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Chemistry

Un protocollo per elettrochimici valutazioni e stato di carica della diagnostica di un Redox flusso batteria simmetrica 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

Vi presentiamo i protocolli per la valutazione elettrochimica un organico batteria simmetrica flusso redox non acquoso e per diagnosticare il suo stato di carica tramite FTIR.

Abstract

batterie di flusso redox sono stati considerati come una delle soluzioni di storage di energia stazionarie più promettenti per migliorare l'affidabilità della rete elettrica e la diffusione di tecnologie di energia rinnovabile. Tra le molte batterie chimiche flusso, batterie a flusso non acquosi hanno il potenziale per ottenere un'elevata densità di energia a causa delle finestre massima tensione di elettroliti non acquosi. Tuttavia, notevoli ostacoli tecnici esistono attualmente limitando le batterie di flusso non acquosi per dimostrare il loro pieno potenziale, come ad esempio basse concentrazioni di ossido-riduzione, correnti d'esercizio contenuti, monitoraggio dello stato della batteria sotto-esplorato, ecc Nel tentativo di rispondere a queste limitazioni, abbiamo recentemente riportato un batteria di flusso non-acquosa a base altamente solubile organico nitronyl nitrossido composto radicale redox-attivi, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-ossido (PTIO). Questo materiale redox presenta una proprietà elettrochimica ambipolare, e quindi può servire sia come anolytee materiali catolita redox per formare un simmetrica chimica batteria di flusso. Inoltre, abbiamo dimostrato che trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa (FTIR) potrebbe misurare le concentrazioni PTIO durante il ciclismo batteria flusso PTIO e offrono il rilevamento ragionevolmente accurata dello stato di carica della batteria (SOC), come cross-validato da (ESR) misure di risonanza di spin elettronico . Qui vi presentiamo un protocollo video per la valutazione e SOC elettrochimica diagnosi della batteria di flusso simmetrica PTIO. Con una descrizione dettagliata, abbiamo dimostrato sperimentalmente il percorso per raggiungere tali scopi. Questo protocollo mira a suscitare più interessi e approfondimenti sulla sicurezza e affidabilità nel campo delle batterie di flusso redox non acquosi.

Introduction

Redox flusso batterie immagazzinare energia in elettroliti liquidi che sono contenuti nei serbatoi esterni e sono pompato agli elettrodi interni per completare le reazioni elettrochimiche. L'energia immagazzinata ed il potere possono quindi essere disaccoppiati che porta ad eccellente flessibilità di progettazione, scalabilità e modularità. Questi vantaggi rendono le batterie di flusso particolarmente adatto per applicazioni di storage di energia stazionarie per l'integrazione delle energie rinnovabili intermittenti ancora pulite, aumentando griglia di utilizzo delle risorse e l'efficienza, e migliorare la resilienza e la sicurezza energetica. 1, 2, 3 batterie di flusso acquose tradizionali soffrono di densità di energia limitata, soprattutto a causa della finestra di tensione stretta per evitare l'elettrolisi dell'acqua. 4, 5, 6, 7, 8 Per contro, non aqueelettroliti OU batterie flusso basati sono ampiamente perseguiti a causa del potenziale per ottenere un'elevata tensione di cella ed elevata densità di energia. 9, 10 In questi sforzi, una varietà di batterie chimiche flusso sono stati studiati, inclusi complessi metallo-coordinazione, 11, 12 del tutto-organico, 13, polimeri attivi 14 redox, 15 e sistemi di flusso ibridi litio. 16, 17, 18, 19

Tuttavia, il potenziale di batterie di flusso non acquosi deve essere ancora pienamente dimostrato grazie al maggiore strozzatura tecnica di dimostrazione limitata in condizioni batteria rilevante flusso. Questo collo di bottiglia è strettamente associato con una serie di fattori che limitano le prestazioni. Primo,la piccola solubilità della maggior parte dei materiali elettroattivi conduce alla consegna bassa densità di energia da celle di flusso non-acquosi. In secondo luogo, la capacità di rapporto di batterie di flusso non acquosi è ampiamente limitata dalla elevata viscosità elettrolita e resistività a concentrazioni redox pertinenti. Il terzo fattore è la mancanza di membrane ad alta resa. Nafion e membrane ceramiche mostrano una bassa conduttività ionica con elettroliti non acquosi. separatori porosi hanno dimostrato prestazioni cella di flusso decente, ma soffrono una notevole auto-scarica a causa delle dimensioni relativamente grandi pori. 14, 20 Tipicamente, elettroliti mista reagenti contenenti sia i materiali Anolyte che catolita redox (rapporto 1: 1) sono utilizzati per ridurre materiali redox attraversamento che sacrifica però le concentrazioni efficaci redox, tipicamente alla metà. 14, 21 Superare il collo di bottiglia di cui sopra richiede miglioramenti in materIALS scoperta, progettazione chimica della batteria, e l'architettura cella di flusso per raggiungere in bicicletta la batteria rilevanti.

monitoraggio dello stato della batteria è essenzialmente importante per le operazioni affidabili. Off-normali condizioni, tra cui il prezzo eccessivo, sviluppo di gas, e il degrado materiale può causare danni alle prestazioni della batteria e anche guasto della batteria. Soprattutto per le batterie di flusso su larga scala che coinvolgono grandi quantità di materiali batteria, questi fattori possono causare seri problemi di sicurezza e la perdita degli investimenti. Stato di carica (SOC) che descrive la profondità di carica o scarica delle batterie di flusso è uno dei più importanti parametri di stato della batteria. monitoraggio SOC tempestiva in grado di rilevare potenziali rischi prima che raggiungano i livelli di minaccia. Tuttavia, questa zona sembra essere affrontate sotto-finora, soprattutto in batterie di flusso non acquosi. metodi Spectrophotoscopic quali ultravioletta-visibile (UV-vis) misure di spettroscopia e di elettroliti conducibilità sono state valutate nei batte flusso acquosa ry per la determinazione SOC. 22, 23, 24

Abbiamo recentemente introdotto un nuovo design della batteria flusso simmetrica non acquoso sulla base di un nuovo materiale redox ambipolare, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-ossido (PTIO). 25 Questa batteria flusso mantiene la promessa per affrontare le sfide di cui sopra di batterie di flusso non acquosi. Innanzitutto, PTIO ha un'alta solubilità (2,6 M) nel solvente della batteria di acetonitrile (MeCN) che promette di consentire una elevata densità di energia. In secondo luogo, PTIO presenta due coppie redox reversibile che sono moderatamente separati e quindi possono formare una batteria chimica simmetrica da sola. Abbiamo inoltre dimostrato che un picco distinguibile PTIO negli spettri FTIR può essere correlata con la concentrazione di PTIO non reagito nella cella di flusso, che porta ad spettroscopiche determinazione del SOC, come cross-validati i risultati della VES.lass = "xref"> 26 Qui vi presentiamo un protocollo per elaborare le procedure per le valutazioni elettrochimici e la diagnostica SOC FTIR-based della batteria flusso simmetrica PTIO. Questo lavoro è previsto per innescare ulteriori approfondimenti nel mantenere la sicurezza e l'affidabilità della batteria durante le operazioni di flusso di lungo termine, in particolare nelle applicazioni di rete del mondo reale.

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Protocol

Nota: Tutte le preparazioni di soluzioni, voltammetria ciclica test (CV), e fluiscono assemblaggio e prove cellule sono state effettuate in un vano portaoggetti argon-riempita con acqua e O 2 livelli inferiori a 1 ppm.

1. elettrochimica valutazioni di celle PTIO flusso

  1. CV di prova
    1. Lucidare un elettrodo di carbone vetroso con 0,05 micron gamma polvere di allumina, sciacquare con acqua deionizzata, metterlo in sotto vuoto a temperatura ambiente per una notte, e trasferirlo in un vano portaoggetti.
    2. Sciogliere nitrato d'argento (8.5 mg) con MeCN (5 ml) nel vano portaoggetti, ad esempio, 10 mM AGNO 3. Aggiungere la soluzione nel tubo di vetro di un / elettrodo di riferimento argento nitrato d'argento.
    3. Montare l'elettrodo di carbone vetroso lavorare, grafite feltro striscia contro-elettrodo, e il / argento elettrodo di riferimento nitrato d'argento su 25 mL a tre colli pallone a pera.
    4. Sciogliere PTIO (52 mg) e tetrabutilammonio hexafluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 g) in MeCN (1,10 g), cioè, 0,1 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. Aggiungere la soluzione al pallone immergere le punte delle tre elettrodi.
    5. Collegare gli elettrodi a una workstation elettrochimica. Misurare le curve CV all'interno della gamma di tensione di -1.75-0.75 V con una velocità di scansione di 100 mV / s. Determinare la tensione di cella teorico della batteria di flusso PTIO dal potenziale divario tra le due coppie redox.
      NOTA: Si deve notare che l'Ag / Ag + configurazione elettrodo di riferimento è un elettrodo di pseudo-riferimento per sua natura. Come risultato, i picchi redox possono spostarsi durante le misurazioni CV-lungo termine. Tuttavia, tale cambiamento normalmente ha un influsso negligenza sul divario di tensione tra le coppie redox, e non influenzare il valore della tensione di cella.
  2. Flusso di montaggio delle cellule
    1. Tagliare i feltri grafite ad un'area di 1 x 10 cm 2 con una lama di rasoio. Allo stesso modo, tagliare un settembre porosaArator un'area di 3 x 12 cm 2.
    2. Essiccare le parti batteria di flusso (compartimenti cellulari, tubi, 5 ml fiale di vetro, feltri grafite, ed un separatore poroso) in un forno sotto vuoto a 70 ° C per una notte, spostarli nella casella guanto e raffreddare a temperatura ambiente.
    3. Montare i componenti cellulari flusso nell'ordine di una piastra di estremità, una piastra di rame collettore di corrente, una semicella, grafite feltro, una guarnizione, un separatore poroso grafite feltro, una semicella, una piastra di rame collettore di corrente, ed un piastra terminale. Fissare il gruppo con otto perni filettati contro le due piastre terminali con una chiave di coppia pre-fissato a 125 libbre pollici. Collegare i tubi di flusso di elettrolita alla cella di flusso. Il gruppo della cella è mostrato in Figura 1.
  3. Dimostrazione di simmetrica Elettrochimica
    1. Montare la cella di flusso secondo il punto 1.2. Sciogliere PTIO (10 mg) e TBAPF 6 (3,3 g) con MeCN (4,4 g) in glove di dialogo, cioè, 5,0 mm PTIO / 1.0 M TBAPF 6. Aggiungere 4 mL della soluzione a ciascuna delle due fiale di vetro. Pompa elettroliti a scorrere utilizzando una pompa peristaltica ad una portata di 20 ml / min.
    2. Collegare i collettori di corrente positivo e negativo della cella di flusso al tester batteria. Caricare la cella di flusso ad una densità di corrente costante di 5 mA / cm 2 finché la tensione ha raggiunto 1,9 V. interrompere la carica. Pompare fuori gli elettroliti nelle fiale di vetro.
    3. Mescolare un elettrolita positivo 1 mL con un elettrolita negativo 1 mL in una fiala separata. Ora ci sono quattro elettroliti: l'originale, il positivo, negativo e misto.
    4. Misura di elettroni spettro risonanza di spin (ESR) dei suddetti quattro elettroliti. 25
      1. Con tubo di sigillante, sigillare una piccola quantità (~ 10 mL) del positivo e negativo in un tubo in PTFE (1/16 "OD e 1/32" ID) ad entrambe le estremità, e poi sigillarlo in un tubo di quarzo ESR (4 mm di diametro).
      2. Montare il tubo ESR di uno spettrometro ESR dotato di un risuonatore SHQE con frequenza delle microonde ~ 9.85 GHz (banda X).
      3. Raccogliere lo spettro ESR per i quattro elettroliti nella Sezione 1.3.3.
  4. Test di cella di flusso
    1. Assemblare una cella di flusso seguente sezione 1.2.
    2. Sciogliere PTIO (1,05 g) e TBAPF 6 (3,50 g) con MeCN (3,60 g) nel vano portaoggetti, ad esempio, 0,5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. Aggiungere 4 mL della soluzione ad ogni flacone di vetro. Il flusso di elettroliti a 20 ml / min.
    3. Collegare i collettori di corrente positivo e negativo della cella di flusso ad una workstation elettrochimica. Misurare l'impedenza della cella di flusso nella gamma di frequenza da 100 kHz a 1 Hz al potenziale del circuito aperto. Calcolare la resistività specifica area (ASR) moltiplicando la resistenza ohmica (impedenza alta frequenza) per la superficie attiva della cella di flusso.
    4. Collegare il colle corrente positiva e negativalettori della cella di flusso al tester della batteria. Impostare i tagli tensione di 0,8 e 2,2 V e la corrente costante di 20 mA cm -2 nel software funzionamento a batteria. Ripetutamente di carica / scarica la cella di flusso PTIO.

2. Determinazione SOC FTIR-based

  1. Validazione di fattibilità FTIR
    1. Preparare le seguenti tre soluzioni elettrolitiche nel vano portaoggetti: (a) MeCN (0,50 g); (b) TBAPF 6 (0,23 g) con MeCN (0,30 g), cioè, 1,0 M TBAPF 6; (c) PTIO (75 mg) e TBAPF 6 (0,25 g) con MeCN (0,26 g), cioè, 0,5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6.
    2. Misurare FTIR per le tre soluzioni elettrolitiche.
      1. Aggiungere un piccolo volume (~ 0,05 mL) di ciascuna soluzione ad una cella sigillabile FTIR con finestre KBr e una lunghezza di percorso di 0,2 mm. Sigillare la cellula FTIR.
      2. Mettere la cella FTIR in un contenitore di stoccaggio e trasferirlo fuori del vano portaoggetti.
      3. mou rapidamentent cella FTIR ad uno spettrometro e raccogliere lo spettro FTIR.
    3. Assemblare una cella di flusso seguente sezione 1.2.
    4. Sciogliere PTIO (1,05 g) e TBAPF 6 (3,50 g) con MeCN (3,60 g) nel vano portaoggetti, ad esempio, 0,5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. Aggiungere 4 mL della soluzione ad ogni flacone di vetro. Il flusso di elettroliti a 20 ml / min.
    5. Caricare completamente la cella di flusso fino a quando la tensione raggiunge 2,2 V. Arrestare la carica e la pompa.
    6. Misurare gli spettri FTIR per entrambi gli elettroliti positivi e negativi, rispettivamente, seguendo la procedura descritta nella Sezione 2.1.2.
    7. Preparare una serie di soluzioni PTIO (0,05-0,5 M) in 1,0 M TBAPF 6 in MeCN nel vano portaoggetti con le composizioni in Tabella 1.
    8. Misurare lo spettro FTIR per ciascuna delle soluzioni in sezione 2.1.6, seguendo la procedura descritta nella Sezione 2.1.2.
  2. FTIR Misura di SOC
    1. Assemblare una cella di flusso following Sezione 1.2.
    2. Sciogliere PTIO (2,9 g) e TBAPF 6 (9,6 g) con MeCN (9,8 g) nel vano portaoggetti, ad esempio, 0,5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. Aggiungere 11 mL della soluzione a ciascuna delle due fiale di vetro. Il flusso di elettroliti a 20 ml / min.
    3. Caricare la cella di flusso ad una corrente costante di 10 mA / cm 2 ad un flusso di 20 ml / min.
    4. Al tempo di carica pari a 0, 18, 36, 54, e 72 min, fermare la carica cellula e il flusso di elettrolita, prendere piccole aliquote (0,2 ml) di elettroliti da Anolyte e Catholyte fiale di vetro lato, e poi riprendere la cellula.
    5. Misurare lo spettro FTIR per i suddetti cinque aliquote del campione, seguendo la procedura descritta nella sezione 2.1.2.
    6. Misurare lo spettro ESR per i suddetti cinque aliquote del campione, seguendo la procedura descritta nella sezione 1.3.4.

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Representative Results

I vantaggi unici del sistema di batterie di flusso simmetrico PTIO sono altamente attribuiti alle proprietà elettrochimiche di PTIO, un composto organico radicale nitrossido. PTIO può subire reazioni elettrochimiche disproporzionamento per formare PTIO + e PTIO - (Figura 2a). Queste due coppie redox sono moderatamente separati da un intervallo di tensione di ~ 1,7 V (Figura 2b) e può essere utilizzato sia come materiali Anolyte che catolita redox in una chimica della batteria simmetrica. Utilizzando PTIO come materiale redox può eliminare la necessità di elettroliti mix-reagenti e consentire concentrazioni elevate redox efficaci.

La reazione tra PTIO + e PTIO - rigenera spontaneamente l'originale PTIO, come dimostrato dal recupero del segnale ESR di PTIO dopo la miscelazione PTIO + e PTIO - a parità molare cconcentrazioni del (figura 2c). In questa batteria di flusso, il crossover di specie PTIO cariche (PTIO + o PTIO -) non si traduca in prodotti chimici diversi e la perdita di materiale, che porta a minime di crossover irreversibile. La cella di flusso PTIO consegnato efficienze di riciclaggio discreti ad una concentrazione di 0,5 M redox PTIO e con una corrente di 20 mA / cm; un'efficienza Coulomb media (CE) del ~ 90%, efficienza di tensione (VE) del 67%, e l'efficienza energetica (EE) del 60% è stato ottenuto (figura 2d). La bassa VE è stato registrato dalla relativamente alta ASR cellula del 21,2 Ω cm 2 che è stato strettamente associato con limitata conduttività ionica a così alta concentrazione di elettroliti. Nonostante la capacità fading, la cella di flusso PTIO ha dimostrato operativo concentrazione del materiale redox, densità di corrente, e l'efficienza della cella significativamente superiore a molti altri RFBs non acquosi, che ciclato tipicamente vicino 0,1 M concentrazioni, con densità di corrente inferiore than 0,5 mA / cm 2, e / o EEs non superiore a 50%. 27, 28, 29, 30

FTIR ha convalidato successo i suoi titoli come adatto strumento SOC-diagnosi per la batteria di flusso PTIO, a causa del picco caratteristico FTIR a 1.218 cm -1 che presumibilmente corrisponde al NO legame. 31 In primo luogo, il supporto MeCN solvente e TBAPF produrre 6 sale picchi di interferenza trascurabili in questa posizione (Figura 3a). In secondo luogo, FTIR distingue tra le tre specie redox di PTIO, soprattutto con scomparsa di questo picco per PTIO + sul lato catodico (Figura 3b). In terzo luogo, l'intensità (T) di questo picco mostra una forte dipendenza dalla concentrazione PTIO (figura 3c e riquadro), cioè, un -log lineare (T)vs [PTIO] rapporto standard (Equazione 1) si ottiene in base alla legge di Beer-Lambert:
Equazione (1)

I cinque aliquote campione prelevato dal lato catodico (figura 4a) sono stati utilizzati per determinare il SOC della cella di flusso PTIO. Poiché il tempo di ricarica proceduto da Esempio # 0 a # 4, l'intensità del 1.218 cm -1 picco continuamente diminuita a causa di consumo di PTIO (figura 4b); così è stato il segnale ESR (figura 4c). Le concentrazioni di PTIO reagito in questi campioni sono stati ottenuti dalle intensità FTIR dei 1.218 cm -1 picco secondo l'Equazione 2, che poi è stato utilizzato per calcolare il SOC seguente Equazione 2. Come mostrato in figura 4d, come ottenuto [PTIO] e SOC di questi campioni sono in stretto accordo con le misure ESR, che sembra essere un buon convalida incrociata.
(2)

Le parti e assemblaggio della cella di flusso utilizzato in questo studio sono mostrati nella Figura 1. Le prestazioni elettrochimica del simmetrica batteria di flusso PTIO, comprese reazioni redox, curve CV, convalida ESR del beneficio disegno simmetrico e flusso dati ciclistici cella, è illustrato nella figura 2. La convalida fattibilità per utilizzare FTIR come metodo adeguato per determinare la SOC della batteria di flusso PTIO è mostrato in figura 3. Determinazioni SOC FTIR-base, tra cui la curva di tensione della cella di flusso, il SOC ottenuto da FTIR e cross-validato da ESR, ed un sistema on-line diagnostico proposto, sono mostrati in Figura 4.

Figura 1
Figura 1: La fotografia della cella di flusso come taggio. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2: prestazioni elettrochimica di PTIO. (A) le reazioni redox di PTIO a PTIO + (lato catodico) ed a PTIO - (lato anodico), rispettivamente; (B) 500 cicli di curve CV quasi completamente sovrapposti delle PTIO su un elettrodo di carbone vetroso; (C) spettri ESR mostra la reazione tra PTIO + e PTIO - rigenera l'originale PTIO; (D) capacità ciclistica ed efficienza del M PTIO cella di flusso 0.5. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 25. ottenere = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3: convalida fattibilità per l'utilizzo FTIR per determinare il SOC della batteria di flusso PTIO. (A) spettri FTIR di MeCN, 1,0 M TBAPF 6 in MeCN, e 0,5 M PTIO in 1.0 M TBAPF6 in MeCN; (B) FTIR spettri di PTIO, PTIO + e PTIO - (0,5 M in 1,0 M TBAPF 6 in MeCN); (C) spettri FTIR di soluzioni PTIO standard con 0,05 M a 0,5 M con un intervallo di 0,05 M. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 25. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 4: FTIR basata diagnostica SOC. (A) la curva di tensione di carica di una cella di flusso 0,5 M PTIO mostra cinque aliquote campione (# 0, 1, 2, 3, 4) prelevato dalla cella durante la carica; (B) FTIR e (c) ESR spettri dei cinque aliquote campione catolita; (D) le concentrazioni di PTIO che non hanno reagito e il flusso SOC cellule ottenute da misure FTIR e cross-validati con le misure ESR; (E) uno schema di un dispositivo di batteria di flusso incorporato con linea sensori di monitoraggio FTIR. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 25. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

PTIO Conc. (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

Tabella 1: Composizioni delle soluzioni standard PTIO.

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Discussion

Come abbiamo dimostrato prima, 25 FTIR è capace di rilevare in modo non invasivo il SOC della batteria di flusso PTIO. Come strumento diagnostico, FTIR è particolarmente vantaggioso per la sua facile accessibilità, risposta veloce, a basso costo, ingombro ridotto, impianto per l'incorporazione in linea, senza saturazione rivelatore, e la capacità di correlare informazioni strutturali per indagare evoluzioni molecolari durante il funzionamento batteria di flusso. La figura 3e illustra un dispositivo a batteria flusso proposto l'integrazione di sensori FTIR on-line che permette il monitoraggio in tempo reale SOC per le operazioni di sicurezza.

Per implementare meglio il protocollo per la valutazione e la diagnostica elettrochimica SOC FTIR-based, un ambiente privo di aria è essenzialmente importante; In caso contrario, le specie redox a stati caricati reagiranno con O 2 o umidità che porta alla degradazione del materiale e le misure SOC imprecise. cellule FTIR Rigorosamente sigillabili devono essereusato per evitare il contatto con l'aria elettroliti. Inoltre, perché questa tecnica è utilizzabile solo per i materiali redox FTIR-sensibili, la convalida di fattibilità identificando ben distinguibili caratteristici picchi FTIR è un passaggio critico.

Considerando la selettività limitata delle membrane delle batterie, materiale redox di crossover è inevitabile per la maggior parte delle batterie di flusso, che in genere provoca la capacità irreversibili dissolvenza. A questo proposito, la batteria di flusso simmetrica ha il potenziale per superare questo inconveniente. Nella batteria di flusso PTIO, qualsiasi specie di crossover saranno convertiti al PTIO originale. Teoricamente, la perdita di capacità causata da attraversamento materiale potrebbe essere recuperato rimescolando elettroliti, simile a batterie a flusso vanadio. 32 Pertanto, il design della batteria simmetrica è promettente per lo sviluppo, sistemi di accumulo di energia affidabili durevoli. La limitazione fondamentale per il sistema PTIO attuale è che il PTIO - (anolitalato) non è sufficientemente stabile a causa di reazioni collaterali che si verificano gradualmente. Tale perdita di materiale spiega la capacità scolorimento osservata in cellule di flusso PTIO. Lo sviluppo di nuovi materiali redox ambipolare con elevata stabilità chimica in tutti gli stati di ossidazione è la direzione futura di dimostrare il pieno potenziale di questo disegno della batteria.

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Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dal Centro comune di ricerca Energy Storage (JCESR), un'innovazione hub energetico finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Scienze energia di base. Gli autori riconoscono anche Journal of Materials Chemistry A (a Royal Society of Chemistry ufficiale) per la pubblicazione di questa ricerca in origine ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL è un laboratorio nazionale multi-programma gestito dal Battelle per DOE nell'ambito del contratto 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).

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Chimica batteria di flusso redox non acquoso simmetrica organico stato di carica FTIR
Un protocollo per elettrochimici valutazioni e stato di carica della diagnostica di un Redox flusso batteria simmetrica Organic
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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).

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