Summary
Un protocollo è presentato a studiare metallo multi-elettrone / sistemi di batteria aria usando tecnologia precedente sviluppata per la cella zinco / aria. Test elettrochimico viene quindi eseguita su batterie fabbricate per valutare le prestazioni.
Abstract
Una tecnica per studiare le proprietà e le prestazioni dei nuovi sistemi di batteria di multi-elettrone del metallo / aria viene proposto e presentato. Metodo di sintesi nanoscopica VB 2 si presenta così come procedura passo-passo per l'applicazione di un rivestimento di ossido di zirconio per le due particelle VB per la stabilizzazione upon scarico. Il processo per smontaggio celle zinco / aria esistenti è mostrato, in aggiunta costruzione del nuovo dell'elettrodo di lavoro per sostituire il convenzionale zinco / aria anodo della cella con un nanoscopica VB 2 anodo. Infine, scarico della completato VB 2 / batteria aria è segnalato. Mostriamo che utilizzare la cella zinco / aria come un letto di prova è utile fornire una configurazione coerente per studiare le prestazioni del alta energia elevata capacità nanoscopica VB 2 anodo.
Introduction
Vanadio diboride da anodo ha tra la più alta capacità di carica volumetrica di qualsiasi materiale anodico. Questo protocollo introduce un metodo per lo studio di questo affascinante materiale. Zinco metallico è stato il materiale anodico predominante nei sistemi acquosi primari a causa dell'alta volumetrico a due elettroni del metallo dello zinco e gravimetrici capacità di stoccaggio di carica di 5,8 Kah L -1 e 820 Ah kg-1, rispettivamente. * La batteria zinco-carbone, noto come la cella Leclanché, è stato introdotto nel 19 ° secolo, che combina un anodo di zinco con biossido di manganese (corrente di collettore in carbonio) catodo in un cloruro di elettrolita 1. La batteria alcalina comune utilizza la stessa coppia, ma sostituisce l'elettrolita cloruro con un alcali acquosi idrossido elettrolita. Insieme batterie zinco-carbone e alcaline comprendono la maggior parte di batterie primarie venduto 1. Quando il catodo diossido di manganese nella cella alcalina è sostituitada un catodo aria, sostanzialmente più elevate capacità di accumulo di energia sono realizzati. Questa batteria zinco-aria utilizza l'ossigeno dell'aria, e si trova comunemente nelle batterie di apparecchi acustici 1-3.
La nostra ricerca di maggiore capacità di stoccaggio della batteria si è concentrata su materiali che possono trasferire più elettroni per molecola 4-11. Tra la grande varietà di coppie redox abbiamo esplorato, VB 2 si distingue come un anodo alcalina straordinario in grado di rilasciare 11 elettroni per VB 2, con volumetrici e gravimetrici capacità di 20,7 Kah L -1 e 4060 Ah kg-1, rispettivamente. * In 2004 Yang e colleghi hanno riferito lo scarico di VB 2, ma anche documentato il dominio esteso in cui VB 2 è soggetto alla corrosione in mezzi alcalini 12. Nel 2007, abbiamo riportato che un rivestimento sulle due particelle VB impedisce questo corrosione 13, portando a dimostrazione della VB 2 / aria battery nel 2008 14.
In questo articolo presentiamo un protocollo utilizzato per studiare nuovi sistemi metallo / aria che impiegano la tecnologia precedentemente sviluppata per la cella zinco / aria come applicato al VB 2 / cella d'aria. Un nanoscopicVB 2 anodo è presentato come un anodo ad alta densità di energia ad alta potenza in grado di esibire una reazione di ossidazione di undici elettrone si avvicina alla capacità teorica intrinseca di 4060 Ah kg-1 a maggior tensione della batteria e la capacità di carico della batteria. La VB 2 / aria coppia utilizza un elettrolita alcalino di KOH / NaOH, impiegando lo stesso catodo ossigeno dell'aria estratta dal zinco / aria cella 1. Il electrocatalyst catodo di carbonio non viene consumato durante la scarica.
Esiste la necessità di una maggiore comprensione della VB 2 / sistema di aria al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni della cella. Le proprietà e le prestazioni di nanoscopica VB 2 materiali possono essere esplorati usando tconfigurazione della cella egli dello zinco / aria cellula 15,16. Prova elettrochimica può essere eseguita per nanoscopica VB 2 per confrontare le prestazioni attraverso l'efficienza per cento a tassi diversi.
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Protocol
1. Preparazione Nano-VB 2
Nanoscopica VB 2 è direttamente sintetizzato da vanadio e boro elementare via palla-fresatura in un neo razione 01:02.
- Pulire un ml di carburo di tungsteno vasetto 50 fresatura e dieci da 10 mm in carburo di tungsteno palle. Secco sotto aria in stufa a 100 ° C per 1 ora per assicurare tutta l'acqua è evaporata.
- Pulire l'interno del vaso di fresatura per assicurare nessun residuo rimane, ripetere il punto 1.1, se il residuo è visibile.
- Spurgare l'anticamera di un vano portaoggetti con argon 3x per 10 minuti ogni volta. Trasferire il vaso di fresatura, le palle, e spatola pulita nella argon riempito cassetto portaoggetti.
- Pesare vanadio e polveri di boro in un rapporto molare 1:2 0,500 g di vanadio e 0,212 g di boro nel barattolo di fresatura, aggiungono le palle, e sigillare il vaso di fresatura.
- Rimuovere il vaso di fresatura sigillato dal cassetto portaoggetti, metterlo in un mulino a sfere planetario a 600 giri al minuto e al mulino per 4 ore.
- Dopo completion, permettono al vaso di fresatura a raffreddare a temperatura ambiente prima di togliere dal mulino a sfere.
- Spurgare l'anticamera di un vano portaoggetti con argon 3x per 10 minuti ogni volta. Trasferire il vaso di fresatura, pallone, film di paraffina, spatola, e ancoretta magnetica nel box portaoggetti.
- Applicare il rivestimento di ossido di zirconio alla preparata nanoscopica VB 2 come segue:
- All'interno della scatola portaoggetti raccogliere il nano-VB 2 precedentemente preparato utilizzando una spatola per raschiare le pareti del vaso macinazione fino alla maggior parte della massa di partenza è stato recuperato. Pesare e trasferire il raccolto nano-VB 2 in un pallone a fondo tondo.
- Pesare 3,5 per cento in peso di cloruro di zirconio rispetto alla raccolta VB 2 e quindi aggiungere la polvere al pallone contenente la raccolta nano-VB 2.
- Aggiungere un ancoretta magnetica al pallone e utilizzando la pellicola di paraffina sigillare l'apertura prima di rimuovere dal vano portaoggetti. Alternativamente, unsetto è stato utilizzato con risultati equivalenti Togliere il pallone dal vano portaoggetti.
- Usando una siringa da 10 ml, trasferire 10 ml di etere etilico nel pallone a fondo tondo. Rapidamente coprire il foro creato dalla siringa nel film paraffina con un pezzo aggiuntivo di Parafilm.
- Mescolare il pallone su un piatto mescolare per un'ora su una regolazione media.
- Dopo un'ora, si evapora il restante etere dietilico off del nano-VB 2 utilizzando un evaporatore rotante o altra configurazione pompa finché rivestito nano-VB 2 appare secca.
- Dopo Zr rivestito nano-VB 2 è completamente asciutto, raccogliere.
2. Preparazione di elettroliti
- Preparare una miscela di 4 M NaOH soluzione per uso come elettrolita 4 M e KOH. (NOTA: solo sufficiente a durare un paio di settimane, ripetere se necessario per formare nuove cellule). Acquose di elettroliti idrossido di NaOH e KOH sono state esplorate in passato, che vanno a concentrazione corseging di 8 M per saturi. La combinazione di 4 M NaOH e 4 M KOH cede marginalmente migliorato le prestazioni tasso elevato rispetto ai risultati precedenti utilizzando un puro NaOH elettrolita.
3. Smontaggio di zinco / aria Batterie
Vedere la tabella dei reggenti e materiali per dettagli sul produttore della batteria e il numero di modello.
- Apertura della cella zinco / aria per la successiva fabbricazione di VB 2 / celle d'aria.
- Creare un taglio nel labbro della cassa a bottone con taglienti diagonali.
- Crimpare l'esterno bordato del labbro verso l'esterno. Dopo aver completamente intorno alla cella due volte, dovrebbe essere facile da aprire.
- Usando una lama di rasoio, spingere verso l'alto i bordi del tappo lentamente, forzare delicatamente aprire la cella. NOTA: Si può prendere un po 'per ottenere la cella aperta. Siate pazienti e attenti a non rompere o danneggiare alcuna parte nel fare questo passo. La cella dovrà rimanere intatto.
- Preparazione della batteria per uso
- Una volta che la cella è aperta in due parti (il tappo e il fondo) iniziare a rimuovere delicatamente il materiale anodico di zinco dal tappo e sul fondo.
- Rimuovere il più zinco solido possibile con la lama di rasoio. Non raschiare il fondo, ma è importante non danneggiare le parti. Il separatore (basso) e le (lati) guarnizione formano un singolo overlay opaco che può essere facilmente perforato dal esercitare troppa pressione con la lama di rasoio. Perforando il separatore causa il danneggiamento del catodo aria. Inoltre, se la guarnizione è disturbato l'affidabilità della cella da isolare elettricamente è perso.
- Utilizzando un tampone di cotone asciugare con cura il zinco residuo e residuo dal tappo, in basso, e il separatore.
- Pulire il tappo e all'esterno della cellula con alcol isopropilico.
4. Preparazione di un elettrodo di lavoro 5 mAh con una miscela 70/30 secco
- Utilizzando sintetizzato Zr rivestito nano-VB 2 come materiali attivial, pesare 0,0012 g per elettrodo da fabbricati (di solito 5-10 cellule sono testati alla volta) e il trasferimento in un mortaio e pestello.
- Aggiungere 30% della pesato VB 2, 0,0005 g di grafitico nerofumo (per elettrodo), al materiale attivo nel mortaio e pestello e macinare per 30 min.
- Assicurarsi che non ci sono grandi, gruppi visibili di materiale e raccogliere polvere.
- Pesare circa 0,0017 g di miscela 70/30-powder per tappo elettrodo pulito con una spatola. (Se preparare molte celle alla volta, altrimenti trasferire il materiale al tappo elettrodo).
- Aggiungere una goccia di alcool isopropilico per ogni tappo e polvere di turbolenza con una spatola o un altro piccolo oggetto appuntito finché non ci sono grumi e le sospensioni sono distribuiti uniformemente in tutta la parte superiore del tappo.
- Lasciare gli elettrodi ad asciugare per 30 min.
5. VB-2 Air Cell Assembly - metodo a secco
- Assemblare le celle in senso inverso dal zinco / AIcella r con l'elettrodo di lavoro, tappo, a testa in giù.
- Organizza ogni cella (il 5-10 in fase di sperimentazione) in due file, la testa in uno e le corrispondenti fondi in altra. Ispezionare ogni cappuccio per garantire che il materiale anodico è diffusa uniformemente e non incrinato.
- Aggiungere 27 ml di 4 M KOH / 4 M NaOH miscela elettrolita a ciascun separatore.
- Rimuovere delicatamente elettrolita in eccesso dai fondali utilizzando cotone tamponando solo una volta all'interno del fondo.
- Prendere attentamente ciascuno dei fondi, girarle, e metterli sopra i tappi in modo che il materiale anodico è in contatto con l'elettrolita.
- Applicare una pressione e sigillare utilizzando una resina epossidica a rapida essiccazione.
6. Nano-VB 2 / Air Testing cellulare
- Una volta che il processo di fabbricazione è completato, cellule di posizione su una cremagliera scarico o portabatteria.
- Consentire a ciascuna cella una fase iniziale di riposo dieci minuti per garantire che le celle equilibrano prima della scarica.
- Scaricocellule a un carico costante di 3000 Ω (o un carico alternativa desiderata) utilizzando un tester batteria.
- Dopo la fase di equilibratura, eseguire una misura del potenziale di circuito aperto.
- Poi scarica sotto un carico costante fino a raggiungere una tensione di 0,4 V arresto.
- Efficienza coulombiane può quindi essere calcolato con la percentuale della capacità misurata rispetto all'anodo teorica capacità di scarico di undici elettroni di 4.060 Ah kg -1.
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Representative Results
Test elettrochimica viene eseguita per determinare le prestazioni di VB 2 / aria batterie. I risultati ottenuti per le celle multiple forniscono la prova per riproducibilità delle prestazioni cella. Figura 1 confronta la VB 2 / aria batterie durante una 3,000 ohm (sinistra) e 1000 ohm (destra) scarico. Si noti che la tensione di scarica, nonché la frazione del 4.060 Ah kg -1 di capacità intrinseca è superiore con la nanoscopica VB 2 anodo rispetto al VB 2 cella anodo macroscopico, e che questa cella conserva anche superiore efficienza a tasso superiore (confrontando i 1.000 a 3.000 ohm) con questo anodo. L'etichettatura delle cellule è il seguente, per esempio I-FC000, dove I è una costante arbitraria, FC sta per un cellulare completo, e 000 è il numero di test. Figura 2 convalida che 2 scarico celle vuote, Zn o Zn / VB è come previsto. Figura 3 mostra la zirconia overlayer PreseNT sul VB 2 nanoparticelle. Figura 4 fotografie fasi consecutive della batteria zinco / aria smontaggio e la Figura 5 fasi del anodo fabbricazione sostituzione. Infine, la Figura 6 presenta corretto incollaggio della cella di garantire buoni collegamenti sia sul anodo e catodo per stabilire una buona tenuta cella. L'elettrodo di lavoro può anche essere fabbricato utilizzando processi alternativi per il metodo a secco. Per esempio, la VB 2 può essere miscelato come una dispersione acquosa (slurry), e poi equamente distribuito nel collettore di corrente inossidabile, o come visibile nella figura 7, espressi come solido disco VB 2 con un legante Kynar su una lamina di acciaio inossidabile .
Figura 1. Dati ottenuti per relativamente lento divolte scharge (3.000 Ω e 1000 Ω). cellule sono generalmente dimessi a 3.000 Ω per fornire confronto tra esperimenti e le prestazioni delle cellule.
Figura 2. Convalida che Panasonic 675 batterie zinco / aria pulita forniscono un banco di prova utile per la nano-VB2 anodo; rispetto all'anodo macro-VB2 è una cella vuota anodo (in alto a sinistra), anodo contenente solo carbonio senza imballaggio VB2 (in basso a sinistra) , anodo con Zn-no VB2 (in alto a destra), e l'anodo con un composito di Zn e VB2 (in basso a destra). In alto a sinistra mostra lo scarico di una Zinco / aria cellula completamente sventrato e chiuso senza alcun materiale anodico (vuoto cella vuota, senza carbonio e senza VB 2) presente con una tipica 2 scarico nano-VB per il confronto. In alto a destra mostra lo scarico di cella contenente 20mAh del materiale anodo di zinco. La cella zinco viene utilizzato per valeventualmente il VB configurazione della cella 2 e usa il zinco originale come reintrodotto nella cella. In basso a sinistra è un esempio di uno scarico contenente solo la giusta quantità di nero di carbonio grafitico per una tipica 2 scarico VB con una tipica 2 scarico nano-VB per il confronto. Basso a destra mostra una cella 2 nano-VB con la presenza di volutamente aggiunto zinco nel anodo, e l'osservato distinto tensione di scarica plateau sono prove che il VB anodo 2-alone non contiene un significativo contaminante zinco. La figura di sinistra convalida che la cella vuota presenta un limite superiore di meno del 4% della capacità misurata VB 2 anodo contenente.
Figura 3. Immagine ad alta risoluzione della zirconia SEM rivestito VB 2 </ Sub>.
Figura 4. Modo corretto per smontare una batteria zinco / aria per VB-2 Air Assembly cellulare. Figure 4a e 4b mostrano una fabbrica di cellule prima di aprire. Figura 4c e 4d dimostrano il taglio iniziale e l'apertura della batteria. Figura 4e (anche denominata Top) e Figura 4f (basso) fornisce una visualizzazione della cella aperta prima di rimuovere il materiale anodo di zinco. Alla rimozione della membrana viene pulita e spazzata via come mostrato nella Figura 4g. Figura 4h visualizza l'area in cui il VB 2 anodo è fabbricato.
Figura 5. Fabbricazione dell'elettrodo di lavoro. Figura 4a </ Strong> fornisce un esempio di come questo viene preparato. Nel costruire gli elettrodi è importante che senza cricche o grumi visibili; la superficie dell'elettrodo deve apparire liscia come mostrato in Figura 4b.
Figura 6. Corretto incollaggio delle cellule al fine di garantire buoni collegamenti su entrambi l'anodo e il catodo e una buona tenuta sulla cellula.
Figura 7. L'elettrodo di lavoro può anche essere fabbricato utilizzando processi alternativi per il metodo a secco. Sopra è un esempio di fusione di nano-VB 2 Preparazione anodo su una lamina di acciaio inossidabile.
* Intrinseca capacità specifica volumetrica viene calcolato come NDF / MW, dal peso molecolare, MW (ad esempio per Zn o VB
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Discussion
Costruzione della VB 2 / batteria aria in questo modo offre la possibilità di studiare e di sondare gli undici elettroni per il trasferimento di carica molecola che si verifica, consentendo la possibilità di una nuova batteria ad alta capacità. Risultati ottenuti se non dimostrano risultati riproducibili, garantire che tutto il materiale anodo di zinco è stato rimosso dalla batteria, che vi sia una dispersione di materiale attivo anche sul tappo, e che le celle siano correttamente incollati senza perdite. Se il problema persiste, assicurarsi che le batterie sono di Panasonic 675 celle zinco / aria realizzati in Giappone non la Germania. La guarnizione di una cellula giapponese dovrebbe apparire opaco e attaccato al separatore come un'unica entità. Se la guarnizione è separata e blu le cellule sono tedeschi. Limitazioni a questa tecnica includono non avere la capacità di controllare l'umidità della cella, anche se in precedenza non ci sono stati problemi osservati. Quando si costruisce una batteria VB 2 / aria, ci sono diversi step criticos evidenziati nella sezione Protocollo: apertura della cella, rimuovendo il materiale zinco, preparazione del materiale anodico e inserimento nella cella, chiudendo con cura la cella, e proprio incollaggio per garantire che non vi siano perdite e una buona connessione elettrica.
Diffrazione di raggi X da polveri è una tecnica conveniente per confermare 15,16 che i reagenti iniziali (vanadio e boro elementare) non sono presenti nel sintetizzato nano-VB 2. Microscopio elettronico a trasmissione (TEM) immagini stabiliscono che il rivestimento di ossido di zirconio è uniformemente coprendo le due particelle VB. Nello smontaggio e il montaggio delle batterie zinco / aria, è importante fare in modo che il corpo rimane intatto e che la membrana e la separazione non sono tagliati o danneggiati in alcun modo. Durante la scarica, relativamente piccole differenze nelle tensioni e capacità osservati per celle ripetute possono derivare da piccole differenze di massa, nonché da utilizzando una configurazione tha cellat non ha portato a pressione uniforme applicata per ogni cella.
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Disclosures
Gli autori, Chris Rhodes, Ruben Lopez, Xuguang Li, Mahesh Waje, e Matthew Mullings sono dipendenti di Lynntech Inc.
Acknowledgments
Gli autori desiderano ringraziare la National Science Foundation Award 1006568 per il finanziamento di questo progetto.
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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