабочего электрода. Фиг.4а </ STRONG> является примером того, как это готовится. При построении электродов важно, что никаких трещин или сгустки не видны; поверхности электрода должно появиться гладко, как показано на фиг.4b.
Рисунок 6. Правильное склеивание клеток, чтобы обеспечить хорошее соединение с обеих анодом и катодом и хорошее уплотнение на клетку.
Рисунок 7. Рабочий электрод может быть изготовлен с использованием альтернативных процессов к сухому методу. Выше приведен пример литых нано-VB 2 анод препарата на прокладку из нержавеющей стали.
* Внутренняя объемной удельной мощности вычисляется как NdF / MW, от молекулярного веса, МВт (например, для Zn или VB
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Строительство В.Б. 2 / воздушные батареи, таким образом, дает возможность изучать и исследовать одиннадцать электронов в молекуле переноса заряда, который происходит, допуская возможность для нового аккумулятор большой емкости. Если полученные результаты не демонстрируют воспроизводимые результаты убедиться, что весь цинк анодный материал был удален из батареи, что существует равномерного диспергирования активного материала на колпачке, и что клетки должным образом приклеена без каких-либо утечек. Если проблема продолжает возникать, убедитесь, что батареи Panasonic 675 Цинк / воздушные ячейки сделано в Японии не Германия. Прокладка японской ячейки должны появиться непрозрачной и прилагается в сепаратор как единое целое. Если прокладка отдельной и синие клетки немецком языке. Ограничения этого метода включают не обладающие способностью контролировать влажность клетки, хотя ранее не было никаких проблем наблюдалось. При построении VB 2 / воздушные батареи, есть несколько важный шагс изложенным в разделе протокола: открытие клетки, удаление цинка материала, подготовка материала анода и вставки в клетке, закрыв клетку тщательно, и надлежащего склеивания гарантировать, что нет никаких утечек и хорошее электрическое соединение.
Рентгеновской порошковой дифракции является удобным способом для подтверждения 15,16, что исходные реагенты (элементарный ванадий и бор), которые не присутствуют в синтезированного нано-VB 2. Просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) изображения установить, что покрытие из оксида циркония равномерно охватывающих VB 2 частиц. При разборке и сборке Цинк / воздушные батареи важно, чтобы убедиться, что корпус остается неизменным и что мембраны и части, не обрезанные или поврежденные в любом случае. Во время разряда, относительно небольшое различие в напряжении и мощности наблюдается для повторного клетки могут возникнуть в результате небольших различий массы, а также с помощью мобильного конфигурации тхаT не привело к равномерным давлением применяется для каждой ячейки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы, Крис Родосе, Рубен Лопес, Xuguang Ли, Махеш Waje, и Мэтью Mullings являются сотрудниками Lynntech Инк
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Национальный научный фонд премии 1006568 на финансирование этого проекта.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MATERIALS | |||
| Boron | Alfa Aesar | 11337 | |
| Diethyl Ether | J.T. Baker | 9244-06 | 4L |
| Epoxy | Loctite | Heavy Duty 5 min setting time | |
| Isopropyl Alcohol | |||
| Panasonic 675 Zinc/Air cell | Panasonic | PR675H | Made in Japan (not German) |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | Graphitic carbon black | |
| Vanadium | Aldrich | 262935 | |
| Vanadium Diboride | American Elements | 12007-37-3 | |
| Zirconium Chloride | Spectrum | Z20001 | |
| EQUIPTMENT | |||
| 50-mL round bottom flask | Fisher Scientific Co LLC | CG151001 | |
| Diagonal cutting pliers | Hardware store | ||
| Hot/stir plate | IKA | C-MAG HS 7 | |
| Glove box | Labconco | Precision Basic | |
| Ten 10-mm tungsten carbide balls | Lab Synergy | 55.0100.08 | |
| Tungsten carbide milling jar | Lab Synergy | 50.8600.00 | |
| Razor blade | Hardware store | ||
| Retsch PM 100 planetary ball mill | Retsch | 205400003 | |
| Stir bar | VWR International | 58947-140 | |
References
- 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).
- Neburchilov, V., Wang, H., Martin, J. J., Qu, W. A review on air cathodes for zinc - air fuel cells. Journal of Power Sources. 195, 1271-1291 (2010).
- Yu, X., Licht, S. High capacity alkaline super-iron boride battery. Electrochimica Acta. 52, 8138-8143 (2007).
- Licht, S., Wang, B., Ghosh, S. Energetic Iron(VI) Chemistry: The Super-Iron Battery. Science. 285, 1039-1042 (1990).
- Licht, S. Novel aluminum batteries: a step towards derivation of superbatteries. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. , 134-241 (1998).
- Licht, S., Myung, N. Fluorinated Graphites as Energetic Cathodes for Nonaqueous Al Batteries. Electrochem. Solid-State Lett. 5, A160-A163 (2002).
- Licht, S., Ghosh, S. High power BaFe(VI)O4/MnO2 composite cathode alkaline super-iron batteries. Journal of Power Sources. 109, 465-468 (2002).
- Licht, S., Myung, N., Peramunage, D. Ultrahigh Specific Power Electrochemistry, Exemplified by Al/MnO4- and Cd/AgO Redox Chemistry. The Journal of Physical Chemistry B. 102, 6780-6786 (1998).
- Licht, S. Aluminum/Sulfur Battery Discharge in the High Current Domain. J. Electrochem. Soc. 144, L133-L136 (1997).
- Gao, X. -P., Yang, H. -X. Multi-electron materials for high energy density batteries. Energy and Environmental Science. 3, 174-189 (2010).
- Yang, H. X., Wang, Y. D., Ai, X. P., Cha, C. S. Metal Borides: Competitive High Capacity Anode Materials for Aqueous Primary Batteries. Electrochemical and Solid-State. 7, A212-A215 (2004).
- Licht, S., Yu, X., Qu, X. Novel Alkaline Redox Couple: Chemistry of the Fe6+/B2- Super-iron Boride Battery. Chemical Communications. 2007, 2753-2755 (2007).
- Licht, S., Wu, H., Yu, X., Wang, Y. Renewable Highest Capacity VB2/Air Energy Storage. Chemical Communications. 2008, 3257-3259 (2008).
- Light, S., Ghosh, S., Wang, B., Jiang, D., Asercion, J., Bergmann, H. Nanoparticle Facilitated Charge Transfer and Voltage of a High Capacity VB2 Anode. Electrochemical and Solid-State. 14, 83-85 (2011).
- 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).
