Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Elektrokimyasal Değerlendirmeleri ve Simetrik Organik Redoks Akış Pil Şarj Diagnostics Devlet için Protokol

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

Bu elektrokimyasal bir simetrik sulu olmayan organik redoks akışlı batarya değerlendirmek ve FTIR kullanılarak şarj durumunu teşhis etmek için protokoller mevcut.

Abstract

Redoks akış piller yenilenebilir enerji teknolojileri elektrik şebekesi ve dağıtım güvenilirliğini artırmak için en umut verici durağan enerji depolama çözümlerinden biri olarak kabul edilmiştir. Birçok akışlı batarya kimyaları arasında, sulu olmayan akış pil için sulu olmayan elektrolitlerin geniş gerilim pencere yüksek enerji yoğunluğu elde etmek için bir potansiyele sahiptir. Ancak, önemli teknik engel şu anda böyle bu sınırlamaları gidermek için bir girişim vb düşük redoks konsantrasyonları, düşük işletme akımları, altında keşfedilmeyi pil durum izleme olarak potansiyellerini tam olarak, göstermek için susuz akış piller sınırlayıcı var, biz son zamanlarda bildirilen bir yüksek derecede çözünür, redoks-aktif organik nitronyl nitroksit kökü bileşiğe göre sulu olmayan akışlı batarya, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksil-3-oksit (PTIO). Bu redoks materyali hem anolyt olarak kullanılabilir, bu nedenle, bir ambipolar elektrokimyasal özelliği sergiler veE ve katolit redoks malzemeleri simetrik akış pil kimyasını oluşturmak için. Ayrıca, biz Fourier PTIO akışlı batarya devir esnasında PTIO konsantrasyonlarını ölçmek olabilir kızılötesi (FTIR) spektroskopisi dönüşümü ve elektron spin rezonans (ESR) ölçümleri ile çapraz valide olarak, şarj (SOC) akü durumunun makul doğru algılama sunmak olduğunu göstermiştir . Bu yazıda PTIO simetrik akış pilin elektrokimyasal değerlendirme ve SOC tanı için bir video protokol mevcut. ayrıntılı bir açıklama ile, deneysel tür amaçlar elde etmek rotayı gösterdi. Bu protokol susuz redoks akış pilleri alanında güvenlik ve güvenilirlik konusunda daha fazla ilgi ve anlayış kıvılcım amaçlamaktadır.

Introduction

Redoks dış rezervuarlarda bulunan ve elektrokimyasal reaksiyonların tamamlanması için iç elektrotlara pompalanan sıvı elektrolit Pillerin enerji depolamak akar. depolanan enerji ve güç böylece mükemmel tasarım esnekliği, ölçeklenebilirlik ve modülerlik yol açan ayrılmış olabilir. Bu avantajlar ızgara varlık kullanımı ve verimliliğin artırılması ve enerji esneklik ve güvenliğini geliştirmek, temiz ama aralıklı yenilenebilir enerji entegre etmek için sabit enerji depolama uygulamaları için uygundur akış piller yapmak. 1, 2, 3 Geleneksel sulu akış piller su elektroliz önlemek için çoğunlukla dar gerilim penceresine, sınırlı enerji yoğunluğu muzdarip. 4, 5, 6, 7, 8 Tersine,-AqueAkış piller bazlı lı elektrolitler nedeniyle yaygın yüksek hücre voltajı ve yüksek enerji yoğunluğuna ulaşmak için potansiyeli takip edilmektedir. Bu çalışmalar sırasında 9, 10, akışlı batarya kimyaları çeşitli metal koordinasyon kompleksleri, 11, 12 tüm organik, 13, 14 redoks aktif polimerler, 15 ve lityum hibrid akış sistemleri de dahil olmak üzere, incelenmiştir. 16, 17, 18, 19

Ancak, susuz akış pillerin potansiyel henüz tam olarak bağlı akış pil ilgili şartlar altında sınırlı gösteri önemli teknik darboğaz gösterilmiş olması vardır. Bu darboğaz yakından performans sınırlayıcı bir dizi faktöre ile ilişkilidir. İlk,En elektroaktif malzemelerin az bir çözünürlük sulu olmayan akış hücreleri tarafından düşük enerji yoğunluğu teslim olur. İkinci olarak, sulu-olmayan akış pil oranı yeteneği büyük ölçüde ilgili redoks konsantrasyonlarda yüksek elektrolit viskozite ve direnç ile sınırlıdır. Üçüncü faktör, yüksek performanslı membran olmamasıdır. Nafion ve seramik membranlar susuz elektrolitlerin düşük iyonik iletkenlik gösterir. Gözenekli ayırıcılar nedeniyle nispeten büyük gözenek boyutu önemli kendi kendine deşarj iyi akış hücresi performans göstermiştir, fakat acı var. 14, 20 tipik olarak, anolit ve katolit redoks maddeleri ihtiva eden karma-reaktan elektrolitler (1: 1 oranında), ancak, tipik olarak yarı yarıya etkin redoks konsantrasyonları kurban redoks maddeler geçit, azaltmak için kullanılır. Söz konusu darboğaz Üstesinden 14, 21 mater iyileştirmeler gerektirirIALS keşif, pil kimya tasarımı ve akış hücresi mimarisi pil ilgili bisiklet elde etmek.

Pil durumu izleme, güvenilir operasyonlar için aslında önemli. Off Normal pil performansı ve hatta pil arızası hasara neden olabilir fahiş fiyat, gaz evrimi ve malzeme bozulması da dahil olmak üzere koşulları. Özellikle pil malzemelerinin büyük miktarlarda içeren büyük ölçekli akış piller için, bu faktörlerin ciddi güvenlik sorunlarını ve yatırım kaybına neden olabilir. ücret veya akış pillerin deşarj derinliği açıklayan ücret (SOC) Devlet en önemli pil durumu parametrelerden biridir. Onlar tehdit seviyelere ulaşmadan Zamanında SOC izleme potansiyel riskleri tespit edebilir. Ancak, bu alanda özellikle sulu olmayan akış piller, bugüne kadar altında ele alınması görünüyor. Bu ultraviyole görünür (UV-Vis) spektroskopi ve elektrolit iletkenlik ölçümleri, sulu akış Batte değerlendirilmiştir gibi Spectrophotoscopic yöntemler SOC belirlenmesi için Ry. 22, 23, 24

Son zamanlarda yeni bir ambipolar redoks malzemeye dayanan yeni bir simetrik olmayan sulu akış pil tasarımını getirmiştir, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksil-3-oksit (PTIO). 25 Bu akış pil susuz akış pillerin yukarıda belirtilen sorunları ele vaat etmektedir. İlk olarak, PTIO yüksek enerji yoğunluğuna sağlamak için umut verici asetonitril pil çözücü (MeCN) ve çözünürlüğünün yüksek (2.6 M) sahiptir. İkincisi, PTIO orta başlı başına bir simetrik pil kimyası oluşturabilirler şekilde ayrılan ve iki tersinir redoks çiftleri sergiler. Ayrıca FTIR spektrumları bir ayırt PTIO pik ESR sonuçları çapraz valide gibi, SOC belirlenmesini Spektroskopik neden akış hücresi içinde reaksiyona girmemiş PTIO konsantrasyonuyla korele edilebilir olduğunu göstermiştir.lass = "xref"> 26 Burada elektrokimyasal değerlendirmeler ve PTIO simetrik akış pil FTIR tabanlı SOC teşhis için prosedürleri incelemeye yönelik bir protokol mevcut. Bu çalışma, özellikle gerçek dünya ızgara uygulamaları, uzun süreli akış pil işlemleri sırasında güvenliğini ve güvenilirliğini sürdürmek daha anlayış tetiklemek için bekleniyor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Tüm solüsyon preparasyonlarda siklik voltametri (CV) testleri ve hücre düzeneği ve testler 1 ppm'den daha az su ve O 2 kat bulunan argon doldurulmuş eldivenli kutu içinde yapıldı akış: edin.

PTIO Akış Hücre 1. Elektrokimyasal Değerlendirmeleri

  1. CV Testi
    1. Deiyonize su ile yıkayın, 0.05 um gama alümin tozu ile bir camsı karbon elektrodu cila, gece boyunca oda sıcaklığında vakum altında koymak ve bir eldiven kutusu içine aktarın.
    2. Örneğin, MeCN (5 mL) içinde bir eldiven kutusu içinde, gümüş nitrat (8.5 mg) çözündürülür, 10 mM 3 agno. bir gümüş / gümüş nitrat referans elektrotunun cam tüp içine çözeltisi ekleyin.
    3. camsı karbon çalışma elektrot birleştirin, bir grafit şerit sayacı elektrot hissetti ve bir 25 mL üç boyunlu armut şekilli bir şişeyi gümüş / gümüş nitrat referans elektrot.
    4. PTIO (52 mg) ve tetrabütilamonyum hexaf çözülürörneğin, MeCN (1.10 gr), içinde luorophosphate (TBAPF 6, 0.87 g), 0.1 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. Üç elektrot ipuçları batırmak için şişeye çözüm ekleyin.
    5. elektrokimyasal iş istasyonuna elektrotlar bağlayın. 100 mV / sn tarama hızında en -1.75-0.75 V gerilim aralığında CV eğrileri ölçün. İki redoks çifti arasındaki potansiyel boşluk ile PTIO akışlı batarya teorik hücre voltajını belirlemek.
      NOT: Ag / Ag + referans elektrot konfigürasyonu doğası gereği bir sözde referans elektrotu olduğu not edilmelidir. Bunun bir sonucu olarak, redoks tepe uzun süreli CV ölçümleri sırasında kayabilir. Bununla birlikte, bu tür vardiya normalde redoks çiftler arasındaki gerilim boşluğu üzerinde ihmalkar bir etkisi vardır ve hücre voltaj değerini etkilemez olmaz.
  2. Hücre Meclisi Akış
    1. Bir jilet kullanarak 1 x 10 cm 2 lik bir alana grafit keçe kesin. Benzer bir şekilde, gözenekli bir sep kesilmiş3 x 12 cm2'lik bir alana arator.
    2. Gece boyunca 70 ° C'de vakumlu bir fırın içinde akışlı batarya parçaları (hücre bölmeleri, boru, 5 ml cam viyaller, grafit keçeleri ve gözenekli bir ayırma), kuru bir eldiven kutusu içine taşımak ve çevre sıcaklığına kadar soğutulur.
    3. bir uç levha, bakır levha akım toplayıcı, yarım hücre sırasına akış hücresi parçalarını monte, bir grafit, bir conta, gözenekli bir ayırıcı keçe bir grafit, bir buçuk hücre, bir bakır levha akım toplayıcı ve bir keçe uç plakası. Bir tork anahtarı 125 inç pound önceden ayarlanmış kullanarak iki uç plakaları karşı sekiz dişli cıvata ile montaj sabitleyin. Akış hücreye elektrolit akış borulama bağlayın. Hücre düzeneği Şekil 1 'de gösterilmiştir.
  3. Simetrik Elektrokimya Gösteri
    1. Bölüm 1.2 göre akış hücresi monte edin. Glov bölgesindeki PTIO (10 mg) ve MeCN ile TBAPF 6 (3.3 g) (4.4 g) siklohekzane kutusu, yani, 5,0 mM PTIO / 1.0 M TBAPF 6. İki cam şişelere her bir çözelti 4 ml. 20 ml / dk bir akış oranında bir peristaltik pompa kullanılarak akış elektrolit pompa.
    2. akü test cihazı akış hücresinin pozitif ve negatif akım kolektörleri bağlayın. Gerilimine kadar 5 mA / cm2 sabit akım yoğunluğunda akış hücresi şarj 1.9 V. şarj durdurun ulaştı. cam şişe içine elektrolitleri dışarı pompalamak.
    3. Ayrı bir şişede, 1 mL negatif elektrolit ile 1 ml pozitif elektrolit karıştırın. Orijinal, pozitif, negatif ve karışık: Artık dört elektrolitler vardır.
    4. Yukarıdaki dört elektrolit elektron spin rezonans (ESR) spektrumunu ölçün. 25
      1. Tüp sızdırmazlık maddesi ile, her iki uçta küçük bir miktar PTFE tüp pozitif ve negatif (~ 10 uL) (1/16 "OD ve 1/32" ID) mühür ve sonra (bir kuvars ESR tüp içinde 4 mühür mm çapında).
      2. mikrodalga frekansı ~ 9.85 GHz (X band) ile bir SHQE rezonatör ile donatılmış bir ESR spektrometresi ESR boru monte edin.
      3. Bölüm 1.3.3 dört elektrolit için ESR spektrumu toplayın.
  4. Akış Hücre Testi
    1. Bölüm 1.2 Aşağıdaki bir akış hücresi birleştirin.
    2. Yani PTIO (1.05 g) ve eldivenli kutu içinde MeCN ile TBAPF 6 (3.50 g), (3.60 g), 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6 eritin. Her bir cam şişeye çözelti 4 ml. / Dak 20 mL elektrolitleri akış.
    3. elektrokimyasal iş istasyonuna akış hücresinin pozitif ve negatif akım kolektörleri bağlayın. açık devre potansiyelinde 100 kHz Hz ila 1 frekans aralığında akış hücresinin empedans ölçün. akış hücresinin aktif bölgelere göre omik direnç (yüksek frekanslı empedans) çarpılarak alan özel özdirenç (ASR) hesaplayın.
    4. pozitif ve negatif akım col bağlayınakü test cihazı akış hücresi lectors. 0.8 ve 2.2 V gerilim kesilecek ve 20 mA cm sabit akım -2 aküden çalışma yazılımında ayarlayın. Tekrar tekrar şarj / PTIO akış hücresi boşaltın.

2. FTIR tabanlı SOC belirlenmesi

  1. FTIR Fizibilite Doğrulama
    1. eldiven kutusu aşağıdaki üç elektrolit solüsyonları hazırlayın: (a) MeCN (0.50 g); örneğin, MeCN (0.30 g), (b) TBAPF 6 (0.23 g), 1.0 M TBAPF 6; (c) PTIO (75 mg) ve örneğin, MeCN (0.26 g) ile TBAPF 6 (0.25 g), 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6.
    2. Üç elektrolit çözeltileri için FTIR ölçün.
      1. KBr pencereli kapatılabilir bir FTIR hücre ve 0.2 mm bir yol uzunluğu için her çözelti küçük bir hacim (~ 0.05 mL) ilave edilir. FTIR hücre Seal.
      2. bir saklama kabına FTIR hücre koyun ve eldiven kutunun dışına transfer.
      3. hızla mouBir spektrometresi FTIR hücre nt ve FTIR spektrumu toplamak.
    3. Bölüm 1.2 Aşağıdaki bir akış hücresi birleştirin.
    4. Yani PTIO (1.05 g) ve eldivenli kutu içinde MeCN ile TBAPF 6 (3.50 g), (3.60 g), 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6 eritin. Her bir cam şişeye çözelti 4 ml. / Dak 20 mL elektrolitleri akış.
    5. Voltaj 2.2 V şarj ve pompayı durdurun ulaşıncaya kadar tamamen akış hücresi şarj edin.
    6. Bölüm 2.1.2'de prosedür takip edilerek sırasıyla pozitif ve negatif elektrolitler, her ikisi için FTIR spektrumları ölçün.
    7. Tablo 1 'de bileşimler ile eldiven kutusu içinde MeCN içinde 1.0 M TBAPF 6 PTIO çözeltiler (0.05-0.5 M) bir dizi hazırlayın.
    8. Bölüm 2.1.2'de prosedür takip edilerek Kısım 2.1.6 solüsyonların her biri için FTIR spektroskopisi ölçün.
  2. SOC FTIR ölçümü
    1. fo bir akış hücresi birleştirinllowing Bölüm 1.2.
    2. PTIO (2.9 g) ve örneğin, MeCN (9.8 g) eldiven kutusunda ile TBAPF 6 (9.6 g), 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6 eritin. İki cam şişelere her bir çözeltisi 11 ml. / Dak 20 mL elektrolitleri akış.
    3. 20 ml / dk bir akış oranında 10 mA / cm2 'lik bir sabit akım akış hücresi şarj.
    4. 0, 18, 36, 54, ve 72 dakika şarj zamanda, hücre yükü ve elektrolit akışını durdurmak anolit ve katolit yan cam şişelere gelen elektrolit az miktar (0.2 mL) almak ve sonra hücreyi devam edin.
    5. Bölüm 2.1.2'de prosedürü izleyerek, yukarıdaki beş örnek alikotları için FTIR spektrumu ölçün.
    6. Bölüm 1.3.4'e prosedür takip edilerek yukarıdaki beş örnek tümbölenleri için ESR spektrumu ölçün.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Simetrik PTIO akışlı batarya sisteminin benzersiz avantajlar yüksek PTIO, bir organik nitroksit kökü bileşiğinin elektrokimyasal özelliklerine atfedilmektedir. (Şekil 2a) - PTIO PTIO + ve PTIO oluşturulması için elektro-kimyasal orantısızlaştırma reaksiyonları uğrayabilir. Bu iki redoks çifti orta aralığında bir voltaj aralığında ayrılmış 1.7 V (Şekil 2b) ve simetrik bir pil kimyasında, hem anolit ve katolit redoks malzemeleri olarak kullanılabilir. bir redoks maddesi olarak PTIO kullanarak karıştırın-reaktan elektrolit için ihtiyacı ortadan kaldırmak ve yüksek etkin redoks konsantrasyonları etkinleştirebilir.

PTIO + ve PTIO arasındaki reaksiyon, - PTIO + ve PTIO karıştırıldıktan sonra PTIO ESR sinyalinin alınması ile gösterildiği gibi, kendiliğinden orijinal PTIO rejenere - eşit mol ° C'deoncentrations (Şekil 2c). Bu akış pilde, şarj PTIO türleri (PTIO + veya PTIO -) arasında geçiş az geri dönüşü olmayan çapraz giden, farklı kimyasal ve malzeme kaybına neden olmaz. PTIO akış hücresi, 0.5 M PTIO bir redoks konsantrasyonunda ve 20 mA / sm bir akım ile iyi bir bisiklet verimliliği teslim; % 90 ~ ortalama Kulomb verimliliği (CE), gerilim Verim% 67 (VE) ve% 60 enerji verimliliği (EE) (Şekil 2d) ürün elde edilmiştir. Düşük yakından böyle bir yüksek elektrolit konsantrasyonunda sınırlı iyonik iletkenlik ile ilişkili 21.2 Ω cm 2 nispeten yüksek hücre ASR tarafından tescil edilmiştir. A.Ş. kapasiteli solmaya rağmen PTIO akış hücresi akım yoğunlukları daha az T ile redoks maddesi konsantrasyonu, akım yoğunluğu, ve 0.1 M konsantrasyonlarında yakınında genellikle sağlanıncaya diğer sulu olmayan RFBs önemli ölçüde daha yüksek hücre verimi, çalışma göstermiştirhan 0,5 mA / cm2, ve / veya EES% 50 daha fazladır. 27, 28, 29, 30

FTIR başarıyla 1.218 cm olması, karakteristik FTIR tepe, PTIO akışlı batarya için uygun bir SOC teşhis aracı olarak nitelikleri teyit edilmiştir -1 muhtemelen hiçbir bağa karşılık gelir. 31 Öncelikle, bu pozisyon (Şekil 3a) de destek MeCN çözücü ve TBAPF 6 tuz üretmek önemsiz girişim zirveleri. İkinci olarak, FTIR, özellikle katolit tarafında PTIO + için zirvesinin yok (Şekil 3b) olan, PTIO üç redoks türler arasında ayırır. Üçüncü olarak, bu doruk şiddeti (T) PTIO konsantrasyonu kuvvetli bir bağımlılık (Şekil 3C ve ek), yani, doğrusal -log (T) gösterirvs [PTIO] standart ilişki (Denklem 1) Beer-Lambert Kanunu hükümlerine göre elde edilir:
Denklem (1)

Katolit tarafı (Şekil 4a) alınan beş örnek alikotları PTIO akış hücresinin SOC belirlemek için kullanıldı. 4. Numune # 0 dan devam şarj süresi de, 1.218 cm-1 doruk şiddeti nedeniyle sürekli PTIO tüketimine azalmıştır (Şekil 4b); bu nedenle ESR sinyalinin (Şekil 4c) idi. Bu örneklerde, reaksiyona girmemiş PTIO konsantrasyonları Şekil 4d'de gösterildiği gibi, daha sonra denklem 2. Aşağıdaki SOC hesaplanması için kullanılmıştır Denklem 2, örneğin elde edilen [PTIO] ve uygun 1.218 cm -1 tepe FTIR yoğunlukları ile elde edilmiştir bu örneklerin SOC iyi bir çapraz-doğrulama gibi görünüyor ESR ölçümleri ile yakın uyum içindedir.
(2)

Parça ve bu çalışmada kullanılan akış hücresinin düzeneği Şekil 1 'de gösterilmiştir. Elektro-kimyasal redoks reaksiyonları, CV eğrileri simetrik tasarım yarar ESR doğrulama içeren simetrik PTIO akışlı batarya performansı, ve hücre döngüsünün veri akışı, Şekil 2 'de gösterilmiştir. PTIO akışlı batarya SOC belirlemek için uygun bir metot olarak FTIR fizibilite doğrulama Şekil 3 'de gösterilmiştir. Akış hücresinin voltaj eğrisi, FTIR ve elde edilen SOC içeren FTIR tabanlı SOC tayinleri, ESR çapraz valide ve önerilen çevrimiçi tanılama sisteminin Şekil 4'te gösterilmiştir.

Şekil 1
Şekil 1: akış hücresinin fotoğrafı olarak grubunu. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2: PTIO elektrokimyasal performansı. (A) PTIO + (katolit tarafı) ve PTIO için PTIO redoks reaksiyonları - (anolit tarafı), sırasıyla; (B) camsı karbon elektrotta PTIO neredeyse tamamen üst üste CV eğrileri 500 döngü; (C) PTIO + ve PTIO arasındaki reaksiyonu gösteren ESR spektrumları - Orijinal PTIO yeniler; (D) bisiklet kapasitesi ve 0.5 M PTIO akış hücresinin etkinliği. Bu rakam referans 25 modifiye edilmiştir. = "_ Blank" olsun> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3: PTIO akış pilin SOC belirlemek için FTIR kullanmak için Fizibilite doğrulama. MeCN içinde 1.0 M TBAPF6 MeCN, MeCN içinde 1.0 M TBAPF 6, ve 0.5 M PTIO (a) FTIR spektrumu; PTIO, PTIO + ve PTIO (b) FTIR tayfları - (1.0 MeCN M TBAPF 6 içinde 0.5 M) kombinasyonu; 0.05 M aralıklarla 0.05 M ila 0.5 M standart PTIO çözeltiler (c) FTIR spektrumları. Bu rakam referans 25 modifiye edilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Güncelle / 55171 / 55171fig4.jpg "/>
Şekil 4: SOC teşhis FTIR tabanlı. (A) beş örnek alikotları gösteren bir 0.5 M PTIO akış hücresinin şarj voltajı eğrisi (# 0, 1, 2, 3, 4), şarj sırasında hücreden çekilen; (B) FTIR beş katolit Örnek alikotları (c) ESR spektrumları; (D) girmemiş PTIO konsantrasyonları ve FTIR ölçümleri ve elde edilen hücre SOC akış çapraz valide ESR ölçümleri; (E) çevrimiçi FTIR izleme sensörleri ile dahil akışlı batarya cihazının şematik. Bu rakam referans 25 modifiye edilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

PTIO Kons. (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 gr 0.25 g 0.291 g 0.255 g 0.242 g 0.232 gr 0.243 g 0.263 g
TBAPF 6 0.233 g 0.233 g 0.223 gr 0.21 g 0.247 g 0.222 g 0.214 g 0.213 gr 0.225 gr 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

Tablo 1: PTIO standart çözeltilerin bileşimleri.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Daha önce de görüldüğü gibi, 25 FTIR non-invazif PTIO akış bataryanın şarj durumunu tespit edebilir. bir tanı aracı olarak, FTIR nedeniyle kolay erişilebilirlik, hızlı tepki, düşük maliyetli, küçük alan gereksinimi, çevrimiçi dahil, hiçbir dedektör doygunluğu ve akış pil çalışma sırasında moleküler evrimler araştırmak için yapısal bilgi ilişkilendirmek için yeteneği için tesis özellikle avantajlıdır. Şekil 3e güvenli operasyonlar için gerçek zamanlı SOC izlenmesini sağlar çevrimiçi FTIR sensörleri entegre önerilen akış pil cihazını gösterir.

Daha iyi elektrokimyasal değerlendirme ve FTIR tabanlı SOC teşhis için protokolü uygulamak için, bir hava-özgür ortamı esasen önemli olan; Aksi takdirde, ücret devletler de redoks türlerin O 2 veya nem malzeme bozulması ve yanlış SOC ölçümlerine lider ile reaksiyona girer. Kesinlikle kapatılabilen FTIR hücreleri olmalıdırelektrolitler ile hava temasını önlemek için kullanılır. Bu teknik sadece FTIR duyarlı redoks malzemeler için kullanılabilir, çünkü ek olarak, iyi ayırt karakteristik FTIR zirveleri belirlenmesi yoluyla fizibilite doğrulama kritik bir adımdır.

Pil membranların sınırlı seçicilik göz önüne alındığında, redoks malzeme geçiti tipik solmaya geri dönüşümsüz kapasitesini neden en akış piller için kaçınılmazdır. Bu bağlamda, simetrik akışlı batarya Bu dezavantajın üstesinden gelmek için bir potansiyele sahiptir. PTIO akışlı batarya olarak, herhangi bir çapraz türler, orijinal PTIO dönüştürülür. Teorik olarak, maddi geçit yol açtığı kapasite kaybı vanadyum akış piller benzer elektrolitleri, remix ile elde edilebilir. 32 Bu nedenle, simetrik pil tasarımı, dayanıklı, güvenilir bir enerji depolama sistemleri geliştirmek için umut vericidir. Mevcut PTIO sistemi için önemli bir sınırlama olduğunu PTIO - (anolitYan) nedeniyle giderek ortaya çıkan yan yeterince stabil değildir. Bu türden bir malzeme kaybı PTIO akış hücrelerde gözlemlenen solmaya kapasitesini açıklar. Tüm oksidasyon devletlerde yüksek kimyasal kararlılık ile yeni ambipolar redoks malzemelerin geliştirilmesi, bu pil tasarımı tam potansiyelini göstermek için geleceği yönü.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Bu eser mali Enerji Depolama Araştırma Ortak Merkezi'nin (JCESR), Enerji, Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimler ABD tarafından finanse edilen bir enerji Yenilik Hub tarafından desteklenmiştir. Yazarlar ayrıca, başlangıçta bu araştırmayı (yayımlamak için malzemeler Kimya A (Kimya dergisinin bir Royal Society) Dergisi kabul http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL Sözleşme DE-AC05-76RL01830 altında DOE için Battelle tarafından işletilen bir Çok Programlı ulusal laboratuvardır.

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

Kimya Sayı 120 redoks akışlı batarya susuz simetrik ücret FTIR organik devlet
Elektrokimyasal Değerlendirmeleri ve Simetrik Organik Redoks Akış Pil Şarj Diagnostics Devlet için Protokol
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