Summary
Um protocolo para o estudo é apresentado de metal multieletrônicos / sistemas de baterias de ar, usando a tecnologia anterior, desenvolvido para a célula de zinco / ar. Teste electroquímico é então realizada nos baterias fabricados para avaliar o desempenho.
Abstract
Uma técnica para investigar as propriedades e desempenho de novos sistemas de bateria multieletrônicos metal / ar é proposta e apresentada. Um método para sintetizar nanoscopic VB 2 é apresentada, bem como um procedimento passo-a-passo de aplicação de um revestimento de óxido de zircónio para as duas partículas VB para a estabilização no momento da alta. O processo de desmontagem de pilhas de zinco / ar existentes é mostrada, na construção de adição do novo eléctrodo de trabalho para substituir o zinco / ar de ânodo da célula convencional com um a nanoscopic VB 2 ânodo. Finalmente, a alta do VB completou 2 / bateria de ar é relatada. Nós mostramos que a utilização da célula de zinco / ar, como um banco de ensaio é útil para fornecer uma configuração consistente para estudar o desempenho de alta energia de alta capacidade nanoscopic VB 2 ânodo.
Introduction
Diboreto de vanádio como um ânodo tem entre a maior capacidade de carga volumétrico de qualquer material do ânodo. Este protocolo apresenta um método para estudar este material fascinante. Zinco metálico tem sido o material do ânodo predominante em sistemas primários aquosos, devido à alta volumétrica de dois elétrons do metal de zinco e gravimétricos capacidade de armazenamento de carga de 5,8 Kah L -1 e 820 Ah kg -1, respectivamente. * A bateria de zinco-carbono, conhecido como a célula Leclanché, foi introduzido pela primeira vez no século 19, combinando um ânodo de zinco com um dióxido de manganês (carbono coletor de corrente) cátodo em um eletrólito de cloreto de 1. A bateria alcalina comum utiliza o mesmo casal, mas substitui o eletrólito cloreto com um eletrólito de hidróxido alcalino aquoso. Juntos, zinco-carbono e pilhas alcalinas são a maioria de baterias primárias vendido 1. Quando o bióxido de manganês na célula alcalina é substituídopor um cátodo de ar, as capacidades de armazenamento de energia substancialmente mais elevados são atingidos. Esta bateria de zinco-ar utiliza o oxigênio do ar, e é comumente encontrado em baterias de aparelhos auditivos 1-3.
A nossa busca de maior capacidade de armazenamento da bateria tem incidido sobre os materiais que podem ser transferidos vários elétrons por molécula 4-11. Entre a grande variedade de pares redox que exploramos, VB 2 destaca-se como um ânodo alcalino extraordinário capaz de liberar 11 elétrons por VB 2, com capacidade volumétrica e gravimétrica de 20,7 Kah L -1 e 4060 Ah kg -1, respectivamente. * Em 2004, Yang e colaboradores relataram a descarga de VB 2, mas também documentou o domínio estendido no qual VB 2 é suscetível à corrosão em meios alcalinos 12. Em 2007, relatou que um revestimento nas VB duas partículas impede essa corrosão 13, levando a demonstração da VB 2 ar / battery em 2008 14.
Neste artigo, apresentamos um protocolo usado para investigar novos sistemas de metal / ar que empregam a tecnologia já desenvolvida para a célula de zinco / ar como aplicado ao VB 2 / câmara de ar. Um nanoscopicVB ânodo 2 é apresentado como um ânodo de alta densidade de energia de alta energia capaz de exibir uma reacção de oxidação de onze electrões aproximando a capacidade intrínseca teórica de 4060 Ah kg -1 em aumento da tensão da bateria e da capacidade de carga da bateria. A VB 2 / ar par usa um electrólito alcalino de KOH / NaOH, que emprega o mesmo cátodo de oxigénio do ar extraído a partir da célula de zinco / ar 1. O eletrocatalisador cátodo de carbono não é consumida durante a descarga.
Existe uma necessidade para uma maior compreensão da VB 2 / sistema de ar, a fim de melhorar ainda mais o desempenho da célula. As propriedades eo desempenho de nanoscopic VB dois materiais podem ser exploradas usando tele configuração de célula da célula de zinco / ar 15,16. Electrochemical testes podem ser realizados para nanoscopic 2 VB para comparar o desempenho por meio da eficiência por cento em várias taxas.
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Protocol
1. Preparação Nano-VB 2
Nanoscopic VB 2 é diretamente sintetizada a partir de vanádio elementar e boro via bola de moagem em uma toupeira ração 01:02.
- Limpe a 50 ml de carboneto de tungstênio moagem jar e dez de 10 milímetros de carboneto de tungstênio bolas. Sob ar seco num forno a 100 ° C durante 1 hora para assegurar que toda a água tenha evaporado.
- Limpe o interior do jarro de moagem para garantir que nenhum resíduo permanece, repita o passo 1.1 se resíduo é visível.
- Purgar a antecâmara de um porta-luvas com argônio 3x por 10 minutos de cada vez. Transfira o frasco de moagem, bolas, e espátula limpa no argônio cheio porta-luvas.
- Pesar o vanádio e os pós de boro numa razão molar de 1:2, 0,500 g de vanádio e de 0,212 g de boro dentro do frasco de moagem, adicionar as bolas, e selar o frasco de moagem.
- Retire o frasco de moagem selado do porta-luvas, colocá-lo em um moinho de bolas planetário definido para 600 rpm e moinho para 4 horas.
- Depois completion, permitir que o frasco de moagem a arrefecer até à temperatura ambiente antes da remoção do moinho de bolas.
- Purgar a antecâmara de um porta-luvas com argônio 3x por 10 minutos de cada vez. Transfira o frasco de moagem, balão de fundo redondo, filme de parafina, espátula, e uma barra magnética na caixa de luva.
- Aplicar o revestimento de óxido de zircónio com o preparado nanoscopic VB 2 como se segue:
- Dentro da caixa de luva recolher o nano-VB 2 previamente preparada usando uma espátula para raspar as paredes do frasco de moagem até que a maior parte da massa de partida foi recuperado. Pesar e transferir o recolhidas nano-VB 2 em um frasco de fundo redondo.
- Pesam-se 3,5 por cento em peso de cloreto de zircónio em comparação com o VB recolhidos 2 e, em seguida, adicionar o pó para o balão de fundo redondo contendo o recolhidos nano-VB 2.
- Adicionar uma barra magnética de agitação ao frasco e usando película de parafina selar a abertura antes da remoção da caixa de luva. Alternativamente, umsepto tem sido utilizado com resultados equivalentes Remover o frasco de fundo redondo da caixa de luva.
- Usando uma seringa de 10 ml, transferir 10 ml de éter dietílico para o balão de fundo redondo. Cobrir rapidamente o buraco criado pela seringa no filme de parafina com uma peça adicional de Parafilm.
- Misture o balão numa placa de agitação durante uma hora, em uma definição média.
- Após uma hora, evapora-se o éter dietílico restante para fora do nano-2 VB utilizando um evaporador rotativo ou outro até que a configuração da bomba revestida de nano-VB 2 parece seco.
- Depois de Zr revestido nano-VB 2 é completamente seco, coletar.
2. Preparação de eletrólito
- Prepara-se uma mistura de uma solução 4 M de NaOH para utilização como electrólito e 4 M de KOH. (NOTA: Faça apenas o suficiente para durar algumas semanas, repita conforme necessário, para formar novas células). Electrólitos solução aquosa de hidróxido de NaOH e KOH foram explorados no passado variando em concentração ranging de 8 M a saturado. A combinação de NaOH 4 M e 4 M de KOH produz melhorou ligeiramente o desempenho da taxa elevada em comparação com os resultados anteriores, utilizando um electrólito de NaOH puro.
3. Desmontagem de zinco / Ar Baterias
Consulte a tabela de regentes e materiais para detalhes sobre a fabricante da bateria eo número do modelo.
- Abrindo a célula de zinco / ar para a fabricação posterior do VB 2 / células de ar.
- Criar um corte no bordo do invólucro da célula de moedas com um alicate de corte diagonal.
- Crimp fora afiada do lábio para fora. Depois de passar completamente em torno da célula, duas vezes, deve ser fácil de abrir.
- Usando uma lâmina de barbear, empurre para cima nas bordas da tampa lentamente, forçar suavemente abrir a cela. NOTA: Pode demorar algum tempo para obter a célula aberta. Seja paciente e cuidado para não quebrar ou danificar qualquer parte ao fazer este passo. A célula terá de permanecer intacto.
- Preparação da bateria para uso
- Uma vez que a célula é aberta em duas partes (a tampa e a parte inferior) começam a retirar cuidadosamente o material de ânodo de zinco a partir da tampa e no fundo.
- Remover o máximo possível de zinco sólido, com a lâmina de barbear. Não raspe o fundo, é importante para não danificar as peças. O separador (inferior) e os lados () formar uma junta de sobreposição única opaca que pode ser facilmente perfurado pela aplicação de demasiada pressão com a lâmina de barbear. Perfurar o separador irá resultar em danos no cátodo de ar. Adicionalmente, se a junta for perturbado a fiabilidade da célula a ser isolado electricamente é perdida.
- Usando um cotonete, limpe cuidadosamente o zinco eo resíduo restante da tampa, inferior e separador.
- Limpe a tampa e fora da célula com álcool isopropílico.
4. Preparação de um 5 mAh eléctrodo de trabalho, com uma mistura de 70/30 seco
- Usando sintetizado Zr revestido nano-VB 2 como materialmente ativaai, pesam-se 0,0012 g por eléctrodo a ser fabricado (normalmente 5-10 células são testadas ao mesmo tempo) e transferir para um almofariz e pilão.
- Adicionar 30% do VB pesava 2, 0,0005 g de negro de carbono de grafite (por eléctrodo), para o material activo num almofariz e pilão e moa durante 30 minutos.
- Certifique-se de que não existem grandes aglomerados, visíveis de material e recolher pó.
- Pesar aproximadamente 0,0017 g da mistura 70/30-powder per cap eletrodo limpo usando uma espátula. (Se a preparação de células múltiplas de uma só vez, transferir o material para a tampa do eléctrodo).
- Adicionar uma gota de álcool isopropílico para cada tampa e agite em pó com uma espátula ou outra pequena ponta afiada até que não haja grumos e suspensão é distribuída uniformemente em toda a parte superior da tampa.
- Permitir eléctrodos para secar durante 30 min.
5. VB 2-Air Assembléia celular - Método seco
- Montar células no sentido inverso do zinco / air célula com o eletrodo de trabalho, boné, de cabeça para baixo.
- Organizar cada célula (a 5 - 10 a ser testado), em duas filas, os tampões em uma e os fundos correspondentes na outra. Inspeccionar cada tampa para garantir que o material do ânodo é uniformemente distribuída e não rachado.
- Adicionar 27 uL de 4 M de KOH / 4 M de NaOH mistura de electrólito para cada separador.
- Com cuidado, retire o excesso de eletrólito a partir do fundo usando algodão enxugando apenas uma vez dentro do fundo.
- Retire cuidadosamente cada um dos fundos, entregá-los e colocá-los em cima das tampas de modo que o material anódico está em contato com o eletrólito.
- Aplicar pressão e selar usando um epoxi de secagem rápida.
6. Nano-VB 2 Testing Cell / Air
- Uma vez que o processo de fabricação é concluído, as células coloque em uma cremalheira de descarga ou suporte da bateria.
- Permitir que cada célula de um passo inicial de repouso de 10 minutos para assegurar que as células se equilibrar antes da descarga.
- QuitaçãoAs células a uma carga constante de 3,000 Ω (ou uma carga desejada alternativa), utilizando um aparelho de bateria.
- Após o passo de equilibração, fazer uma medição do potencial de circuito aberto.
- Depois descarregar sob uma carga constante até que uma voltagem de 0,4 V de paragem ser atingido.
- A eficiência de Coulomb pode então ser calculada a percentagem da capacidade de medição em relação ao ânodo teórico capacidade de descarga de electrões de onze Ah 4,060 kg -1.
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Representative Results
Teste electroquímico é realizado para determinar o desempenho de VB 2 / ar baterias. Os resultados obtidos para várias células fornecem evidência para a reprodutibilidade do desempenho da célula. Figura 1 compara a VB 2 / baterias de ar durante uma 3000 ohm (esquerda) e 1000 ohm (à direita) de descarga. Note-se que a tensão de descarga, bem como a fracção de 4,060 kg -1 Ah capacidade intrínseca é maior com a nanoscopic VB 2 ânodo comparado com o ânodo de células VB 2 macroscópica, e que esta célula também retém uma eficiência mais elevada a taxa mais elevada (comparar os 1.000 a 3.000 cargas do ohm) com este ânodo. A marcação das células é a seguinte, por exemplo I-FC000, onde é uma constante arbitrária, FC representa uma célula completa, e 000 é o número de teste. Figura 2 confirma que em branco, Zn ou Zn / VB duas células de descarga é como esperado. Figura 3 mostra a camada exterior zircónia preseNT no VB 2 nanopartículas. Figura 4 fotografias etapas consecutivas da bateria de zinco / ar desmontagem, e A Figura 5 fases da fabricação do ânodo substituição. Finalmente, a Figura 6 apresenta a colagem correcta da célula para assegurar boas ligações, tanto o ânodo como o cátodo para estabelecer uma boa vedação da célula. O eléctrodo de trabalho pode também ser fabricados utilizando processos alternativos com o método seco. Por exemplo, a VB 2 podem ser misturados como uma dispersão aquosa (pasta fluida), e, em seguida, distribuído uniformemente sobre o colector de corrente de aço inoxidável, ou como pode ser visto na Figura 7, moldado como um disco sólido VB 2 com um aglutinante de Kynar em um calço de aço inoxidável .
Figura 1. Os dados obtidos por di relativamente lentovezes scharge (3.000 Ω e 1000 Ω). células são normalmente descarregada em 3.000 Ω para fornecer comparações entre as experiências e desempenho da célula.
Figura 2. Validação que Panasonic 675 Zinco / Ar baterias limpas proporcionam uma cama de teste útil para o nano-VB2 ânodo, em comparação ao ânodo macro-VB2 são uma célula vazia ânodo (canto superior esquerdo), anodo contendo apenas carbono sem embalagem VB2 (canto inferior esquerdo) , ânodo com Zn-não VB2 (canto superior direito), eo ânodo com um composto de Zn e VB2 (canto inferior direito). Top esquerda mostra a descarga de um Zinc / Ar celular totalmente destruído e fechado sem nenhum material do ânodo (célula em branco vazio, não de carbono e sem VB 2) presente com um típico nano-VB 2 de descarga para comparação. Top Right mostra a descarga de célula que contém 20mAh do material do ânodo de zinco. A célula de zinco é utilizado para validate a configuração da célula VB 2 e utiliza o zinco original como reintroduzidas na célula. Inferior esquerdo fornece um exemplo de uma descarga que contém apenas a quantidade apropriada de negro de carbono de grafite para um típico VB 2 de descarga com uma típica nano-VB 2 de descarga para efeitos de comparação. Parte inferior da direita mostra uma célula de dois nano-VB com a presença de zinco propositadamente adicionados no ânodo, e os planaltos de descarga de tensão distinta observada são uma evidência de que a VB-2 sozinho ânodo não contém um contaminante de zinco significativo. A figura da esquerda valida que a célula vazia apresenta um limite superior de menos do que 4% da capacidade do ânodo 2 VB contendo medido.
Figura 3. Alta resolução SEM imagem da zircônia revestida VB 2 </ Sub>.
Figura 4. Maneira correta de desmontar uma bateria de zinco / ar para VB 2-Air Assembléia celular. Figuras 4a e 4b mostram um células fábrica antes da abertura. Figura 4c e 4d demonstrar o corte inicial e abertura da bateria. Figura 4e (Top também rotulado) e A figura 4f (inferior) apresenta uma vista da célula aberta antes de remover o material do ânodo de zinco. Após a remoção da membrana é limpa e dizimado, como mostrado na Figura 4G. Figura 4h mostra a área onde o VB 2 ânodo é fabricada.
Figura 5. Fabricação do eléctrodo de trabalho. Figura 4a </ Strong> fornece um exemplo de como este está preparado. Ao construir os eléctrodos, é importante que não há fissuras ou grumos são visíveis; superfície do eléctrodo deve aparecer liso, como mostrado na Figura 4b.
Figura 6. Colagem correcta de células para garantir uma boa ligação, tanto o ânodo como o cátodo e uma boa vedação na célula.
Figura 7. O eléctrodo de trabalho pode também ser fabricados utilizando processos alternativos com o método seco. Acima é um exemplo de molde de nano-2 VB preparação do ânodo em um calço de aço inoxidável.
* Intrínseca capacidade volumétrica específica é calculada como NDF / MW, a partir do peso molecular MW (tal como, por Zn ou VB
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Discussion
A construção da VB 2 / bateria ar, desta forma fornece a capacidade de estudar e investigar os onze elétrons por molécula de transferência de carga que ocorre, permitindo a possibilidade de uma nova bateria de alta capacidade. Se os resultados obtidos não demonstraram resultados reprodutíveis, assegurar que todo o material do ânodo de zinco foi removido a partir da bateria, que existe uma dispersão uniforme do material activo na tampa, e que as células são adequadamente coladas, sem quaisquer fugas. Se o problema persistir, verifique se as baterias são Panasonic 675 células de zinco / Ar feitos no Japão não na Alemanha. O anel de vedação de uma célula japonesa deve aparecer opaco e unido ao separador como uma única entidade. Se a junta é separado e azul as células são alemães. As limitações a esta técnica incluem não ter a capacidade de controlar a humidade da célula, embora previamente não houve problemas observados. Ao construir uma bateria VB 2 / ar, existem vários passo críticos descritos na secção Protocolo: abertura da célula, removendo o material de zinco, preparação do material do ânodo e a inserção na célula, fechando a célula com cuidado, e a colagem adequada para garantir que não existem fugas e uma boa ligação eléctrica.
Difracção de raios X em pó é uma técnica conveniente para confirmar 15,16 que os reagentes de partida (vanádio elementar e boro) não estão presentes na sintetizados nano-VB 2. Microscopia eletrônica de imagens transmissão (TEM) estabelecer que o revestimento de óxido de zircônio está cobrindo uniformemente os VB duas partículas. Enquanto a desmontagem e montagem das baterias de zinco / ar, é importante ter a certeza que a embalagem permanece intacta e que o separador de membrana e não são cortadas ou danificadas de qualquer forma. Durante a descarga, relativamente pequenas diferenças entre as tensões e as capacidades observadas para células repetidas podem resultar de diferenças de massas pequenas, bem como do uso de uma configuração de célula that não resultar em pressão uniforme aplicada para cada célula.
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Disclosures
Os autores, Chris Rhodes, Ruben Lopez, Xuguang Li, Mahesh Waje e Mateus Mullings são funcionários da Lynntech Inc.
Acknowledgments
Os autores gostariam de agradecer a National Science Foundation Award 1006568 para financiar este projeto.
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
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