Ultralyd hastighetsmåling i en flytende metallelektrode

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 økende antall av elektrokjemiske teknologier avhenge av væskestrømmen, og ofte at væsken er ugjennomsiktig. Å måle strømningen av en opak væske er iboende vanskeligere enn å måle strømningen av en gjennomsiktig væske, ettersom optiske metoder er ikke aktuelt. Ultralyd kan benyttes for å måle hastigheten av en ugjennomsiktig væske, ikke bare ved isolerte punkter, men på hundrevis eller tusenvis av punkter plassert langs linjer, med god tidsoppløsning. Når den anvendes på en flytende metallelektrode, innebærer ultralyd velocimetry ytterligere utfordringer: høy temperatur, kjemisk aktivitet, og elektrisk ledningsevne. Her beskriver vi eksperimentelle apparater og metoder som overvinne disse utfordringene og tillater måling av strømningen i et flytende metallelektrode, som den leder strøm, ved driftstemperatur. Temperaturen reguleres innenfor ± 2 ° C ved hjelp av en proporsjonal-integral-Derivative (PID) kontrolleren som driver en spesialbygd ovn. Kjemiske aktivitet er mannalderen ved å velge fartøyet materialer nøye og omslutter den eksperimentelle oppsettet i en argon-fylt hanskerommet. Endelig er utilsiktede elektriske veier omhyggelig unngått. Et automatisert system logger kontrollinnstillinger og eksperimentelle målinger, ved hjelp av maskinvare på startsignalet for å synkronisere enheter. Dette apparat og disse metoder kan gi målinger som er umulig med andre teknikker, og tillate optimalisering og styring av elektrokjemiske teknologier som flytende metall batterier.

Introduction

Flytende metall batterier er en lovende teknologi som brukes for storskala energilagring på verdensbasis strømnett ^1. Disse batteriene har høy energitetthet, høy effekttetthet, lang livssyklus, og lave kostnader, noe som gjør dem ideelle for grid-skala energilagring ^tre. Vi presenterer flytende metall batterier til energinettet ville tillate peak barbering, bedre rutenett stabilitet, og aktiver mye mer utbredt bruk av intermitterende fornybare kilder som solenergi, vindkraft og tidevannskraft. Flytende metall batterier er sammensatt av to flytende metallelektroder adskilt av en smeltet saltelektrolytt, som beskrevet i større detalj i ^en tidligere arbeids. Selv om mange forskjellige kombinasjoner av metaller og elektrolytt kan resultere i en arbeids flytende metall batteri, prinsippene for driften er de samme. Metallene velges slik at det er energimessig gunstig for dem til å danne en legering; dermed legerings lader ut batteriet, og de-legerings lader den. SALT lag er valgt slik at det tillater metallioner til å passere mellom de to elektroder, men blokkerer transport av nøytrale arter, for derved å gi elektrokjemisk kontroll over systemet.

Dette arbeidet vil avansere flytende metall batteriteknologi ved å kvantifisere og kontrollere massetransport effekter. Metodene som er beskrevet her er informert av elektrokjemiske metoder utviklet for flytende metall batteriene etter Sadoway et al. ^1-4 samt tidligere flytende metall batteri arbeid ved Argonne National Laboratory ^5,6, og arbeidet med den bredere elektro samfunnet (Bard og Faulkner ⁷ gir mange relevante referanser). Metodene som er beskrevet her også bygge på tidligere væskedynamikk studier. Ultralyd velocimetry ble utviklet og tatt i bruk i vann ^8,9 og har siden blitt brukt til flytende metaller inkludert gallium ^10,11, natrium ^12,13, kvikksølv ^14, bly-vismut ^15, kobber-tinn ^{15 <}/ Sup>, og føre-lithium ^16, blant andre. Eckert et al. Gir en nyttig gjennomgang av velocimetry i flytende metaller ^17.

Nyere arbeider med metoder som ligner de som er beskrevet her ¹⁸ har vist at batteristrøm kan forbedre massetransport i flytende metall elektroder. Fordi massetransport i den positive elektrode er det hastighetsbegrensende trinn ved ladning og utladning av flytende metall batterier, blanding tillater derfor raskere opplading og utlading enn det som ellers ville være mulig. Videre har blande forhindrer lokale inhomogeniteter i elektroden, som kan danne faste stoffer som begrenser syklus levetid for et batteri. I pågående arbeid, fortsetter vi å studere rollen til fluidstrømmen i den positive elektrode i det flytende metall batteriet, som oppstår på grunn av termiske og elektromagnetiske krefter. Varmegradienter kjøre konvektive strømmen gjennom oppdrift, og batteristrøm kjøre flyt ved å samhandle med de magnetiske felt indusert av battery strøm selv. I eksperimenter ved hjelp av metodene beskrevet nedenfor, har vi observert strømmer med Reynolds nummer 50 <Re <200, beregnet fra elektroden dybde og rot-middel-kvadrat hastighet. En grundig eksperimentell karakterisering blir gjennomført, og vil bruke den resulterende datasettet for å bygge prediktive batterimodeller. Fokus for dette manuskriptet er på eksperimentell design og prosedyrer som kreves for å produsere slike data. Ultralyd velocimetry gir hoveddelen av målingene, og forsøksbetingelsene må reguleres nøye for å kunne bruke ultralyd med hell i flytende metall. Høy temperatur, kjemisk aktivitet, og elektrisk ledningsevne må alle bli administrert nøye.

For det første flytende metall batterier nødvendigvis arbeide ved høy temperatur, fordi både metaller og saltet som skiller dem må være smeltet. En lovende valg av materialer, som bruker litium som den negative elektroden, bly-antimon som den positive elekroden, og en eutektisk blanding av litium-salter som elektrolytt, krever temperaturer rundt 550 ° C. Å måle strømningen av en opak væske ved slike høye temperaturer er ganske vanskelig. Høy temperatur ultralyd transdusere, som skiller den skjøre elektro-akustiske komponenter fra testfluidet med en akustisk bølgeleder, har vist ¹⁵ og kommersialisert. Men fordi transduserne har innføringstap nær 40 dB, og på grunn av den generelle vanskelig å arbeide ved slike temperaturer, et surrogat-systemet har blitt valgt for innledende studie: en flytende metall-batteri kan også fremstilles ved å bruke natrium som den negative elektrode, eutektiske 44% bly 56% vismut (heretter ePbBi) som den positive elektrode, og en trippel eutektisk blanding av natrium salt (10% natrium-jodid, 38% natriumhydroksyd, 52% natrium-amid) som elektrolytt. Et slikt batteri er helt smeltet over 127 ° C, noe som gjør det mye mer mottagelig for laboratoriestudie. Fordi det er sammensatt av tre flytendelag adskilt av tetthet, er det underlagt den samme fysikk som andre flytende metall batterier. Og den er kompatibel med lett tilgjengelige ultralyd transdusere, som er vurdert til 230 ° C, innebærer ingen waveguide tap, og koster mye mindre enn høy temperatur transdusere. Disse eksperimentene vanligvis finner sted ved 150 ° C. Ved denne temperatur, har ePbBi viskositet ν = 2,79 x 10 ^{-7 2} m / sek, termisk diffusivitet κ = 6,15 x 10 ^{-6 2} m / sek, og magnetisk diffusivitet η = 0,8591 ^m2 / s, slik at det er Prandtl-tallet Pr = ν / κ = 4,53 x 10 ^-2 og dens magnetiske Prandtl nummeret er Pm = ν / η = 3,24 x 10 ^-7.

Selv om dette lav temperatur flytende metall batteri kjemi gjør flyt studiene mye enklere enn de ville være i varmere batterier, må temperaturen likevel styres nøye. Å være delikat elektro-akustiske enheter, ultralyd transdusere er susceptible å skade ved termisk sjokk, og må derfor varmes opp gradvis. Høy kvalitet ultralyd målinger krever også forsiktig temperaturregulering. Ultralyd velocimetry fungerer som sonar, som vist i Figur 1: svingeren avgir en pipelyd (her er frekvensen 8 MHz), lytter deretter for ekko. Ved å måle flukttiden for ekko, kan avstanden til ekko legemet beregnes, og ved å måle Doppler-forskyvningen av ekkoet, kan en del av kroppens hastigheten også beregnes. I vann, må spor partikler tilsettes for å produsere ekkoer, men ingen tracer partikler er nødvendig i flytende metaller, noe som ikke er forstått i detalj, men er vanligvis knyttet til tilstedeværelsen av små metall-partikler. Hver måling er et gjennomsnitt over alle tracer partikler i et avhør volum; i dette arbeidet, er dens minste diameter 2 mm, med en avstand 30 mm fra sonden. Selv om oksydasjonen kan til slutt begrense varigheten av eksperimenter ved bruk av the fremgangsmåter som er beskrevet nedenfor, har vi gjort målinger kontinuerlig så lenge som 8 timer.

Beregning av avstanden eller hastighet trenger å kjenne lydhastigheten i testfluidet, og at hastigheten varierer med temperaturen. Arbeidet beskrevet her fokuserer på strømning i ePbBi negative elektrode, hvor lydhastigheten er 1766 m / sek ved 150 ° C, 1765 m / sek ved 160 ° C, og 1767 m / sek ved 140 ° C ^19. Således utilstrekkelig temperaturkontroll ville innføre systematiske feil i ultralydmålinger. En enhet ble konstruert for å måle hastigheten på lyden i ePbBi, finne verdier i samsvar med det som er publisert og akseptert av Nuclear Energy Agency ¹⁹ (se nedenfor). Til slutt, siden termisk konveksjon er en primær driver av strømning i flytende metall batterier, både den midlere temperatur og temperaturforskjellen mellom toppen og bunnen av ePbBi elektroden direkte påvirke observasjoner. For konsistente resultater, presise termiskkontroll er viktig.

Følgelig er temperaturen målt kontinuerlig med minst tre K-type termoelementer, logge sine målinger elektronisk med et databasert oppkjøp enhet og en skredder skrevet LabView program. Programmet kontrollerer også strømforsyning som gir batteristrøm, via en USB-tilkobling; logger batteriet strøm og spenning; og sender triggerpulser til ultralydinstrumentet, slik at dataene kan synkroniseres med de andre målingene. Et systemdiagram er vist i figur 2. Varme blir levert av en spesialbygd ovn (også vist i figur 2), som inneholder to 500-W industrielle varmeelementer drevet av et relé koblet med en proporsjonal-integral-differensial (PID) kontrolleren. Basisplaten som støtter battericeller er laget av massivt aluminium; fordi dens varmeledningsevne er en størrelsesorden høyere enn varmeledningsevnen for rustål battericelle fartøyet og ePbBi den inneholder ^19, er temperaturen i ovnen gulvet tilnærmet ensartet. Videre aluminium basen fungerer som en bane for den elektriske strøm som passerer gjennom elektroden. Dens elektriske ledningsevne er også en størrelsesorden høyere enn for rustfritt stål eller ePbBi, slik at spenningen i ovnen etasje er også tilnærmet ensartet. Isolasjons ben skille base benken toppen under, forebygge brannskader og shorts. Sidene av batteribeholderen er isolert med keramisk isolasjon silika, skåret for å passe til beholderen tett, men gir rom for å få tilgang til på cellens ultralyd-port. Endelig isolerer en polytetrafluoretylen (PTFE) lokk cellen ovenfra og holder den negative strømsamleren og termoelementer på plass. Selv kommersielt tilgjengelige kokeplater kan oppnå temperaturer som kreves for disse eksperimentene, opprettholder vår spesialbygd ovn temperatur med en størrelsesorden mindre variasjon, ennd også gir oss mulighet til å måle varme strøm direkte.

I tillegg til utfordringene knyttet til temperatur, er det utfordringer knyttet til kjemisk aktivitet. Ved 150 ° C, er en positiv elektrode ePbBi kjemisk kompatibel med mange vanlige materialer. En natrium negative elektrode, men mange materialer korroderer, oksyderes lett, og reagerer kraftig med fuktighet. Et litium negative elektrode er også aggressive, særlig fordi litium-baserte flytende metall batterier typisk kjørt ved mye høyere temperaturer. Selv om de høyere temperatur systemer er utenfor omfanget av dette arbeidet, er mange av de samme tiltakene for å håndtere kjemiske aktivitet her brukes som i disse systemene. Alle eksperimentene beskrevet her finne sted i en argon-fylt hanskerommet som inneholder bare spormengder av oksygen eller fuktighet. Batteriet Fartøyet er laget av legert 304 rustfritt stål, som korroderer minimal selv med litium ved 550 ° C. De termoelementer og negativ strømsolfangeren er også laget av rustfritt stål. Fartøyet geometri er valgt for å passe fartøyer som benyttes for elektrokjemisk testing av flytende metall batterier, for å modellere så nært som mulig de systemene som er blitt kommersialisert. Beholderen, som er vist i figur 2, er sylindrisk, med en 88,9 mm innvendig diameter og en 67 mm dybde. Alle fartøy vegger er 6,4 mm tykk. Fartøyet er forskjellig fra de som brukes for tidligere forsøk, men ved at den har en ultralyd-port. Porten passerer gjennom sideveggen langs en horisontal diameter av sylinderen, og sentrum av porten er 6,6 mm over gulvet fartøyet. Havnen er 8 mm i diameter for å imøtekomme en 8 mm ultralydtransducer og tetninger rundt svinger med swage. I disse forsøk er det flytende metall elektroden like dypt nok til å dekke ultralydtransduceren, typisk 13 mm.

For å oppnå sterke ultralydsignaler, krever en god akustisk transmisjonsmellom ultralyd transducer og fluid den prober (ePbBi). Maksimal akustisk effekt overføres ved den akustiske impedansen til transduseren materiale og testfluidet er identiske; når impedansene forskjellig, signaler lide. Plassere en ultralyd transducer i direkte kontakt med rent ePbBi (som gjort mulig av havne beskrevet ovenfor) gir rikelig signal, ofte i flere timer om gangen. Metalloksider har imidlertid meget forskjellig impedans, og kan også innvirke på fukting ved å endre overflatespenningen. Hvis ePbBi vesentlig oksidert, ultralydsignaler fornedre og snart forsvinne. Igjen, er en inert atmosfære vesentlig. Hvis spormengder av oksygen føre til at noen oksydasjon likevel blir overflaten av metalloksydet skummet før overføring ePbBi i batteribeholderen.

Endelig disse eksperimentene en utfordring på grunn av tilstedeværelsen av elektriske strømmer. Selv om strømmen er vår sentrale vitenskapelige og teknologiske interest, de er store nok (30 A) for å forårsake skade ved feilaktig rutet. Ujordet termo sikre at skadelige elektriske strømmer ikke passerer gjennom datainnsamlingen enheten eller datamaskinen som støtter det, fordi ujordet termo har ingen intern elektrisk forbindelse fra beskyttelseskappe til enten signal wire. Likeledes er det viktig å bruke ujordet ultralyd transdusere (Signal-Processing SA, TR0805LTH) for å hindre bortkommen strøm fra skade verdifulle ultralyd instrument (Signal-Processing SA, DOP 3010). Som nevnt tidligere, i bunnen av ovnen tjener til å lede elektrisk strøm, og må også være elektrisk isolert fra sine omgivelser.

I ePbBi elektrode, strøm fører ohmsk oppvarming, potensielt forstyrre temperatur. Således automatisert termisk reguleringssystem må være i stand til å tilpasse seg endringer i varmetilførsel. Figur 3 viser hvordan temperaturen i den ePbBi elektroden varierer som curleie renner gjennom den, og hvordan PID-regulatoren justerer for å kompensere. Å opprettholde jevn temperatur med store strømmer (50 A = 800 mA / cm), vil kreve ytterligere avkjøling, men ved lavere strøm mer realistisk for flytende metall batterier i industrielle anvendelser (typisk 17 A = 275 mA / cm ^1), er kontrolleren i stand for å kompensere for ohmsk oppvarming og holde temperaturendring til 2 ° C.

Protocol

1. System Setup og Assembly Rengjør ultralydtransducer med isopropanol. Laste hanskerommet. Belastningen som kreves utstyr og materiale (inkludert ultralyd svinger, ePbBi, rørepinnen, og termo) i hanskerommet, å følge instruksjonene i hanskerommet produsenten for å minimere inntrengning av oksygen og fuktighet. Hold porøse materialer under vakuum i hanskerommet forstua i 12 timer før vi går i hanskerommet. Tune PID kontrolleren (første gang). …

Representative Results

Fremgangsmåten for måling av lydhastigheten (beskrevet i detalj ovenfor) ble tilpasset fra fremgangsmåter som brukes ved Signal Processing SA. I prinsippet kan lydhastigheten lett oppnås ved å måle flukttiden for et ekko fra en vegg i det kjente området. Men nettopp å måle den effektive plasseringen av svingeren er vanskelig, slik at man i stedet kan måle flukttiden to ganger, ved hjelp av et mikrometer for å forskyve veggen ved en kjent avstand mellom målingene. At forskyvningsdistanse, og forskjellen i den…

Discussion

Ultralydteknikker kan produsere hastighetsmålinger på hundrevis eller tusenvis av steder i et gjennomsiktig eller ugjennomsiktig fluid, mange ganger per sekund. Anvendt på en flytende metallelektrode, ultralydteknikker støter utfordringer med høy temperatur, kjemisk aktivitet, og elektrisk ledningsevne. Metodene for å overvinne disse utfordringene og måling av strømningen i væske aktive metallelektroder, er beskrevet. For det første elektrodemateriale i henhold til den samme fysikk som høytemperatur flytende …

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/