Abstract
Et stigende antal af elektrokemiske teknologier afhænger af væskestrøm, og ofte, at væsken er uigennemsigtig. Måling af strømningen af en uigennemsigtig væske i sagens natur er vanskeligere end at måle strømmen af en transparent væske, da optiske metoder er ikke gældende. Ultralyd kan anvendes til at måle hastigheden af en uigennemsigtig væske, ikke kun på isolerede punkter, men på hundreder eller tusinder af punkter grupperet langs linier, med god tidsmæssig opløsning. Når det påføres et flydende metal elektrode, ultralyd Velocimetri indebærer yderligere udfordringer: høj temperatur, kemisk aktivitet og elektrisk ledningsevne. Her beskriver vi den eksperimentelle apparater og metoder, der overvinde disse udfordringer og tillader måling af flow i et flydende metal elektrode, da det leder strøm, ved driftstemperatur. Temperaturen reguleres inden for ± 2 ° C ved hjælp af en Proportional-Integral-Derivative (PID) controller, at beføjelser en specialbygget ovn. Kemiske aktivitet er mennesketalderen ved at vælge fartøj materialer omhyggeligt og omslutter forsøgsopstillingen i et argon fyldt handskerummet. Endelig er utilsigtede elektriske stier omhyggeligt forhindres. Et automatiseret system logger kontrol indstillinger og eksperimentelle målinger, bruger hardware triggersignaler at synkronisere enheder. Dette apparat og disse metoder kan producere målinger, der er umulige med andre teknikker, og tillade optimering og styring af elektrokemiske teknologier som flydende metal batterier.
Introduction
Metal batterier Flydende er en lovende teknologi til at levere store energilagring på verdensplan elektriske net 1. Disse batterier tilbyder høj energitæthed, høj effekttæthed, lang cyklus liv, og lave omkostninger, hvilket gør dem ideelle til grid-skala energilagring 3. Introduktion flydende metal batterier til energinet ville tillade peak barbering, forbedre grid stabilitet, og gør det muligt langt mere udbredt anvendelse af intermitterende vedvarende energikilder som sol, vind og tidevandsenergi. Metal batterier flydende er sammensat af to flydende metal elektroder adskilt af et smeltet salt elektrolyt, som beskrevet mere detaljeret i tidligere arbejde 1. Selvom mange forskellige kombinationer af metaller og elektrolyt kan resultere i en arbejdsgruppe flydende metal batteri, principperne for funktionen den samme. Metallerne er valgt således, at det er energimæssigt gunstig for dem at danne en legering; dermed legering udledninger batteriet, og de-legering afgifter it. Salt lag vælges således, at den tillader metalioner at passere mellem de to elektroder, men blokerer transport af neutrale arter, hvorved der opnås elektrokemiske styring af systemet.
Dette arbejde vil fremme flydende metal batteri teknologi ved at kvantificere og kontrollere masse transport effekter. De her beskrevne metoder er informeret af elektrokemiske metoder udviklet til flydende metal batterier ved Sadoway et al. 1-4 samt tidligere flydende metal batteri arbejde på Argonne National Laboratory 5,6, og arbejdet i den bredere elektrokemiske samfund (Bard og Faulkner 7 give mange relevante referencer). De her beskrevne metoder også bygge videre på tidligere fluid dynamics studier. Ultralyd Velocimetri blev udviklet og brugt første gang i vand 8,9 og er siden blevet anvendt til flydende metaller, herunder gallium 10,11, natrium 12,13, kviksølv 14, bly-bismuth 15, kobber-tin 15 </ Sup>, og bly-lithium 16, blandt andre. Eckert et al. En nyttig gennemgang af Velocimetri i flydende metaller 17.
Nyligt arbejde under anvendelse af fremgangsmåder der ligner dem her 18 beskrevne har vist, at batteri strømme kan forbedre massetransport i flydende metal elektroder. Fordi massetransport i den positive elektrode er den hastighedsbegrænsende trin i opladning og afladning af flydende metal batterier, derfor blande giver mulighed for hurtigere opladning og afladning, end det ellers ville være muligt. Desuden blanding forhindrer lokale inhomogeniteter i elektroden, der kan danne faste stoffer, der begrænser cyklus levetid for et batteri. I det igangværende arbejde, fortsætter vi med at studere den rolle, flydende flow i den positive elektrode af det flydende metal batteri, som opstår på grund af termiske og elektromagnetiske kræfter. Termiske gradienter drev konvektiv strømning gennem opdrift, og batteri strøm drev flow ved at interagere med de magnetiske felter induceret af dejeny strømme selv. I forsøg med de metoder, der er beskrevet nedenfor, har vi observeret strømme med Reynolds nummer 50 <Re <200, beregnet ud fra elektroden dybde og rod-middelværdi-square hastighed. En grundig eksperimentel karakterisering er iværksat og vil bruge den resulterende datasæt til at bygge prædiktive batterimodeller. Fokus for dette manuskript er på det eksperimentelle design og procedurer, der kræves for at producere sådanne data. Ultralyd Velocimetri tilvejebringer størstedelen af målingerne, og forsøgsbetingelser skal omhyggeligt styres for at bruge ultralyd med succes i flydende metal. Høj temperatur, kemisk aktivitet, og elektrisk ledningsevne må alle håndteres omhyggeligt.
Første, flydende metal batterier nødvendigvis fungere ved høj temperatur, fordi både metaller og saltet, der adskiller dem skal være smeltet. Et lovende valg af materialer, som anvender lithium som den negative elektrode, bly-antimon som den positive electroden, og en eutektisk blanding af lithiumsalte som elektrolyt, kræver temperaturer på omkring 550 ° C. Måling af strømningen af en uigennemsigtig væske ved så høje temperaturer er ganske vanskeligt. Høj temperatur ultralydstransducere, som adskiller de fine elektro-akustiske komponenter fra prøvevæsken med en akustisk bølgeleder, er blevet demonstreret 15 og kommercialiseret. Men fordi transducerne har indsætningstab nær 40 dB, og på grund af den generelle vanskeligheden ved at arbejde ved sådanne temperaturer, et surrogat der er valgt til indledende undersøgelse: et flydende metal batteri kan også fremstilles under anvendelse af natrium som den negative elektrode, eutektisk 44% bly 56% bismuth (herefter ePbBi) som den positive elektrode, og en tredobbelt eutektisk blanding af natriumsalte (10% natriumiodid, 38% natriumhydroxid, 52% natriumamid) som elektrolytten. Sådan et batteri er helt smeltet over 127 ° C, hvilket gør det meget mere modtagelig for laboratorieundersøgelse. Fordi det er sammensat af tre flydendelag adskilt af tæthed, det er underlagt de samme fysik som andre flydende metal batterier. Og det er foreneligt med let tilgængelige ultralyd transducere, der er vurderet til 230 ° C, medfører ingen waveguide tab, og koster meget mindre end høj temperatur transducere. Disse eksperimenter typisk finde sted ved 150 ° C. Ved denne temperatur, ePbBi har viskositet ν = 2,79 x 10 -7 m2 / sek, termisk diffusivitet κ = 6.15 x 10 -6 m 2 / sek, og magnetisk diffusivitet η = 0,8591 m2 / sek, således at dens Prandtl nummer Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 og dens magnetiske Prandtl nummer Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7.
Selvom dette lav temperatur flydende metal batteri kemi gør flow undersøgelser meget lettere, end de ville være i varmere batterier, skal temperaturen alligevel styres omhyggeligt. At være sarte elektro-akustiske apparater, ultralyd transducere er susceptible at skade ved termisk chok, og derfor skal opvarmes gradvist. Høj kvalitet ultralyd målinger kræver også omhyggelig temperaturregulering. Ultralyd Velocimetri fungerer ligesom sonar, som vist i figur 1: transduceren udsender et bip (her er frekvensen 8 MHz), så lytter efter ekkoer. Ved at måle tiden søgning af ekkoet, kan afstanden til ekko legeme beregnes, og ved måling af Doppler-forskydning af ekkoet, kan én bestanddel af kroppens hastighed også beregnes. I vand, skal sporstof partikler hvormed producere ekkoer, men ingen sporstof partikler kræves i flydende metaller, et faktum, der ikke forstås i detaljer, men er typisk tilskrives tilstedeværelsen af små metaloxidpartikler. Hver måling er et gennemsnit over alle sporstof partikler i et forhør volumen; i dette arbejde, dens mindste diameter er 2 mm, i en afstand 30 mm fra proben. Selvom oxidation kan i sidste ende begrænse varigheden af forsøgene, ved hjælp af the metoder beskrevet nedenfor, har vi lavet målinger kontinuerligt, så længe som 8 timer.
Beregning af afstand eller hastighed kræver kende lydens hastighed i prøvevæsken, og denne hastighed varierer med temperaturen. Den her beskrevne arbejde fokuserer på flow i ePbBi negative elektrode, hvor lydens hastighed er 1.766 m / sek ved 150 ° C, 1.765 m / sek ved 160 ° C, og 1.767 m / sek ved 140 ° C 19. Utilstrækkelig temperaturstyring vil således indføre systematiske fejl i ultralyd målinger. En enhed blev konstrueret til at måle hastigheden af lyd i ePbBi, at finde værdier i overensstemmelse med dem, der offentliggøres og accepteret af Kerneenergiagenturet 19 (se nedenfor). Endelig, da termisk konvektion er en primær drivkraft for strømning i flydende metal batterier, både den gennemsnitlige temperatur og temperaturforskellen mellem toppen og bunden af ePbBi elektrode direkte indvirkning observationer. For ensartede resultater, præcis termisker vigtig.
Følgelig er temperatur målt kontinuerligt med mindst tre K-type termoelementer, elektronisk logge deres målinger med en computer-baserede erhvervelse enhed og en specialfremstillet skriftlig LabView program. Programmet styrer også strømforsyning, der giver batteri strøm via en USB-forbindelse; logger batteriets strøm og spænding; og sender triggerimpulser til ultralyd instrument, således at dens data kan synkroniseres med de andre målinger. Et system diagram er vist i figur 2. Heat leveres af en specialbygget ovn (også vist i figur 2), som indeholder to 500-W varmeelementer industrielle powered by et relæ kobles af en proportional-integral-differential (PID) controller. Bundpladen, der understøtter battericeller er lavet af massivt aluminium; fordi dens varmeledningsevne er en størrelsesorden højere end den termiske ledningsevne af den rustfri stål batteri celle fartøjet og ePbBi det indeholder 19, temperaturen i ovnen gulvet er omtrent ensartet. Endvidere alu-basen fordobler som en bane for de elektriske strømme, der går gennem elektroden. Dens elektriske ledningsevne er også en størrelsesorden højere end for rustfrit stål eller ePbBi, så spændingen af ovnens gulv er også tilnærmelsesvis ensartet. Isolerende ben adskille bunden fra bænken top nedenfor, forebygge forbrændinger og shorts. Siderne af batteriets fartøj er isoleret med silica keramisk isolering, skåret til at passe skibet tæt, men give plads til at få adgang til cellens ultralyd port. Endelig en polytetrafluorethylen (PTFE) låg isolerer cellen fra oven og holder den negative strømaftager og termoelementer på plads. Selvom kommercielt tilgængelige kogeplader kan opnå de temperaturer, der kræves for disse eksperimenter, vores specialbyggede ovn opretholder temperaturen med en størrelsesorden mindre variation, ennd også giver os mulighed for at måle varme strøm direkte.
Ud for udfordringer forbundet med temperaturen, er der udfordringer forbundet med kemisk aktivitet. Ved 150 ° C, en ePbBi positive elektrode er kemisk kompatibelt med mange almindelige materialer. A-natrium negativ elektrode imidlertid korroderer mange materialer, oxideres let, og reagerer kraftigt med fugt. En lithium negative elektrode er også aggressive, især fordi lithium-baserede flydende metal batterier typisk køre ved meget højere temperaturer. Om disse højere temperaturer systemer er uden for dette arbejde, mange af de samme foranstaltninger til styring af kemisk aktivitet anvendes her som i disse systemer. Alle eksperimenter beskrevet her foregå i et argon-fyldt handskekasse kun indeholder spormængder af oxygen eller fugt. Batteriet fartøj er lavet af legeret 304 rustfrit stål, der korroderer minimalt selv med lithium ved 550 ° C. Termoelementerne og negative strømsolfanger er også lavet af rustfrit stål. Fartøjet geometri er valgt til at matche skibe, der anvendes til elektrokemisk af flydende metal batterier, at modellere så tæt som muligt de systemer, der kommercialiseres. Fartøjet, der er vist i figur 2, er cylindrisk, med en 88,9 mm indre diameter og en 67 mm dybde. Alle karvæggene er 6,4 mm tyk. Fartøjet afviger fra dem, der anvendes for tidligere forsøg, dog ved at den har en ultralyd-port. Porten passerer gennem sidevæggen langs en vandret diameter af cylinderen, og centrum af porten er 6,6 mm over fartøjets gulv. Havnen er 8 mm i diameter til at rumme en 8 mm ultralydstransducer, og sæler omkring transduceren med en swage. I disse forsøg det flydende metal elektrode er lige dybt nok til at dække ultralydstransducer, typisk 13 mm.
For at opnå stærke ultralydssignaler, en kræver god akustisk transmissionmellem ultralydstransduceren og fluidet den prober (ePbBi). Maksimal akustiske effekt transmitteres, når den akustiske impedans af transduceren materiale og prøvevæsken er identiske; når impedanser forskellige, signaler lide. Placering af en ultralydstransducer i direkte kontakt med ren ePbBi (som muliggjort af porten beskrevet ovenfor) giver rigelig signal, ofte i flere timer ad gangen. Metaloxider har imidlertid meget forskellig impedans, og kan også forstyrre befugtning ved at ændre overfladespændingen. Hvis ePbBi væsentlige oxideres, ultralydssignaler nedbrydes og snart forsvinde. Igen, en inert atmosfære er afgørende. Hvis spormængder af oxygen medføre nogle oxidation alligevel er overfladen af metaloxidet skummetmælk før overførsel ePbBi i batterirummet beholderen.
Endelig disse eksperimenter nuværende udfordringer på grund af tilstedeværelsen af elektriske strømme. Selvom strøm er vores centrale videnskabelige og teknologiske interest, de er store nok (30 A) til at forårsage skader, hvis ukorrekt dirigeres. Jordede termoelementer sikre, at skadelige elektriske strømme ikke passere gennem dataopsamling enhed eller den computer, der understøtter det, fordi ujordede termoelementer har ingen intern elektrisk forbindelse fra den beskyttende kappe til enten signal ledning. Ligeledes er det vigtigt at anvende jordede ultralydstransducere (Signal-Processing SA, TR0805LTH) for at forhindre omstrejfende strøm i at beskadige værdifulde ultralyd instrument (Signal-Processing SA, DOP 3010). Som tidligere nævnt bunden af ovnen tjener til at lede elektrisk strøm, og skal også være elektrisk isoleret fra sine omgivelser.
I ePbBi elektrode nuværende forårsager ohmsk opvarmning, potentielt forstyrre temperaturen. Den automatiske termiske styresystem skal således kunne tilpasse sig ændringer i varmetilførsel. Figur 3 viser, hvordan temperaturen i ePbBi elektroden varierer som curhusleje løber gennem det, og hvordan indstiller PID regulatoren for at kompensere. Opretholdelse konstant temperatur med store strømme (50 A = 800 mA / cm) ville kræve yderligere køling, men på de lavere strømme mere realistisk til flydende metal batterier i industrielle applikationer (typisk 17 A = 275 mA / cm 1), styringen er i stand at kompensere for ohmsk opvarmning og holde temperaturudsving til 2 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Systemopsætning og Assembly
- Rengør ultralydstransducer med isopropanol.
- Indlæse handskerummet.
- Load nødvendige udstyr og materialer (herunder ultralyd transducer, ePbBi, røre stick, og termoelementer) ind i handskerummet, følge vejledningen i handskerummet producenten for at minimere indtrængen af ilt og fugt.
- Hold porøse materialer under vakuum i handskerummet forkammeret til 12 timer før ind i handskerummet.
- Tune PID-regulatoren (kun første gang).
- Placere den samme mængde fast ePbBi i batterirummet skib, der skal anvendes i forsøg (840 g).
- Placer ovnen isolering omkring batteriet fartøj, hvis den ikke allerede er der, og placere låget på toppen af batteriet fartøj, sammen med den negative strømaftager og termoelementer.
- Foretag alle elektriske forbindelser til termoelementer og ovn magt, som vist i fig
- Påbegynd automatisk tuning af PID controller, bruger 150 ° C som setpunktet. Bemærk: detaljerne for dette skridt vil variere, afhængigt af PID controller producent og model. Controlleren bruges her auto-tunes ved at styre fire fulde termiske cyklusser, fra RT til driftstemperatur over et kursus af timer.
- Brug piletasterne til at justere setpunktet (vist som standard, efter tuning controlleren) til 150 ° C.
- Tryk og hold knappen loop i 3 sek for at komme ind i skjulte løkke. Tryk derefter på knappen loop indtil controlleren viser skærmen "tune". Brug piletasterne til at ændre det til YES.
- Indsæt et termoelement og bruge arbejdsstationen til at overvåge og logge temperatur.
- Når auto-tune er færdig, registrere de proportionale, Integral, og Afledte parametre, PID regulatoren automatisk har valgt ved hjælp af controlleren interface, ifølge to producentens anvisninger.
2. Sound Speed Måling
- Bruge ovnen til at smelte nok ePbBi til eksperimentet, på mindst 400 g. Bemærk: krævede beløb vil variere for forskellige udstyr, og ePbBi smelter ved 125 ° C.
- Hvis det er nødvendigt, fjerne overskydende oxid ved at skumme det fra den øverste overflade af ePbBi anvendelse af en rørepind.
- Indsæt en ultralyd transducer ind i lyden hastighedsmåling enhed og spænd swage forbindelsen for at forhindre lækager, derefter indsætte et termoelement og bruge arbejdsstationen til at overvåge og logge temperatur.
- Overføre smeltet metal til lydmålingen hastighed enhed.
- Placer lydmålingen hastighed enhed på ovnen basen og lad den der i 2 minutter til gradvist at øge temperaturen og undgå termisk chok.
- Forbered dig på en sikker overførsel ved at fjerne varmefølsomt udstyr eller materialer fra området.
- Tilføj små amounts af smeltet metal på et tidspunkt, fordi termisk chok kan beskadige ultralydstransducer. Tilføj ePbBi indtil transduceren ansigt og mikrometer hoved er begge helt neddykket.
- Vent, indtil temperaturen forbliver stabil inden for 1 ° C i mindst 5 minutter, før du begynder målinger, da lydhastigheden afhænger af temperaturen.
- Mål ultralyd ekkoer to steder.
- Indstil mikrometer tip til en vilkårlig, men kendt placering. Optag ultralyd echo målinger, efter anvisningerne af instrumentets fabrikant.
- Ved hjælp af mikrometer dial flytte mikrometer spidsen med en kendt afstand. Optag ultralyd echo målinger.
- Fjern det smeltede metal fra lyden hastighedsmåling enhed og gemme det i en varme-tolerant beholder.
- At bestemme lydhastigheden, plot ekko amplitude som funktion af ekko tid for hver af de to målinger. Find de ekkoer ved at montere en Gauss kurvetil hver ekko top, som i figur ure 4. Beregn lyd hastighed ved at dividere forskydning afstand af forskellen i ekko spidsbelastningsperioder.
3. Ultralyd Velocity Måling
- Smelt nok ePbBi til eksperimentet (840 g), fjernelse af overskydende oxid om nødvendigt. Bemærk: Det bedste resultat opnås, bruge den samme mængde ePbBi, der blev brugt til at tune PID controller.
- Indsæt en ultralyd transducer ind i batteriet beholder og stram swage forbindelsen for at forhindre lækager, der sikrer, at ovnen base er niveau.
- Overføre smeltet metal til batteriet fartøj.
- Anbring batteriet fartøj på ovnen base og forlade det der i 5 min til gradvist at øge temperaturen og undgå termisk chok. Forbered dig på en sikker overførsel ved at fjerne varmefølsomt udstyr eller materialer fra området.
- Tilsætte små mængder af smeltet metal på et tidspunkt, fordi termisk chok kan beskadige ultrasound transducer.
- Vent, indtil temperaturen når 150 ° C, før der begynder målinger, da lydhastigheden afhænger af temperaturen.
- Afslutte samle apparatet.
- Placer ovnen isolering omkring batteriet fartøj, hvis den ikke allerede er der. Sæt låget på toppen af batteriet fartøj, sammen med den negative strømaftager og termoelementer. Sørg for, at alle er placeret præcist og gentagne gange; Akselflanger fungere godt for dette.
- Foretag alle elektriske forbindelser til både strøm og signaler, som vist i figur ure 2B. Brug et ohmmeter til at kontrollere, at der ikke utilsigtede elektriske stier er til stede, dvs kontrollere, at den elektriske modstand mellem den negative strømaftager og alle signal fører er mindst 1 MOhm.
- Begynd at foretage målinger.
- Begynd logning og temperaturovervågning, varmelegeme strøm, batteri spænding, og batteristrøm. Bemærk: Her blev en arbejdsstation, der kører brugerdefineret LabView kode, der bruges til at logge alle målinger med tilsvarende tidsstempler.
- Justere ultralyd instrument som nødvendigt.
- Sørg for at indstille lyden hastighed, ved hjælp af passende temperatur, ifølge en accepteret model 19. For ePbBi ved 150 ° C, som anvendes nedenfor, indstille hastigheden til 1.760 m / sek.
- Juster pulsrepetitionsfrekvens, således at ekko dybder er tæt afstand (typisk 0,25 mm).
- Juster gateantal sådan at det stærke ekko fra den fjerneste væg af beholderen vises i de sidste par porte; det giver en nyttig tilregnelighed kontrol fejlfinding signal styrke problemer for.
- Ved hjælp af instruktionerne fra producenten, skal du indstille instrumentet til hardware udløsning.
- Begynd logning og overvågning hastighed med ultralyd instrument ved at indlede udløsning fra arbejdsstationen. Optag fire hastighedsprofiler per sekund for 30min.
- Indstil batteristrøm til 5 A, vent 5 min for strømmen stabiliseres, og derefter optage fire hastighedsprofiler per sekund i 30 minutter.
- Gentag trin 3.5 for 10 A, 15 A, 20 A, 25 A og 30 A.
Bemærk: Mange andre eksperimentelle planer er også muligt, herunder temperaturvariationer og glatte ændringer i strøm. En atmosfære lavt ilt og fugt giver eksperimenter med god signalkvalitet for timer eller mere. - Når forsøgene er færdige, stop logge data og slukke for ovnen. Afbryd elektriske forbindelser og fjern ovnen låget. Fjerne det smeltede metal fra batteriet fartøj, anvendelse af de samme procedurer for sikker overførsel, der blev brugt ved fyldning af beholderen. Opbevar smeltede ePbBi i en varme-tolerant beholder. Tilføj ekstra argon til handskerummet; dens tryk vil falde som dens atmosfære køler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fremgangsmåden for måling lyd hastighed (beskrevet i detaljer ovenfor) blev tilpasset fra metoder, som Signal-Processing SA. I princippet kan lydhastighed let opnås ved at måle tiden søgning af et ekko fra en væg på kendte område. Men netop måle den effektive placering af transduceren ansigt er vanskelig, så i stedet kan man måle tid søgning to gange under anvendelse af et mikrometer til at forskyde væggen ved en kendt afstand mellem målingerne. Denne afstand forskydning, og forskellen i den målte tid søgning sammen opnåelse lydhastigheden. Apparatet anvendes til måling af lydhastigheden i disse eksperimenter er vist i figur 4A. En måling af lydhastigheden i ePbBi er vist i figur 4B. Hver kurve, der viser målte ekko er et gennemsnit over 98 profiler spænder 7,4 sek. Hvert ekko top er egnet til en Gauss kurve (vist), som gør brug af mange datapunkter, og derfor lokaliserer ekko væg langt mere præcist end at finde et enkelt maksimum. Kendskab til de ekko gange, og vide, at det ekko mur blev fordrevet 2,54 mm mellem målingerne, den beregnede lyd hastighed er 1793 m / sek ved 138 ° C, i en rimelig aftale med den værdi, accepteret af Nuclear Energy Agency 19, hvilket er 1768 m / sek. I målinger under blev NEA lydhastigheden anvendes.
En ultralyd hastighed spor, optages uden strøm i elektroden, er vist i figur 5A. Her den rumlige koordinatsystem har sin oprindelse i centrum af batteriet fartøj, og transduceren på den negative side af oprindelse, således at positive hastigheder tilkendegiver strømme bort fra transduceren, og negative hastigheder tilkendegiver strømning mod transduceren. Selvom ultralyd målinger langs en diameter ikke giver os kendskab strømningen overalt, målingerne er i overensstemmelse med en samling af konvektion ruller, som skitseret i figur 5C.
ve_content "> Ved at repræsentere positive hastigheder i nuancer af røde og negative hastigheder i blå nuancer, tid kan plottes på den lodrette akse, for at gøre plads-time plots af den art, der er vist i figur 6A, der formidler tidslige variation af strømningen. her igen, den nuværende er nul. Som det fremgår af de forskellige former af røde og blå områder, denne strøm er uorganiseret og aperiodisk, i overensstemmelse med hvad der forventes af turbulent konvektion. Det gennemsnitlige flow er afbildet i figur 6B, og én standardafvigelse er også angivet.Endelig viser figur 7 ultralyd hastighedsmålinger med strøm løber gennem elektroden (i dette tilfælde, 125 mA / cm). Som beskrevet mere detaljeret andetsteds 18, konvektion celler tendens til at flugte med de magnetiske feltlinier produceret af elektrisk strøm, organisere strømmen. Øget organisation er tydeligt, når figur 7A sammenlignes med figur 6A, og den omstændighed, at flowet er stabil kan kvantificeres ved standardafvigelsen over tid, hvilket er mindre med strøm end uden. Øget organisation i nærvær af et magnetfelt er i overensstemmelse med tidligere observationer i flydende metal konvektionsovne eksperimenter 20-22 og teoretiske forudsigelser 23.
Figur 1. Ultralyd Velocimetri overblik. (A) En ultralyd transducer frembringer et bip, og lytter efter ekkoer. Hvis en bevægende partikel (rød) gør et ekko, ekko flyvetid dt afslører partiklens position, og dopplerforskydningssignalets df afslører en bestanddel af dens hastighed. (B), når mange partikler er til stede, kan en transducer måler en komponent af hastigheden ved mange steder langs en linje. (Ikke at skalere.)TPS: //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Eksperimentel opsætning. (A) Ovnen forsamling. En aluminiumplade understøtter rustfrit stål batteri fartøj og opretholder en ensartet temperatur (aluminium er en langt bedre leder end rustfrit stål). Batteriet fartøj er omgivet af silica keramisk isolering til termisk stabilitet; yderligere silica keramisk isolering omslutter hele ovnen samlingen. Fartøjet top er dækket af en PTFE låg, som understøtter termoelementer såvel som den negative strømaftager (ikke vist), uden at en elektrisk forbindelse til beholderen, som også er den positive strømaftager. Til eksperimenterne beskrevet her, er ovnen drevet med to resistive varmelegemer, hver 500 W. Designet giver mulighed for yderligere to varmelegemer medtages, hvis det ønskes. (B) Vessel tværsnit. Fartøjet indeholder et tyndt lag af smeltet ePbBi, hvilke kontakter den negative strømaftager. Termoelementer også komme i kontakt med ePbBi. En PID-regulator opretholder systemets temperatur og en arbejdsstation styrer batteri strøm, ultralyd målinger og dataopsamling. (C) Handskerum setup. Eksperimenter foregå i et Argon fyldt handskerummet. Den samlede ovn er synlig lige højre for midten, sammen med edb-baseret erhvervelse enhed og varmelegeme controller. Ultralyd instrument hviler på hylden ovenfor. (Her ingen transducer er tilsluttet.) Klik her for at se en større version af dette tal.
52.622 / 52622fig3.jpg "/>
Figur 3. Temperaturregulering. (A) Temperatur i toppen og bunden af ePbBi elektroden under et eksperiment. Temperaturregulering demonstreres ved opvarmning af elektroden, derefter anvende en række strømpulser (B). Ovnen controller reagerede ved at modulere varmeeffekt (C). Ved strømtætheder typiske for batteridrift (op til 400 mA / cm2), temperaturen er stabil inden for ca. 3 ° C. Klik her for at se en større version af dette tal.
Måling Figur 4. Sound hastighed. (A) Fartøjet til måling af lyd hastighed blev bygget med en ultralyd-port (højre) vendende et mikrometer hoved (venstre), som forårsager høje amplitude ekkoer og kan placeres med høj præcision. (B) To målt echo profiler, hver med mindste kvadraters bedst egnet til en Gaussisk kurve. Brug af centre i Gauss passer som rejsetider, og vide, at muren blev flyttet 2,54 cm mellem målinger, er det konstateret, at lydens hastighed er 1793 m / sek ved 138 ° C. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. En ultralyd hastighed spor og dens fortolkning. (A) I en enkelt spor, ultralyd Instrumentet måler hastighed på mange steder (i dette tilfælde, 440) langs den linje af syne af transduceren. Her placeringen r er measured fra midten af koppen, er transduceren placeret i venstre side, og hastighed u <0 betyder strømme mod transduceren, hvorimod u> 0 betegner strømme bort fra transduceren. (B) En skitse af regioner af strømning hen imod og væk fra transduceren. (C) En skitse af en strømningsmønster i overensstemmelse med disse målinger. Transduceren er placeret i den nederste halvdel af elektroden. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Ultralyd hastighed målinger af en flydende metal elektrode drevet af termisk konvektion, uden elektrisk strøm. (A) Radial hastighed u varierer i både tid og rum, med hastighed angivet i farver. Her r er de radial koordinere og t er tiden. (B) Middelværdien flow (afbildet i sort) og én standardafvigelse omkring det (grå) viser lignende træk til figur 5.
Figur 7. Ultralyd hastighed målinger af en flydende metal elektrode drevet af termisk konvektion, og elektrisk strømtæthed 125 mA / cm. (A) Radial hastigheden u varierer i både tid og rum, med hastighed angivet i farver. Her r er den radiale koordinere og t er tiden. (B) Den gennemsnitlige flow (afbildet i sort) og en standardafvigelse omkring det (grå) viser en hurtigere flow med mindre variation i tid end i fravær af strøm (figur 6). Klik her for at se en større version af dette Figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ultralydsteknikker kan producere hastighedsmålinger på hundreder eller tusinder af steder i et transparent eller uigennemsigtig væske, mange gange i sekundet. Påføres et flydende metal elektrode, ultralydsteknikker støder udfordringer med høj temperatur, kemisk aktivitet, og elektrisk ledningsevne. Er blevet beskrevet metoderne til at overvinde disse udfordringer og måle flow i aktive flydende metal elektroder. Først en elektrode materiale omfattet af samme fysik som høj temperatur flydende metal batteri elektroder (550 ° C), men operationelle ved meget lavere temperaturer (150 ° C), letter udfordringer i relation til temperaturen. En specialbygget ovn og tunet kontrolsystem blev anvendt til at holde elektroden temperaturen konstant inden 2 ° C. For at afbøde uønskede kemiske aktivitet, alle forsøg finder sted i et argon-fyldt handskerum og vælg kemisk inerte materialer til systemkomponenter (ofte rustfrit stål). For optimal ultralyd respons, TRANSDucers anbringes i direkte kontakt med det flydende metal testvæsken. Og elektriske strømme dirigeres omhyggeligt for at undgå jordsløjfer, der kan skade værdifulde instrumenter.
Ultralyd Velocimetri har begrænsninger i flydende metaller. Standard prober ikke bedømt for temperaturer over 250 ° C, med undtagelse af deres anvendelse i mange metal smelter. Ultralyd Velocimetri ikke producerer datasæt så rig som dem, der findes ved anvendelse af optiske teknikker lignende partikel sporing 24,25, og enkeltstrenget transducer ultralydsteknikker af den slags her beskrevne måler kun en komponent af hastigheden, og kun langs en linie. Features mindre end ultralyd bølgelængde (209 um i ePbBi ved 150 ° C med 8 MHz emissioner) ikke kan løses. For ultralyd målinger i store systemer, signal dæmpning er en udfordring; i ePbBi med 8 MHz emissioner, der forventes vanskeligheder for afstande over 300 mm. Reducere hyppigheden reducerer dæmpningen, men påomkostningerne ved en tilsvarende reduktion i opløsning. Store systemer kræver også lavere samplingfrekvenser, da tidspunktet for flyvningen over systemet er større. Og her beskrevne apparat er i stand til at opretholde 150 ° C med strømme på 40 A eller mere.
De foreliggende fremgangsmåder kan udvides betydeligt i fremtiden. Indarbejde yderligere ultralydstransducere i battericellen ville muliggøre måling hastighed ved flere steder og / eller måling af mere end én komponent af hastigheden. Yderligere termoelementer kunne give mere detaljerede oplysninger om rumlige variationer af temperatur. Selvom direkte kontakt mellem ultralyd transducer og test væske udbytter stærke signaler, måske forsigtig akustisk design tillader passage ultralyd gennem karvæggen, hvilket reducerer muligheden for termisk eller kemisk beskadigelse af transduceren. En væg mellem transduceren og testfluidum kan også behandles eller konditioneret til at reducere de negative virkninger afoxid i prøvevæsken. De foreliggende fremgangsmåder kan også anvendes bredt til applikationer som støbning og industrielle metaller forarbejdning. Endelig agter vi at udvide vores arbejde til hastighedsmålinger af aktive tre-lags flydende metal batterier som de opkræver og udledning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| K Type Thermocouple Probe | McMaster-Carr | 3856K83 | http://www.mcmaster.com/ |
| Red Lion PID Controller | Red Lion | P1610000 | http://store.redlion.net/store/p16.html |
| Measurement Computing Data Acquisition Device | Measurement Computing Corporation | USB-2408 | http://www.mccdaq.com/index.aspx |
| Power Supply | TDK-Lambda | GEN 8-90-USB-U | http://us.tdk-lambda.com/hp/ |
| Ultrasound Instrument | Signal Processing SA | DOP3010 | http://www.signal-processing.com/index.html |
| Ultrasound Transducer | Signal Processing SA | TR0805LTH | http://www.signal-processing.com/index.html |
| Bismuth-Lead Eutectic | VWR | AA40949-P2 | https://us.vwr.com/ |
References
- Kim, H., et al. Liquid metal batteries: Past, present, and future. Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).
- Bradwell, D. J., Kim, H., Sirk, A. H. C., Sadoway, D. R. Magnesium-antimony liquid metal battery for stationary energy storage. J. Am. Chem. Soc. 134, 1895-1897 (2012).
- Kim, H., et al. Thermodynamic properties of calcium–bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 60 (0), 154-162 (2012).
- Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. Calcium–bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries). J. Power Sources. 241 (0), 239-248 (2013).
- Cairns, E. J., Crouthamel, C. E., Foster, A. K., Foster, M. S., Hesson, J. C. Galvanic cells with fused salts. Technical Report ANL-7316. , Argonne National Laboratory. (1967).
- Cairns, E. J., Shimotake, H. High-temperature batteries. Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).
- Bard, A., Faulkner, L. Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , 2nd edition, Wiley. New York. 2nd edition (2001).
- Takeda, Y. Development of an ultrasound velocity profile monitor. Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).
- Takeda, Y. Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method. Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).
- Brito, D., Nataf, H. -C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -P. Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium. Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).
- Yanagisawa, T., Yamagishi, Y., Takeda, Y. Structure of large-scale flows and their oscillation in the thermal convection of liquid gallium. Phys. Rev. E. 82, 016320 (2010).
- Eckert, S., Gerbeth, G. Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry. Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).
- Brawn, B. E., Joshi, K., Lathrop, D. P., Mujica, N., Sisan, D. R. Visualizing the invisible: Ultrasound velocimetry in liquid sodium. Chaos. 15, 041104 (2005).
- Takeda, Y., Kikura, H. Flow mapping of the mercury flow. Exp. Fluids. 32 (2), 161-169 (2002).
- Eckert, S., Gerbeth, G., Melnikov, V. I. Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide. Exp. Fluids. 35, 381-388 (2003).
- Ueki, Y., et al. High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows. Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. Yao, T. , Springer. Japan. 267-272 (2012).
- Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. Magnetohydrodynamics. , Springer. Netherlands. 275-294 (2007).
- Kelley, D. H., Sadoway, D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids. 26 (5), (2005).
- NEA. Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , Nuclear Energy Agency. (2007).
- Fauve, S., Laroche, C., Libchaber, A. Effect of a horizontal magnetic field on convective instabilities in mercury. J. Physique Lett. 42 (21), 455-457 (1981).
- Cioni, S., Ciliberto, S., Sommeria, J. Strongly turbulent Rayleigh-Bénard convection in mercury: Comparison with results at moderate Prandtl number. J. Fluid Mech. 335, 111-140 (1997).
- Burr, U., Müller, U. Rayleigh-Bénard convection in liquid metal layers under the influence of a horizontal magnetic field. J. Fluid Mech. 453, 345-369 (1997).
- Bojarevičs, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. Electrically induced vortical flows. , Kluwer Academic Publishers. Dordrecht. (1989).
- Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).
- Kelley, D. H., & Ouellette, N. T. Using particle tracking to measure flow instabilities in an undergraduate laboratory experiment. Am. J. Phys. 79, 267-273 (2011).
