Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Ett protokoll för Elektro Utvärderingar och laddningstillstånd Diagnostik av en Symmetrisk Organic Redox Flow Batteri

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

Vi presenterar de protokoll för elektro utvärdera en symmetrisk icke-vattenhaltiga organiska redox flöde batteri och för att diagnostisera dess laddningstillstånd med hjälp av FTIR.

Abstract

Redox flöde batterier har ansetts som en av de mest lovande stationära energilagringslösningar för att förbättra tillförlitligheten i elnätet och användning av förnybar energi. Bland de många flödesbatteri kemiska, icke-vatten flöde batterier har potential att uppnå hög energitäthet på grund av de breda spännings fönstren i icke-vattenbaserade elektrolyter. Det finns dock betydande tekniska hinder för närvarande begränsa icke-vatten flöde batterier för att demonstrera sin fulla potential, såsom låga redox koncentrationer låga driftströmmar, undersökte övervakningsbatteristatus, etc. I ett försök att ta itu med dessa begränsningar, nyligen rapporterat vi en icke vattenhaltig flödesbatteri baserat på en lättlöslig, redox-aktiv organisk nitronyl nitroxid radikal förening, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxid (PTIO). Detta redox material uppvisar en ambipolar elektrokemisk egenskap, och därför kan fungera som både Anolyte och katolyt redox material för att bilda en symmetrisk flödesbatteri kemi. Dessutom visade vi att Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi kunde mäta PTIO koncentrationer under PTIO flödesbatteri cykling och erbjuder någorlunda korrekt detektering av batteriets laddningstillstånd (SOC), som kors valideras av elektronspinnresonans (ESR) mätningar . Häri presenterar vi en video protokoll för elektro utvärdering och SOC diagnos av PTIO symmetrisk flödesbatteri. Med en detaljerad beskrivning, experimentellt demonstrerade vi vägen för att uppnå sådana syften. Detta protokoll syftar till att väcka fler intressen och insikter om säkerhet och tillförlitlighet när det gäller icke-vatten redox flöde batterier.

Introduction

Redox flöde batterier lagra energi i flytande elektrolyter som finns i externa reservoarer och pumpas till interna elektroder för att slutföra elektrokemiska reaktioner. Den lagrade energi och effekt kan sålunda frikopplas vilket leder till utmärkt design flexibilitet, skalbarhet och modularitet. Dessa fördelar gör flöde batterier väl lämpade för stationära energilagrings applikationer för att integrera rena ännu intermittenta förnybara energikällor, ökad rutnät utnyttjande av tillgångar och effektivitet, samt förbättra energi elasticitet och säkerhet. 1, 2, 3 traditionella vatten flöde batterier lider av begränsad energitäthet, främst på grund av den smala spänningsfönstret för att undvika vatten elektrolys. 4, 5, 6, 7, 8 I motsats därtill icke-aqueka elektrolyter baserade flöde batterier i stor utsträckning bedrivs på grund av risken för att uppnå hög cellspänning och hög energitäthet. 9, 10 I dessa ansträngningar, har en mängd olika flödesbatteri kemiska undersökts, inklusive komplex metall-koordinations, 11, 12 Ekologisk, 13, 14 redoxaktiva polymerer, 15 och litiumhybridflödessystem. 16, 17, 18, 19

Men potentialen för icke-vatten flöde batterier har ännu inte fullständigt klar på grund av den större tekniska flaskhalsen begränsad demonstration enligt flödesbatteri relevanta förhållanden. Denna flaskhals är nära förknippat med ett antal prestations begränsande faktorer. Först,den lilla lösligheten av de flesta elektro material leder till låg densitet leverans energi genom icke-vattenflödesceller. För det andra är det hastighetsförmåga av icke-vatten flöde batterier till stor del begränsas av den höga elektrolyten viskositet och resistivitet vid relevanta redox koncentrationer. Den tredje faktorn är bristen på högpresterande membran. Nafion och keramiska membran visar låg jonkonduktivitet med icke-vattenbaserade elektrolyter. Porösa separatorer har visat hygglig flödescellprestanda, men uppleva betydande självurladdning på grund av relativt stor porstorlek. 14, 20 typiskt blandad reagerande elektrolyter, som innehåller både anolyt- och katolyt redox material: är (1 1 ratio) används för att minska crossover redox material, som dock offrar de effektiva redox koncentrationer, typiskt med hälften. 14, 21 övervinna den ovan nämnda flaskhals krävs förbättringar i materIALS upptäckt, batterikemi design och flödescell arkitektur för att uppnå batteri relevant cykling.

övervakning batteristatus är i huvudsak viktigt för säker drift. Off-normala förhållanden, inklusive överladdning, gasutveckling och material nedbrytning kan orsaka skador på batteriprestanda och även batterifel. Speciellt för storskaliga flöde batterier med stora mängder batterimaterial, kan dessa faktorer orsaka allvarliga säkerhetsproblem och investeringar förlust. Laddningstillstånd (SOC) beskriver djupet av laddning eller urladdning av flöde batterier är en av de viktigaste batteristatusparametrar. Tid SOC övervakning kan upptäcka potentiella risker innan de når hotfulla nivåer. Dock verkar vara under åtgärdas så långt, särskilt i icke-vattenbaserade flöde batterier detta område. Spectrophotoscopic metoder såsom ultraviolett-synligt (UV-vis) spektroskopi och elektrolyt konduktivitetsmätningar har utvärderats i vattenhaltiga flödet batte ry för SOC bestämning. 22, 23, 24

Vi har nyligen infört en ny symmetrisk icke-vattenflödesbatteri design baserad på en ny ambipolar redox material, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxid (PTIO). 25 Detta flöde batteri håller löftet att ta itu med de ovan nämnda utmaningarna för icke-vatten flöde batterier. För det första har PTIO hög löslighet (2,6 M) i batteri lösningsmedel acetonitril (MeCN) som är lovande för att möjliggöra en hög energitäthet. För det andra, PTIO uppvisar två reversibla redoxpar som måttligt separeras och därmed kan bilda en symmetrisk batteri kemi av sig själv. Vi har också visat att en urskiljbar PTIO topp i FTIR-spektra kan korreleras med koncentrationen av oreagerad PTIO i flödescellen, vilket leder till spektroskopiska bestämningen av SOC, som tvär valideras av ESR resultat.lass = "xref"> 26 Här presenterar vi ett protokoll för att utveckla förfaranden för elektro utvärderingar och FTIR-baserade SOC diagnostik av PTIO symmetrisk flödesbatteri. Arbetet förväntas utlösa fler insikter i att upprätthålla säkerheten och tillförlitligheten vid långsiktiga flödes batteridrift, särskilt i verkliga tillämpningar grid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Obs: Alla beredningar lösning, cyklisk voltametri (CV) test, och flödescellenhet och tester utfördes i en argon-fylld handskbox med vatten och O 2 nivåer som är mindre än 1 ppm.

1. Elektro Utvärderingar av PTIO flödesceller

  1. CV Test
    1. Polera ett glasartat kolelektrod med 0,05 | j, m gamma-aluminiumoxidpulver, spola den med avjoniserat vatten, lägga den i under vakuum vid rumstemperatur över natten, och överföra den in i en handskbox.
    2. Lös silvernitrat (8,5 mg) med MeCN (5 ml) i handskfacket, dvs Agno 10 mM 3. Tillsätta lösningen i glasröret av en silver / silvernitrat-referenselektrod.
    3. Montera glasartat kol arbetselektrod, en grafitfiltremsan motelektrod och silver / silvernitrat-referenselektrod på en 25 ml tre-halsad päronformad kolv.
    4. Upplösa PTIO (52 mg) och tetrabutylammonium-hexafluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 g) i MeCN (1,10 g), det vill säga 0,1 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Tillsätta lösningen till kolven för att dränka spetsarna av de tre elektroderna.
    5. Anslut elektroderna till en elektrokemisk arbetsstation. Mät CV kurvorna inom spänningsområdet -1.75-0.75 V vid en svephastighet av 100 mV / s. Bestämma den teoretiska cellspänningen hos PTIO flödesbatteri av potentialen spalten mellan de två redoxpar.
      OBS: Det bör noteras att Ag / Ag + referenselektrodkonfiguration är en pseudo-referenselektrod till sin natur. Som ett resultat kan redox toppar skifta under långtids CV mätningar. Icke desto mindre har en sådan förskjutning normalt en försumlig inflytande på spänningen gapet mellan redoxpar, och skulle inte påverka cellspänningsvärde.
  2. Flödescell Assembly
    1. Skär grafitfiltarna till ett område av 1 x 10 cm 2 med ett rakblad. På liknande sätt, skär en porös septemberArator till ett område av 3 x 12 cm 2.
    2. Torka de flödesbatteri delar (cellavdelningar, slangar, 5 ml glasflaskor, grafit filtar, och en porös separator) i en vakuumugn vid 70 ° C över natten, flytta dem in i handskboxen, och kyla ner till den omgivande temperaturen.
    3. Montera flödescelldelarna i den ordning av en ändplatta, en kopparplatta strömkollektor, en halv cell, en grafitfilt, en packning, en porös separator, en grafitfilt, en halv cell, en kopparplatta strömkollektor, och en ändplattan. Fäst montering med åtta gängade bultar mot de två ändplattor med hjälp av en momentnyckel förinställt på 125 inch pounds. Ansluta elektrolyt flödes slangarna till flödescellen. Cellenheten visas i figur 1.
  3. Demonstration av Symmetric Elektro
    1. Montera flödescellen enligt avsnitt 1.2. Lös PTIO (10 mg) och TBAPF 6 (3,3 g) med MeCN (4,4 g) i glove rutan, det vill säga 5,0 mM PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Tillsätt 4 ml av lösningen till var och en av de två glasflaskor. Pumpa elektrolytema att flöda med hjälp av en peristaltisk pump med en flödeshastighet av 20 ml / min.
    2. Ansluta de positiva och negativa strömsamlare av flödescellen till batteritestare. Debitera flödescellen vid en konstant strömtäthet av 5 mA / cm 2 tills spänningen nådde 1,9 V. Stoppa laddning. Pumpa ut elektrolyterna i glasflaskor.
    3. Blanda 1 ml positiv elektrolyt med en 1 ml negativ elektrolyt i en separat flaska. Nu finns det fyra elektrolyter: den ursprungliga, positiva, negativa, och den blandade.
    4. Mät elektronspinnresonans (ESR) spektrum av ovanstående fyra elektrolyter. 25
      1. Med röret tätningsmedel, täta en liten mängd (~ 10 mikroliter) av de positiva och negativa i en PTFE slang (1/16 "OD och 1/32" ID) i båda ändar, och sedan försegla den i en kvarts ESR rör (4 mm diameter).
      2. Montera ESR slangen till en ESR-spektrometer utrustad med en SHQE resonator med mikrovågsugn frekvens ~ 9,85 GHz (X-bandet).
      3. Samla ESR-spektrum för de fyra elektrolyter i avsnitt 1.3.3.
  4. Flödes kyvettest
    1. Montera en flödescell efter avsnitt 1.2.
    2. Lös PTIO (1,05 g) och TBAPF 6 (3,50 g) med MeCN (3,60 g) i handskfacket, det vill säga 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Tillsätt 4 ml av lösningen till varje glasflaska. Flow elektrolyterna vid 20 ml / min.
    3. Ansluta de positiva och negativa strömsamlare av flödescellen till en elektrokemisk arbetsstation. Mäta impedansen av flödescellen i frekvensområdet från 100 kHz till 1 Hz vid den öppna kretspotentialen. Beräkna area-specifik resistivitet (ASR) genom att multiplicera det ohmska motståndet (högfrekvent impedans) genom det aktiva området av flödescellen.
    4. Anslut den positiva och negativa ström collektorer av flödescellen till batteritestare. Ställa in spännings cutoffs av 0,8 och 2,2 V och den konstanta ström av 20 mA cm-2 i batteridrift programvara. Upprepade gånger laddning / urladdning flödescellen PTIO.

2. FTIR baserad SOC Bestämning

  1. FTIR Feasibility Validering
    1. Förbered följande tre elektrolytlösningar i handskfacket: (a) MeCN (0,50 g); (b) TBAPF 6 (0,23 g) med MeCN (0,30 g), dvs 1,0 M TBAPF 6; (c) PTIO (75 mg) och TBAPF 6 (0,25 g) med MeCN (0,26 g), dvs 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6.
    2. Mät FTIR för de tre elektrolytlösningar.
      1. Lägg till en liten volym (~ 0,05 ml) av varje lösning till en förslutningsbar FTIR cell med KBr fönster och en banlängd på 0,2 mm. Försegla FTIR cellen.
      2. Sätta FTIR cellen in i en lagringsbehållare och överför den ut ur handskboxen.
      3. snabbt mount FTIR cell till en spektrometer och samla upp FTIR-spektrum.
    3. Montera en flödescell efter avsnitt 1.2.
    4. Lös PTIO (1,05 g) och TBAPF 6 (3,50 g) med MeCN (3,60 g) i handskfacket, det vill säga 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Tillsätt 4 ml av lösningen till varje glasflaska. Flow elektrolyterna vid 20 ml / min.
    5. Ladda flödescellen tills spänningen når 2,2 V. Stoppa laddning och pumpen.
    6. Mät FTIR spektra för både positiva och negativa elektrolyter, respektive, enligt det förfarande som i avsnitt 2.1.2.
    7. Bered en serie PTIO lösningar (0,05-0,5 M) i 1,0 M TBAPF 6 i MeCN i handskfacket med kompositionerna i tabell 1.
    8. Mät FTIR spektrum för var och en av lösningarna i avsnitt 2.1.6, enligt det förfarande som i avsnitt 2.1.2.
  2. FTIR Mätning av SOC
    1. Montera en flödescell following avsnitt 1.2.
    2. Lös PTIO (2,9 g) och TBAPF 6 (9,6 g) med MeCN (9,8 g) i handskfacket, det vill säga 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Lägga 11 ml av lösningen till var och en av de två glasflaskor. Flow elektrolyterna vid 20 ml / min.
    3. Debitera flödescellen vid en konstant ström av 10 mA / cm 2 vid en flödeshastighet av 20 ml / min.
    4. Vid laddningstiden på 0, 18, 36, 54 och 72 minuter, stoppa cell laddning och elektrolyt flöde, ta små portioner (0,2 ml) av elektrolyter från anolyt- och katolyt sidoglasflaskor, och sedan återuppta cellen.
    5. Mät FTIR spektrum för ovanstående fem prov portioner, enligt det förfarande som i avsnitt 2.1.2.
    6. Mät ESR-spektrum för ovanstående fem prov portioner, enligt det förfarande som i avsnitt 1.3.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De unika fördelarna med den symmetriska PTIO flödesbatterisystem är i hög grad tillskrivas till de elektrokemiska egenskaperna hos PTIO, en organisk nitroxid radikal förening. PTIO kan genomgå elektro disproportioneringsreaktioner att bilda PTIO + och PTIO - (figur 2a). Dessa två redoxpar är måttligt åtskilda av ett spännings gap på ~ 1,7 V (figur 2b) och kan användas som både anolyt- och katolyt redox material i en symmetrisk batterikemi. Använda PTIO som redox material kan eliminera behovet av mix-reagerande elektrolyter och möjliggör höga effektiva redox koncentrationer.

Reaktionen mellan PTIO + och PTIO - spontant regenererar den ursprungliga PTIO, vilket framgår av återvinning av ESR-signalen i PTIO efter blandning PTIO + och PTIO - vid lika molar concentrations (Figur 2c). I detta flöde batteri, crossover av laddade PTIO arter (PTIO + eller PTIO -) inte resulterar i skilda kemikalier och materialförlust, vilket leder till minimal irreversibel crossover. Flödescellen PTIO levereras hyggliga cykelverkningsgrader vid en redox koncentration av 0,5 M PTIO och med en ström på 20 mA / cm; en genomsnittlig coulomb effektivitet (CE) på ~ 90%, spänningseffektivitet (VE) 67%, och energieffektivitet (EE) 60% erhölls (figur 2d). Den låga VE registrerades av relativt hög cell ASR på 21,2 Ω cm 2 som var nära förknippad med begränsad jonledningsförmåga vid en sådan hög elektrolyt koncentration. Trots kapaciteten blekning, har flödescellen PTIO visat drift redox materialkoncentration, strömtäthet och celleffektivitet betydligt högre än många andra icke-vattenhaltiga RFBS, vilka cyklade typiskt nära 0,1 M koncentrationer, med strömtätheter mindre tHan 0,5 mA / cm 2, och / eller Ees inte är högre än 50%. 27, 28, 29, 30

FTIR har framgångsrikt validerat sina kvalifikationer som en lämplig SOC diagnostiseringsverktyg för PTIO flödesbatteri, på grund av den karakteristiska FTIR topp vid 1,218 cm -1 som förmodligen motsvarar NO-bindningen. 31 För det första, det stödjande MeCN lösningsmedel och TBAPF 6 salt producerar försumbara interferenstoppar vid denna position (figur 3a). För det andra skiljer FTIR bland de tre redox arter av PTIO, speciellt med försvinnandet av denna topp för PTIO + vid katolytsidan (figur 3b). För det tredje, intensiteten (T) av denna topp visar ett starkt beroende på PTIO koncentration (Figur 3c och infälld), det vill säga en linjär -log (T)vs. [PTIO] standard relation (ekvation 1) erhålls i enlighet med Lambert-Beers lag:
Ekvation (1)

De fem provalikvoter tagna från katolytsidan (figur 4a) användes för att bestämma den SOC flödescellens PTIO. Som laddningstiden fortskred från prov # 0 till # 4, intensiteten av 1,218 cm -1 topp minskade kontinuerligt på grund av konsumtion av PTIO (figur 4b); så var ESR-signalen (figur 4c). Koncentrationerna av oreagerad PTIO i dessa prover har framtagits genom de FTIR-intensiteterna för de 1,218 cm -1 topp enligt ekvation 2, som sedan användes för att beräkna den SOC följande ekvation 2. Såsom visas i fig 4d, såsom erhölls [PTIO] och SOC av dessa prover är i nära överensstämmelse med ESR mätningar, som verkar vara en bra cross-validering.
(2)

De delar och sammansättning av cellflödet som används i denna studie visas i Figur 1. Den elektrokemiska prestandan hos den symmetriska PTIO flödesbatteri, inklusive redoxreaktioner, CV kurvor, ESR validering av den symmetriska utformningen nytta, och flödescellcykeldata, som visas i figur 2. Genomförbarheten validering för att använda FTIR som en lämplig metod för att fastställa SOC av PTIO flödesbatteri visas i figur 3. FTIR-baserade SOC bestäm, inklusive spänningskurvan av flödescellen, SOC erhölls från FTIR och kors valideras av ESR, och en föreslagen nätet diagnostiska systemet, visas i figur 4.

Figur 1
Figur 1: Bilden av flödescellen som tering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2: Elektro prestanda PTIO. (A) de redoxreaktioner av PTIO till PTIO + (katolyt sida) och till PTIO - (anolyt sidan), respektive; (B) 500 cykler av nästan helt överlappande CV kurvor för PTIO på en glasartad kolelektrod; (C) ESR spektra visar reaktionen mellan PTIO + och PTIO - återskapar ursprungliga PTIO; (D) cykling kapacitet och effektivitet 0,5 M PTIO flödescell. Denna siffra har ändrats från referens 25. få = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3: Feasibility validering för att använda FTIR för att bestämma SOC av PTIO flödesbatteri. (A) FTIR-spektra för MeCN, 1,0 M TBAPF 6 i MeCN, och 0,5 M PTIO i 1,0 M TBAPF6 i MeCN; (B) FTIR spektra av PTIO, PTIO +, och PTIO - (0,5 M i 1,0 M TBAPF 6 i MeCN); (C) FTIR-spektra av standard PTIO lösningar vid 0,05 M till 0,5 M med en 0,05 M intervall. Denna siffra har ändrats från referens 25. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

pload / 55.171 / 55171fig4.jpg "/>
Figur 4: FTIR-baserad SOC diagnostik. (A) laddningsspänningskurvan av en 0,5 M PTIO flödescell som visar fem provalikvoter (# 0, 1, 2, 3, 4) dras tillbaka från cellen under laddning; (B) FTIR och (c) ESR-spektra av de fem katolyt provalikvoter; (D) oreagerade PTIO koncentrationer och flödescell SOC erhållits från FTIR mätningar och kors valideras med ESR mätningar; (E) en schematisk vy av ett flödesbatterianordningen införlivad med online FTIR övervakningssensorer. Denna siffra har ändrats från referens 25. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

PTIO Konc. (M) 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

Tabell 1: Kompositioner av de PTIO standardlösningar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Som vi visat tidigare är 25 FTIR kan icke-invasivt detektera SOC av PTIO flödesbatteri. Som ett diagnostiskt verktyg, är FTIR särskilt fördelaktig på grund av dess lätt tillgänglighet, snabb respons, låga kostnader, små utrymmeskrav, anläggning för online-inkorporering, ingen detektor mättnad och förmågan att korrelera strukturell information för att undersöka molekylära förändringarna under flödes batteridrift. Figur 3e visar en föreslagen flödesbatterianordningen integrera nätet FTIR sensorer som möjliggör realtids SOC övervakning för säker drift.

För att bättre genomföra protokollet för elektro utvärdering och FTIR-baserade SOC diagnostik, är i huvudsak viktig en luftfri miljö; annars kommer redox arter vid laddade tillstånd reagerar med O2 eller fukt som leder till material nedbrytning och felaktiga mätningar SOC. Strängt förseglings FTIR cellerna måste varaanvänds för att undvika luftkontakt med elektrolyter. Dessutom, eftersom denna teknik är användbar endast för FTIR-känsliga redox material, är möjligheten validering genom att identifiera väl urskiljbara karaktäristiska FTIR toppar ett kritiskt steg.

Med tanke på den begränsade selektivitet batterimembran, är crossover redox material oundvikligt för de flesta flöde batterier, som vanligtvis orsakar irreversibel kapacitet blekning. I detta avseende har den symmetriska flödesbatteri potentialen att övervinna denna nackdel. I PTIO flödesbatteri kommer eventuella crossover arter omvandlas till den ursprungliga PTIO. Teoretiskt skulle kapacitetsförlusten till följd av material crossover utvinnas genom remixa elektrolyter, liknande vanadin flöde batterier. 32 Därför är den symmetriska batteri design lovar att utveckla hållbara, pålitliga energilagringssystem. Nyckeln begränsning för den nuvarande PTIO system är att den PTIO - (anolytsida) inte är tillräckligt stabil på grund av gradvis förekommande bireaktioner. Ett sådant material förlust förklarar kapacitet fading observeras i PTIO flödesceller. Utveckling av nya ambipolar redox material med hög kemisk stabilitet i alla oxidationstal är den framtida inriktningen för att visa den fulla potentialen av detta batteri design.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Detta arbete stöds ekonomiskt av Joint Center for Energy Storage forskning (JCESR), en energi Innovation Hub finansieras av US Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences. Författarna erkänner också Journal of Materials Chemistry A (en Royal Society of Chemistry tidskriften) för ursprungligen publicera denna forskning ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL är en multi-program nationellt laboratorium som drivs av Battelle för DOE enligt kontrakt 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

Kemi redox flöde batteri icke-vattenbaserad symmetrisk organiskt laddningstillstånd FTIR
Ett protokoll för Elektro Utvärderingar och laddningstillstånd Diagnostik av en Symmetrisk Organic Redox Flow Batteri
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