Ultralyd Velocity Måling i en Liquid Metal Elektrode

Summary

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

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.

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…

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 sø…

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 elekt…

Materials

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/