Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Um protocolo para eletroquímicos Avaliações e estado de carga Diagnostics de um fluxo Redox Battery Symmetric Organic

Published: February 13, 2017 doi: 10.3791/55171
Automatic Translation
*1,2, *1,3, 3, 1,4, 1,2
1Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), 2Energy & Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Earth & Biological Systems Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 4Physical & Computational Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

Apresentam-se os protocolos para a avaliação electroquimicamente uma bateria de fluxo redox orgânico não aquoso e simétrica para diagnosticar seu estado de carga com FTIR.

Abstract

baterias de fluxo redox têm sido considerados como uma das soluções de armazenamento de energia estacionários mais promissoras para melhorar a confiabilidade da rede elétrica ea implantação de tecnologias de energia renovável. Entre os muitos tipos de baterias de fluxo, baterias de fluxo não-aquosos têm o potencial para atingir uma elevada densidade de energia por causa das janelas amplas tensão de electrólitos não-aquosos. No entanto, existem obstáculos técnicos importantes atualmente limitando baterias de fluxo não aquosos para demonstrar todo o seu potencial, tais como baixas concentrações redox, correntes de operação baixos, sub-explorado bateria monitoramento de status, etc. Em uma tentativa de resolver estas limitações, que recentemente reportou um bateria de fluxo não-aquosa de base de um composto orgânico nitronil nitróxido altamente solúvel, redox-activo radical, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxil-3 -óxido (PTIO). Este material exibe uma propriedade redox ambipolar electroquímica e, portanto, pode servir tanto como anolytE e materiais católito redox para formar uma bateria química fluxo simétrica. Além disso, demonstramos que transformada de Fourier espectroscopia no infravermelho (FTIR) poderia medir as concentrações Ptio durante o ciclismo PTIO bateria fluxo e oferecer detecção razoavelmente preciso do estado de carga da bateria (SOC), como cross-validado por ressonância magnética eletrônica (ESR) medições . Aqui apresentamos um protocolo de vídeo para o diagnóstico de avaliação e SOC eletroquímica da bateria fluxo simétrica PTIO. Com uma descrição detalhada, demonstrada experimentalmente a rota para alcançar tais fins. Este protocolo visa despertar mais interesses e percepções sobre a segurança e fiabilidade no domínio das baterias de fluxo redox não aquosos.

Introduction

Redox fluir baterias armazenam energia em eletrólitos líquidos que estão contidos nos reservatórios externos e são bombeados para eletrodos internos para completar reações eletroquímicas. A energia armazenada e poder podem, assim, ser dissociado levando a excelente flexibilidade de design, escalabilidade e modularidade. Essas vantagens fazem baterias de fluxo adequado para aplicações de armazenamento de energia estacionários para a integração de energias renováveis ​​ainda intermitente limpo, aumentando a utilização dos ativos de rede e eficiência, e melhorando a resiliência e segurança energética. 1, 2, 3 baterias de fluxo aquosos tradicionais sofrem de densidade de energia limitada, principalmente devido à janela de tensão estreita para evitar a electrólise da água. 4, 5, 6, 7, 8 Em contraste, não-aqueelectrólitos ous baterias de fluxo de base estão a ser amplamente adoptada pelo facto de o potencial para alcançar alta tensão e de células de alta densidade energética. 9, 10 Nesses esforços, uma variedade de tipos de baterias de fluxo foram investigadas, incluindo complexos metal-coordenação, 11, 12 totalmente orgânico, 13, polímeros activos 14 redox, 15 e sistemas de fluxo híbrido lítio. 16, 17, 18, 19

No entanto, o potencial das baterias de fluxo não-aquosas ainda não foi plenamente demonstrada devido à grande gargalo técnico da demonstração limitada em condições de bateria relevantes de fluxo. Este gargalo está intimamente associada com um número de factores de limitação de desempenho. Primeiro,a pequena solubilidade da maioria dos materiais electroactivos leva a entrega de energia de baixa densidade por células de fluxo não-aquosas. Em segundo lugar, a capacidade de velocidade de baterias de fluxo não-aquosa é em grande parte limitada pela viscosidade electrólito elevado e resistividade em concentrações relevantes redox. O terceiro elemento é a falta de membranas de alta performance. Nafion e membranas cerâmicas apresentam baixa condutividade iônica com eletrólitos não aquosos. separadores porosos têm demonstrado desempenho célula de fluxo decente, mas sofrem considerável de auto-descarga por causa do tamanho relativamente grande do poro. 14, 20 Tipicamente, electrólitos mista-reagente contendo ambos os materiais de anólito e de católito redox (proporção 1: 1) são usados para reduzir os materiais de redox de cruzamento, no entanto, que as concentrações sacrifica redox eficazes, tipicamente para metade. 14, 21 Superando o gargalo acima referido exige melhorias na materIALS descoberta, design química da bateria, e arquitetura célula de fluxo para alcançar ciclismo bateria de relevante.

monitorização do estado da bateria é essencialmente importante para as operações confiáveis. Off-normais condições, incluindo a sobrecarga, a evolução de gás e degradação do material pode causar danos ao desempenho da bateria e até mesmo falha da bateria. Especialmente para baterias de fluxo em grande escala envolvendo grandes quantidades de materiais de bateria, esses fatores podem causar problemas graves de segurança e perda de investimento. Estado de carga (SOC) que descreve a profundidade de carga ou descarga de baterias de fluxo é um dos mais importantes parâmetros de status da bateria. monitoramento SOC oportuna pode detectar riscos potenciais antes que eles atinjam níveis ameaçadores. No entanto, esta área parece ser sub-destinatários medida, especialmente em baterias de fluxo não-aquosas. Spectrophotoscopic métodos, tais como raios ultravioleta-visível (UV-VIS) e medições de espectroscopia de condutividade de electrólito foram avaliadas em batte fluxo aquoso RY para determinação SOC. 22, 23, 24

Recentemente, introduziu um novo design não-aquosa simétrica bateria de fluxo baseado em um novo material redox ambipolar, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxil-3 -óxido (PTIO). 25 Esta bateria de fluxo mantém a promessa de enfrentar os desafios acima mencionados de baterias de fluxo não-aquosas. Em primeiro lugar, PTIO tem uma alta solubilidade (2,6 M) no solvente da bateria de acetonitrilo (MeCN) que é promissor para permitir que uma elevada densidade de energia. Em segundo lugar, PTIO apresenta dois pares redox reversível que são moderadamente separados e, portanto, pode formar uma química da bateria por si só simétrica. Nós também têm demonstrado que um pico PTIO distinguível no espectro de FTIR pode ser correlacionada com a concentração de PTIO que não reagiu na célula de fluxo, o que leva a espectroscópicas determinação do SOC, como cross-validada pelos resultados ESR.lass = "xref"> 26 Aqui apresentamos um protocolo para a elaboração de procedimentos para as avaliações eletroquímicos e diagnósticos SOC baseados em FTIR da bateria de fluxo simétrica PTIO. Este trabalho é esperado para acionar mais conhecimentos na manutenção da segurança e confiabilidade durante as operações de baterias de fluxo de longo prazo, especialmente em aplicações de rede do mundo real.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Nota: Todas as preparações de soluções, voltametria cíclica ensaios (CV), e o fluxo de montagem de pilha e os testes foram realizados numa caixa de luvas cheia de árgon, com água e O 2 níveis inferiores a 1 ppm.

1. Electrochemical Evaluations de Células PTIO Fluxo

  1. Teste CV
    1. Lustrar um eletrodo de carbono vítreo com 0,05 mm de gama alumina em pó, lave-o com água deionizada, colocá-lo em sob vácuo à temperatura ambiente durante a noite, e transferi-lo para uma caixa de luvas.
    2. Dissolve-se nitrato de prata (8,5 mg) com MeCN (5 mL) na caixa de luvas, isto é, 10 mM de AgNO3. Adicionar a solução para dentro do tubo de vidro de um eléctrodo de referência de nitrato de prata / prata.
    3. Monte o eletrodo de trabalho de carbono vítreo, um feltro de grafite tira de contra-eléctrodo, e / eléctrodo de referência de nitrato de prata de prata em 25 mL de três gargalo do balão em forma de pêra.
    4. Dissolver PTIO (52 mg) e hexaf tetrabutilamónioluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 g) em MeCN (1,10 g), ou seja, 0,1 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar a solução ao frasco para submergir as pontas dos três eléctrodos.
    5. Conectar os eletrodos a uma estação de trabalho eletroquímica. Medir as curvas CV dentro da faixa de tensão de -1.75-0.75 V com uma taxa de varrimento de 100 mV / s. Determinar a tensão da célula teórica da bateria de fluxo PTIO pela diferença de potencial entre os dois pares redox.
      NOTA: Deve notar-se que a Ag / Ag + configuração de eléctrodo de referência é um eléctrodo de pseudo-referência pela sua natureza. Como resultado, os picos redox pode mudar durante as medições CV longo prazo. No entanto, essa mudança normalmente tem uma influência negligente sobre a diferença de tensão entre os pares redox, e não afetaria o valor da tensão celular.
  2. Fluxo Assembleia celular
    1. Cortar os feltros de grafite a uma área de 1 x 10 cm2 usando uma lâmina de barbear. Da mesma forma, cortar um setembro porosaarator para uma área de 3 x 12 cm2.
    2. Secam-se as partes da bateria de fluxo (compartimentos celulares, tubos, 5 frascos de vidro mL, feltros de grafite, e um separador poroso) em um forno de vácuo a 70 ° C durante a noite, movê-los na caixa de luvas, e arrefecer à temperatura ambiente.
    3. Montar as partes da célula de fluxo na ordem de uma placa de extremidade, um colector de corrente de placa de cobre, uma meia célula, um feltro de grafite, uma junta, um separador poroso, um feltro de grafite, uma meia célula, um colector de corrente de placa de cobre, e um placa final. Fixe a montagem com oito parafusos de rosca contra as duas placas terminais utilizando uma chave de torque pré-fixado em 125 libras polegadas. Ligar as tubagens de fluxo de electrólito para a célula de fluxo. O conjunto de células é mostrada na Figura 1.
  3. Demonstração de Symmetric Eletroquímica
    1. Monte a célula de fluxo de acordo com a Seção 1.2. Dissolver PTIO (10 mg) e TBAPF 6 (3,3 g) com MeCN (4,4 g) na glove de caixa, ou seja, PTIO 5,0 mM / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar 4 ml de solução para cada um dos dois frascos de vidro. Bombear os electrólitos a fluir através de uma bomba peristáltica a um caudal de 20 mL / min.
    2. Ligar os colectores de corrente positivo e negativo da célula de fluxo ao dispositivo de teste da bateria. Carregue a célula de fluxo a uma densidade de corrente constante de 5 mA / cm2 até que a voltagem atingiu 1,9 V. Pare o carregamento. Bomba de fora os eletrólitos nos frascos de vidro.
    3. Misturar um electrólito positivo de 1 mL com um electrólito 1 mL negativo num frasco separado. Agora há quatro eletrólitos: o original, o positivo, o negativo, eo misto.
    4. Meça espectro eletrônico de ressonância de spin (ESR) dos acima de quatro eletrólitos. 25
      1. Com vedante de tubo, selar uma pequena quantidade (~ 10 mL) de valores positivos e negativos de uma tubagem de PTFE (1/16 "OD e 1/32" ID) em ambas as extremidades, e depois selá-la num tubo de quartzo ESR (4 mm de diâmetro).
      2. Monte o tubo ESR de um espectrômetro de ESR equipado com um ressonador SHQE com freqüência de microondas ~ 9,85 GHz (banda X).
      3. Recolhe-se o espectro de ESR para os quatro eletrólitos no ponto 1.3.3.
  4. Teste de fluxo de celular
    1. Montar uma célula de fluxo seguinte Secção 1.2.
    2. Dissolver PTIO (1,05 g) e TBAPF 6 (3,50 g) com MeCN (3,60 g) na caixa de luvas, ou seja, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar 4 ml da solução a cada frasco de vidro. Fluir os eletrólitos em 20 mL / min.
    3. Ligar os colectores de corrente positivo e negativo da célula de fluxo para uma estação de trabalho electroquímica. Medir a impedância da célula de fluxo na gama de frequência de 100 kHz a 1 Hz para o potencial do circuito aberto. Calcula-se a resistividade de área específica (ASR), multiplicando a resistência óhmica (impedância de alta frequência) pela área activa da célula de fluxo.
    4. Ligue o col corrente positiva e negativaleitores de a célula de fluxo ao dispositivo de teste da bateria. Configurar os pontos de corte de tensão de 0,8 e 2,2 V e a corrente constante de 20 mA cm-2 no software de operação da bateria. Repetidamente de carga / descarga da célula de fluxo PTIO.

2. Determinação SOC à base de FTIR

  1. FTIR Validação de Viabilidade
    1. Prepare as seguintes três soluções eletrolíticas no porta-luvas: (a) MeCN (0,50 g); (b) TBAPF 6 (0,23 g) com MeCN (0,30 g), ou seja, 1,0 M TBAPF 6; (c) PTIO (75 mg) e TBAPF 6 (0,25 g) com MeCN (0,26 g), ou seja, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6.
    2. Medir FTIR para as três soluções de electrólitos.
      1. Adicionar um volume pequeno (~ 0,05 mL) de cada solução para uma célula de FTIR selável com janelas de KBr e um comprimento de percurso de 0,2 mm. Selar a célula FTIR.
      2. Colocar a célula FTIR para um recipiente de armazenamento e transferi-lo para fora da caixa de luva.
      3. rapidamente mount a célula FTIR a um espectrômetro e recolher o espectro FTIR.
    3. Montar uma célula de fluxo seguinte Secção 1.2.
    4. Dissolver PTIO (1,05 g) e TBAPF 6 (3,50 g) com MeCN (3,60 g) na caixa de luvas, ou seja, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar 4 ml da solução a cada frasco de vidro. Fluir os eletrólitos em 20 mL / min.
    5. Carregue totalmente a célula de fluxo até que a tensão atinge 2,2 V. Pare o carregamento e a bomba.
    6. Medir os espectros FTIR para ambos os electrólitos positivos e negativos, respectivamente, seguindo o procedimento na Secção 2.1.2.
    7. Prepara-se uma série de soluções PTIO (0,05-0,5 M) em 1,0 M em MeCN TBAPF 6 na caixa de luva com as composições na Tabela 1.
    8. Medir o espectro de FTIR para cada uma das soluções na Secção 2.1.6, seguindo o procedimento na Secção 2.1.2.
  2. FTIR Medição de SOC
    1. Montar uma célula de fluxo following Seção 1.2.
    2. Dissolver PTIO (2,9 g) e TBAPF 6 (9,6 g) com MeCN (9,8 g) na caixa de luvas, ou seja, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Adicionar 11 ml da solução para cada um dos dois frascos de vidro. Fluir os eletrólitos em 20 mL / min.
    3. Carregue a célula de fluxo a uma corrente constante de 10 mA / cm 2 a uma taxa de fluxo de 20 mL / min.
    4. No tempo de carga de 0, 18, 36, 54, e 72 minutos, parar a carga celular e fluxo de electrólito, tomar pequenas alíquotas (0,2 ml) da electrólitos de frascos de vidro de lado anólito e de católito, e, em seguida, retomar a célula.
    5. Medir o espectro FTIR para as alíquotas da amostra cinco acima, seguindo o procedimento na Seção 2.1.2.
    6. Medir o espectro de ESR para as alíquotas da amostra cinco acima, seguindo o procedimento na Seção 1.3.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

As vantagens únicas do sistema de bateria de fluxo simétrica PTIO são altamente atribuído às propriedades eletroquímicas de PTIO, um composto orgânico radical nitróxido. PTIO pode ser submetido a reacções de desproporcionação electroquímicos para formar PTIO + e PTIO - (Figura 2a). Estes dois pares redox são moderadamente separadas por um intervalo de voltagem de 1,7 V ~ (Figura 2b) e pode ser usado tanto como anólito e católito redox materiais em uma bateria química simétrica. Usando PTIO como um material redox pode eliminar a necessidade de electrólitos mistura-reagente e permitir altas concentrações eficazes redox.

A reação entre PTIO + e PTIO - espontaneamente regenera o PTIO original, como foi demonstrado pela recuperação do sinal de ESR de PTIO após a mistura PTIO + e PTIO - a igual molar concentrations (Figura 2c). Neste bateria fluxo, o crossover de espécies Ptio carregadas (PTIO + ou Ptio -) não resulta em produtos químicos diferentes e perda de material, levando a mínima cruzamento irreversível. A célula de fluxo PTIO entregue eficiências de ciclismo decentes a uma concentração de redox H PTIO 0,5 e com uma corrente de 20 mA / cm; uma eficiência coulombica média (CE) de ~ 90%, a eficiência da tensão (VE) de 67%, e a eficiência energética (ee) de 60% foram obtidos (Figura 2d). A baixa VE foi registado pela ASR celular relativamente elevada de 21,2 Ω cm 2, que estava intimamente associado com condutividade iônica limitada a tal alta concentração de eletrólitos. Apesar da capacidade de desvanecimento, a célula de fluxo PTIO demonstrou operando concentração do material redox, densidade de corrente, e a eficiência da célula significativamente mais elevado do que muitos outros RFBs não-aquosas, que um ciclo tipicamente perto concentrações de 0,1 M, com densidades de corrente menos tHan 0,5 mA / cm 2, e / ou EEs não superior a 50%. 27, 28, 29, 30

FTIR validou com sucesso suas qualificações como uma ferramenta de diagnóstico SOC adequado para a bateria fluxo PTIO, por causa do pico FTIR característica, a 1.218 cm -1 que, presumivelmente corresponde a nenhuma ligação. 31 Em primeiro lugar, o apoio solvente MeCN e TBAPF 6 sal produzem picos de interferência insignificantes nesta posição (Figura 3a). Em segundo lugar, FTIR distingue entre as três espécies redox de PTIO, especialmente com o desaparecimento deste pico para PTIO + no lado do católito (Figura 3b). Em terceiro lugar, a intensidade (t) deste pico mostra uma forte dependência da concentração de PTIO (Figura 3C e inserção), ou seja, um -log linear (t)vs. [PTIO] relação padrão (Equação 1) é obtido de acordo com a Lei Beer-Lambert:
Equação (1)

Os cinco aliquotas de amostras tomadas a partir do lado do católito (Figura 4A) foram utilizados para determinar o SOC da célula de fluxo PTIO. À medida que o tempo de carregamento prosseguiu de 0 a Amostra # # 4, a intensidade do pico de 1.218 cm-1 diminuiu continuamente devido ao consumo de PTIO (Figura 4b); assim era o sinal de ESR (Figura 4c). As concentrações de PTIO que não reagiu nestas amostras foram derivadas por as intensidades de FTIR dos 1.218 cm-1 Pico de acordo com a Equação 2, que, em seguida, foi utilizada para calcular o SOC seguinte equação 2. Como mostrado na Figura 4D, tais obtido [PTIO] e SOC destas amostras estão em concordância com as medidas ESR, o que parece ser uma boa validação cruzada.
(2)

As peças e a montagem da célula de fluxo utilizado no presente estudo são mostrados na Figura 1. O desempenho electroquímico da bateria de fluxo PTIO simétrica, incluindo reacções redox, curvas CV, validação de ESR de benefício desenho simétrico, e o fluxo de dados ciclo celular, é mostrado na Figura 2. A validação de viabilidade para a utilização de FTIR como um método apropriado para determinar o SOC da bateria de fluxo PTIO é mostrado na Figura 3. SOC determinações baseados-FTIR, incluindo a curva de voltagem da célula de fluxo, o SOC obtido a partir de FTIR e validadas por ESR, e um sistema de diagnóstico em linha proposto, são mostrados na Figura 4.

figura 1
Figura 1: A fotografia da célula de fluxo quanto tagem. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2: desempenho eletroquímico de PTIO. (A) As reacções redox de PTIO para PTIO + (lado católito) e a PTIO - (lado anódico), respectivamente; (B) 500 ciclos de curvas CV quase completamente sobrepostas de PTIO em um eletrodo de carbono vítreo; (C) os espectros de ESR que mostra a reacção entre + e PTIO PTIO - regenera o PTIO original; (D) capacidade e eficiência de ciclismo da célula de fluxo de 0,5 M PTIO. Esta figura foi modificado a partir da referência 25. obter = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3: Viabilidade de validação com FTIR para determinar o SOC da bateria de fluxo PTIO. (A) Os espectros de FTIR de MeCN, 1,0 M em MeCN TBAPF 6, e M PTIO 0,5 em 1,0 M em MeCN TBAPF6; (B) Os espectros de FTIR de PTIO, PTIO +, e PTIO - (0,5 M em 1,0 M em MeCN TBAPF 6); (C) Os espectros de FTIR de soluções PTIO padrão de 0,05 M a 0,5 M, com um intervalo de 0,05 m. Esta figura foi modificado a partir da referência 25. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

pload / 55171 / 55171fig4.jpg "/>
Figura 4: Diagnóstico SOC FTIR-based. (A) a curva de voltagem de carregamento de uma célula de fluxo de 0,5 M PTIO que mostra cinco aliquotas de amostras (# 0, 1, 2, 3, 4) retirado da célula durante o carregamento; (B) FTIR e (c) ESR espectros das alíquotas de amostra católito cinco; (D) as concentrações e Ptio que não reagiram fluir SOC celular obtida a partir de medições de FTIR e cross-validado com medições ESR; (E) um diagrama esquemático de um dispositivo de bateria de fluxo incorporado com sensores de monitorização on-line FTIR. Esta figura foi modificado a partir da referência 25. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

PTIO Conc. (H) 0,05 0,1 </ Td> 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
MeCN 0,301 g 0,295 g 0,273 g 0,25 g 0,291 g 0,255 g 0,242 g 0,232 g 0,243 g 0,263 g
TBAPF 6 0,233 g 0,233 g 0,223 g 0,21 g 0,247 g 0,222 g 0,214 g 0,213 g 0,225 g 0,255 g
PTIO 0,007 g 0,014 g 0,02 g 0,025 g 0,037 g 0,04 g 0,045 g 0,051 g 0,061 g 0,076 g

Tabela 1: Composições das soluções padrão PTIO.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Como foi demonstrado anteriormente, 25 FTIR é capaz de detectar de forma não invasiva o SOC da bateria de fluxo PTIO. Como uma ferramenta de diagnóstico, FTIR é particularmente vantajoso devido à sua fácil acessibilidade, resposta rápida, de baixo custo, pequena necessidade de espaço, facilidade para incorporação em linha, sem saturação detector, e a capacidade de correlacionar informações estruturais para investigar evoluções moleculares durante a operação da bateria de fluxo. Figura 3e ilustra um dispositivo de bateria de fluxo proposto integrar sensores FTIR on-line que permite o monitoramento SOC em tempo real para a segurança das operações.

Para melhor implementar o protocolo para avaliação eletroquímica e diagnóstico SOC baseados em FTIR, um ambiente livre de ar é de fundamental importância; Caso contrário, as espécies redox em estados carregados irá reagir com O 2 ou umidade levando a degradação do material e as medições SOC imprecisos. células de FTIR seláveis ​​deve ser estritamenteutilizado para evitar o contato do ar com os eletrólitos. Além disso, porque esta técnica é utilizável apenas para materiais de redox FTIR-sensíveis, a validação viabilidade através da identificação bem distinguível picos característicos de FTIR é um passo crítico.

Considerando-se a seletividade limitada de membranas da bateria, cruzamento de material redox é inevitável para a maioria das baterias de fluxo, o que geralmente faz com que a capacidade irreversível desaparecendo. A este respeito, a bateria de fluxo simétrica tem o potencial para ultrapassar este inconveniente. Na bateria de fluxo PTIO, qualquer espécie de cruzamento será convertido para o PTIO originais. Teoricamente, a perda de capacidade causada pela passagem de material pode ser recuperado por remistura dos electrólitos, semelhante à baterias de fluxo de vanádio. 32 Portanto, o projeto da bateria simétrica é promissor para o desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia durável, confiável. A limitação chave para o sistema atual PTIO é que o PTIO - (anólitolado) não é suficientemente estável devido a reacções secundárias que ocorrem gradualmente. Tal perda de material explica a capacidade de desvanecimento observada em células de fluxo PTIO. Desenvolvimento de novos materiais redox ambipolar com alta estabilidade química em todos os estados de oxidação é a direção futura para demonstrar o potencial deste projeto da bateria.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado pelo Centro Comum de Investigação de Armazenamento de Energia (JCESR), um Innovation Hub Energia financiado pelo Departamento de Energia, o Office of Science, ciências básicas da energia dos Estados Unidos. Os autores também reconhecem Journal of Materials Chemistry A (a Royal Society of Chemistry jornal) para originalmente publicar esta pesquisa ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL é um laboratório nacional de multi-programa operado por Battelle para DOE sob contrato DE-AC05-76RL01830.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PTIO TCI America A5440 >98.0%
Tetrabutylammonium hexafluorophosphate Sigma-Aldrich 86879 electrochemical grade, ≥99.0%
MeCN BASF 50325685 Battery grade
Silver nitrate Sigma-Aldrich 204390 99.9999% trace metals basis
Gamma alumina powder CH Instruments CHI120
Graphite felt SGL GFD3 Vacuum-dry at 70 °C for 24 h
Porous separator Daramic AA800 Vacuum-dry at 70 °C for 24 h
Battery Tester Wuhan LAND electronics Co., Ltd. Lanhe 1 A current range
Electrochemical Workstation Solartron Analytical ModuLab
glove box MBRAUN Labmaster SP oxygen and water levels <1 ppm
ESR spectrometer Bruker  Elexsys 580  Equipped with an SHQE resonator with microwave frequency ~9.85 GHz (X band) at 2 mW power, with 100 kHz field modulation

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334 (6058), 928-935 (2011).
  2. Yang, Z. G., et al. Electrochemical Energy Storage for Green Grid. Chem. Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).
  3. Wang, W., Luo, Q., Li, B., Wei, X., Li, L., Yang, Z. Recent Progress in Redox Flow Battery Research and Development. Adv. Funct. Mater. 23 (8), 970-986 (2013).
  4. Skyllas-Kazacos, M., Chakrabarti, M. H., Hajimolana, S. A., Mjalli, F. S., Saleem, M. Progress in Flow Battery Research and Development. J. Electrochem. Soc. 158 (5), 55-79 (2011).
  5. Weber, A. Z., et al. Redox Flow Batteries: A Review. J. Appl. Electrochem. 41 (10), 1137-1164 (2011).
  6. Noack, J., Roznyatovskaya, N., Herr, T., Fischer, P. The Chemistry of Redox-Flow Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (34), 9775-9808 (2015).
  7. Soloveichik, G. L. Flow Batteries: Current Status and Trends. Chem. Rev. 115 (20), 11533-11558 (2015).
  8. Leung, P., Li, X., de Leon, C. P., Berlouis, L., Low, C. T. J., Walsh, F. C. Progress in Redox Flow Batteries, Remaining Challenges and Their Applications in Energy Storage. RSC Adv. 2 (27), 10125-10156 (2012).
  9. Gong, K., Fang, Q., Gu, S., Li, S., Yan, Y. Nonaqueous Redox-Flow Batteries: Organic Solvents, Supporting Electrolytes, and Redox Pairs. Energy Environ. Sci. 8 (12), 3515-3530 (2015).
  10. Shin, S. H., Yun, S. H., Moon, S. H. A Review of Current Developments in Non-aqueous Redox Flow Batteries: Characterization of Their Membranes for Design Perspective. RSC Adv. 3 (24), 9095-9116 (2013).
  11. Cappillino, P. J., et al. Application of Redox Non-Innocent Ligands to Non-Aqueous Flow Battery Electrolytes. Adv. Energy Mater. 4 (1), 1300566 (2014).
  12. Suttil, J. A., et al. Metal Acetylacetonate Complexes for High Energy Density Non-aqueous Redox Flow Batteries. J. Mater. Chem. A. 3 (15), 7929-7938 (2015).
  13. Brushett, F. R., Vaughey, J. T., Jansen, A. N. An All-Organic Non-aqueous Lithium-Ion Redox Flow Battery. Adv. Energy Mater. 2 (11), 1390-1396 (2012).
  14. Wei, X., et al. Radical Compatibility with Nonaqueous Electrolytes and Its Impact on an All-Organic Redox Flow Battery. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (30), 8684-8687 (2015).
  15. Nagarjuna, G., et al. Impact of Redox-Active Polymer Molecular Weight on the Electrochemical Properties and Transport Across Porous Separators in Nonaqueous Solvents. J. Am. Chem. Soc. 136 (46), 16309-16316 (2014).
  16. Wei, X., et al. TEMPO-Based Catholyte for High-Energy Density Nonaqueous Redox Flow Batteries. Adv. Mater. 26 (45), 7649-7653 (2014).
  17. Wei, X., et al. Towards High-Performance Nonaqueous Redox Flow Electrolyte Via Ionic Modification of Active Species. Adv. Energy Mater. 5 (1), 1400678 (2015).
  18. Fan, F. Y., et al. Polysulfide Flow Batteries Enabled by Percolating Nanoscale Conductor Networks. Nano Lett. 14 (4), 2210-2218 (2014).
  19. Pan, H., et al. On the Way Toward Understanding Solution Chemistry of Lithium Polysulfides for High Energy Li-S Redox Flow Batteries. Adv. Energy Mater. 5 (16), 1500113 (2015).
  20. Escalante-Garcia, I. L., Wainright, J. S., Thompson, L. T., Savinell, R. F. Performance of a Non-Aqueous Vanadium Acetylacetonate Prototype Redox Flow Battery: Examination of Separators and Capacity Decay. J. Electrochem. Soc. 162 (3), 363-372 (2015).
  21. Wei, X., et al. Microporous Separators for Fe/V Redox Flow Batteries. J. Power Sources. 218, 39-45 (2012).
  22. Skyllas-Kazacos, M., Kazacos, M. State of Charge Monitoring Methods for Vanadium Redox Flow Battery Control. J. Power Sources. 196 (20), 8822-8827 (2011).
  23. Brooker, R. P., Bell, C. J., Bonville, L. J., Kunz, H. R., Fenton, J. M. Determining Vanadium Concentrations Using the UV-Vis Response Method. J. Electrochem. Soc. 162 (4), 608-613 (2015).
  24. Petchsingh, C., et al. Spectroscopic Measurement of State of Charge in Vanadium Flow Batteries with an Analytical Model of VIV-VV Absorbance. J. Electrochem. Soc. 163 (1), 5068-5083 (2016).
  25. Duan, W., et al. A Symmetric Organic-Based Nonaqueous Redox Flow Battery and Its State of Charge Diagnostics by FTIR. J. Mater. Chem. A. 4 (15), 5448-5456 (2016).
  26. Potash, R. A., McKone, J. R., Conte, S., Abruña, H. D. On the Benefits of a Symmetric Redox Flow Battery. J. Electrochem. Soc. 163 (3), 338-344 (2016).
  27. Kim, H. S., et al. A Tetradentate Ni(II) Complex Cation as a Single Redox Couple for Non-aqueous Flow Batteries. J. Power Sources. 283, 300-304 (2015).
  28. Shinkle, A. A., Sleightholme, A. E. S., Griffith, L. D., Thompson, L. T., Monroe, C. W. Degradation Mechanisms in The Non-aqueous Vanadium Acetylacetonate Redox Flow Battery. J. Power Sources. 206, 490-496 (2012).
  29. Li, Z., et al. Electrochemical Properties of an All-Organic Redox Flow Battery Using 2,2,6,6-Tetramethyl-1-Piperidinyloxy and N-Methylphthalimide. Electrochem. Solid-State Lett. 14 (12), 171-173 (2011).
  30. Schaltin, S., et al. Towards an All-Copper Redox Flow Battery Based on a Copper-Containing Ionic Liquid. Chem. Commun. 52, 414-417 (2016).
  31. SDBS. , Available from: http://sdbs.db.go.jp (2016).
  32. Luo, Q., et al. Capacity Decay and Remediation of Nafion-based All-Vanadium Redox Flow Batteries. ChemSusChem. 6 (2), 268-274 (2013).

Tags

Química Edição 120 bateria de fluxo redox não aquoso simétrica orgânico estado de carga FTIR
Um protocolo para eletroquímicos Avaliações e estado de carga Diagnostics de um fluxo Redox Battery Symmetric Organic
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Duan, W., Vemuri, R. S., Hu, D.,… More

Duan, W., Vemuri, R. S., Hu, D., Yang, Z., Wei, X. A Protocol for Electrochemical Evaluations and State of Charge Diagnostics of a Symmetric Organic Redox Flow Battery. J. Vis. Exp. (120), e55171, doi:10.3791/55171 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter