Waiting
Login processing...

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

Chemistry

بروتوكول لالكهروكيميائية التقييمات والدولة من تهمة تشخيص ومتماثل العضوية الأكسدة والاختزال تدفق البطارية

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

نقدم بروتوكولات لتقييم electrochemically على العضوية بطارية تدفق الأكسدة متماثل غير المائية ولتشخيص حالته من تهمة استخدام FTIR.

Abstract

واعتبرت بطاريات تدفق الأكسدة كأحد الحلول تخزين الطاقة ثابتة الواعدة لتحسين موثوقية الشبكة الكهربائية ونشر تكنولوجيات الطاقة المتجددة. من بين العديد من كيمياء البطارية التدفق، بطاريات تدفق غير المائية لديها القدرة على تحقيق ارتفاع كثافة الطاقة بسبب النوافذ الجهد واسعة من الشوارد غير المائية. ومع ذلك، عقبات فنية كبيرة موجودة حاليا الحد من البطاريات تدفق غير المائية لإظهار إمكاناتهم الكاملة، مثل تركيزات منخفضة الأكسدة، وانخفاض تيارات التشغيل، بطارية رصد حالة تحت استكشافها، وما إلى ذلك في محاولة لمعالجة هذه القيود، أبلغنا مؤخرا بطارية التدفق غير المائية على أساس، والعضوي nitronyl nitroxide مجمع جذري للذوبان عالية الأكسدة الفعالة، 2-فينيل-4،4،5،5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-أكسيد (PTIO). هذه المواد الأكسدة المعارض خاصية الكهروكيميائية ambipolar، وبالتالي يمكن أن تكون بمثابة كلا anolytه والمواد كهرل مهبطي الأكسدة لتشكيل متماثل الكيمياء بطارية التدفق. وعلاوة على ذلك، أثبتنا أن تحويل فورييه الأشعة تحت الحمراء (FTIR) الطيفي يمكن قياس تركيزات PTIO أثناء ركوب الدراجات PTIO بطارية التدفق وتقديم كشف دقيق إلى حد معقول من الدولة بطارية من تهمة (SOC)، كما عبر التحقق من صحة الإلكترون تدور الرنين (ESR) القياسات . هنا نقدم بروتوكول الفيديو لتقييم وتشخيص SOC الكهروكيميائية للبطارية تدفق متماثل PTIO. مع وصف مفصل، أثبتنا بالتجربة الطريق لتحقيق هذه الأغراض. ويهدف هذا البروتوكول إلى إثارة المزيد من المصالح ووجهات النظر حول سلامة وموثوقية في مجال البطاريات تدفق الأكسدة غير المائية.

Introduction

الأكسدة تدفق بطاريات تخزين الطاقة في الشوارد السائلة الموجودة في الخزانات الخارجية وضخها إلى الأقطاب الداخلية لاستكمال التفاعلات الكهروكيميائية. ومن ثم لا يمكن أن تنفصل الطاقة المخزنة والسلطة مما يؤدي إلى مرونة ممتازة تصميم، والتدرجية، ونمطية. هذه المزايا تجعل بطاريات تدفق مناسبة تماما للتطبيقات تخزين الطاقة الثابتة لدمج الطاقات المتجددة بعد المتقطعة النظيفة، وزيادة استخدام الأصول شبكة والكفاءة، وتحسين مرونة الطاقة والأمن. 1، 2، 3 بطاريات تدفق المائية التقليدية تعاني من كثافة الطاقة محدودة، ويرجع ذلك أساسا إلى إطار الجهد ضيق لتجنب التحليل الكهربائي للماء. 4، 5، 6، 7، 8 في المقابل، غير aqueويجري تنفيذ الشوارد الأوس بطاريات التدفق على نطاق واسع بسبب إمكانية تحقيق عالية الجهد خلية وارتفاع كثافة الطاقة. 9، 10 في هذه الجهود، تم التحقيق مجموعة متنوعة من كيمياء البطارية التدفق، بما في ذلك المجمعات المعادن التنسيق و 11 و 12 كل العضوي، 13، 14 الأكسدة البوليمرات الفعالة و 15 و أنظمة تدفق الهجين الليثيوم. 16، 17، 18، 19

ومع ذلك، لم يتم بعد تدلل على قدرات بطاريات تدفق غير المائية بالكامل بسبب الاختناق تقني رئيسي من مظاهرة محدودة في ظل ظروف بطارية ذات الصلة التدفق. ويرتبط هذا عنق الزجاجة بشكل وثيق مع عدد من العوامل التي تحد الأداء. الأول،ذوبان صغيرة من معظم المواد electroactive يؤدي إلى انخفاض الطاقة تسليم كثافة الخلايا التدفق غير المائية. وثانيا، فإن معدل القدرة من البطاريات تدفق غير المائية محدودة إلى حد كبير من قبل عالية اللزوجة المنحل بالكهرباء والمقاومة في تركيزات الأكسدة ذات الصلة. العامل الثالث هو عدم وجود الأغشية عالية الأداء. Nafion وأغشية السيراميك تظهر انخفاض الموصلية الأيونية مع الشوارد غير المائية. وقد أظهرت فواصل مسامية لائق أداء الخلية التدفق، ولكن يعاني كبيرا التفريغ الذاتي بسبب حجم المسام الكبيرة نسبيا. 14 و 20 عادة، الشوارد مختلط المتفاعلة تحتوي على كل anolyte والأكسدة كهرل مهبطي المواد: تستخدم (1 1 نسبة) للحد من مواد الأكسدة كروس، ولكن الذي يضحي تركيزات الأكسدة الفعالة، وعادة بمقدار النصف. 14، 21 التغلب على عنق الزجاجة المذكور يتطلب تحسينات في الأمأمية الاكتشاف، تصميم الكيمياء البطارية، والهندسة المعمارية خلية تدفق لتحقيق الدراجات بطارية ذات الصلة.

مراقبة حالة البطارية مهم أساسا لعمليات موثوقة. بعيدا عن الظروف الطبيعية بما في ذلك زيادة السعر، وتطور الغاز، وتدهور المواد يمكن أن يسبب الأضرار التي لحقت أداء البطارية وحتى الفشل البطارية. خاصة بالنسبة للبطاريات تدفق أعداد كبيرة من كميات كبيرة من المواد البطارية، وهذه العوامل يمكن أن يسبب مشاكل خطيرة تتعلق بالسلامة وفقدان الاستثمار. الدولة من تهمة (SOC) واصفا عمق تهمة أو تفريغ البطاريات الكهربائية تدفق هي واحدة من المعلمات حالة البطارية أهم. مراقبة SOC في الوقت المناسب يمكن الكشف عن المخاطر المحتملة قبل أن تصل إلى مستويات خطيرة. ومع ذلك، يبدو أن هذه المنطقة لتكون تحت معالجتها حتى الآن، خصوصا في بطاريات تدفق غير المائية. طرق Spectrophotoscopic مثل تم تقييمها فوق البنفسجية مرئية (الأشعة فوق البنفسجية تجاه) القياسات الطيفية والتوصيل بالكهرباء في batte تدفق مائي راي لتقرير شركة نفط الجنوب. 22، 23، 24

وأدخلنا مؤخرا رواية متماثل غير مائي تصميم بطارية التدفق على أساس مادة الأكسدة ambipolar الجديدة، 2-فينيل-4،4،5،5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-أكسيد (PTIO). 25 هذه البطارية تدفق مستقبل واعد للتصدي للتحديات المذكورة أعلاه من البطاريات تدفق غير المائية. أولا، PTIO لديه القابلية للذوبان عالية (2.6 M) في المذيب بطارية من الأسيتونتريل (MeCN) التي واعدة لتمكين ارتفاع كثافة الطاقة. ثانيا، PTIO يسلك اثنين من أزواج الأكسدة عكسها أن يتم فصل معتدل وبالتالي يمكن أن تشكل الكيمياء بطارية متماثل في حد ذاته. لقد أثبتنا أيضا أن ذروة PTIO مميزة في أطياف FTIR يمكن ربط مع تركيز PTIO المتفاعل في الخلية التدفق، الأمر الذي يؤدي إلى الطيفية تقرير لشركة نفط الجنوب، كما عبر التحقق من صحة من خلال النتائج ESR.معشوقة = "XREF"> 26 وهنا نقدم بروتوكول لوضع إجراءات لتقييم الكهروكيميائية والتشخيص SOC أساس FTIR للبطارية تدفق متماثل PTIO. ومن المتوقع أن يؤدي المزيد من الأفكار في الحفاظ على سلامة وموثوقية أثناء عمليات بطارية التدفق على المدى الطويل، وخصوصا في تطبيقات الشبكة في العالم الحقيقي هذا العمل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: جميع الاستعدادات حل، voltammetry دوري (CV) الاختبارات، وتدفق نفذت الجمعية خلية والاختبارات في علبة القفازات مليئة الأرجون بالماء وO 2 مستويات أقل من 1 جزء في المليون.

1. الكهروكيميائية التقييمات من خلايا PTIO تدفق

  1. السيرة الذاتية اختبار
    1. تلميع قطب الكربون الزجاجي مع مسحوق الألومينا 0.05 ميكرون أشعة غاما، مسح هذا مع الماء منزوع الأيونات، ووضعها في ظل فراغ في درجة حرارة الغرفة ليلة وضحاها، وتحويلها إلى علبة القفازات.
    2. حل نترات الفضة (8.5 ملغم) مع MeCN (5 مل) في علبة القفازات، أي AGNO 10 مم 3. إضافة الحل في أنبوب زجاجي من الفضة والفضة / القطب نترات المرجعية.
    3. تجميع القطب الكربون الزجاجي العمل، رأى الجرافيت قطاع مكافحة الكهربائي، والفضة والفضة / القطب نترات إشارة على 25 مل ثلاث الرقبة قارورة على شكل الكمثرى.
    4. حل PTIO (52 ملغ) وhexaf tetrabutylammoniumluorophosphate (TBAPF 6، 0.87 غ) في MeCN (1.10 ز)، أي 0.1 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. إضافة الحل إلى قارورة لغمر نصائح من الأقطاب الثلاثة.
    5. توصيل الأقطاب الكهربائية إلى محطة عمل الكهروكيميائية. قياس منحنيات السيرة الذاتية ضمن مجموعة من الجهد -1.75-0.75 V بمعدل مسح من 100 فولت / ثانية. تحديد خلية الجهد النظري للبطارية تدفق PTIO من الفجوة المحتملة بين اثنين من أزواج الأكسدة.
      ملاحظة: تجدر الإشارة إلى أن حج / حج + التكوين إشارة القطب هو القطب الزائفة إشارة بطبيعته. ونتيجة لذلك، قد تتحول قمم الأكسدة خلال قياسات السيرة الذاتية على المدى الطويل. ومع ذلك، فإن هذا التحول له عادة تأثير إهمال على الفجوة الجهد بين الأزواج الأكسدة، ولن يؤثر على قيمة الجهد الخلية.
  2. تدفق الجمعية الخلية
    1. قطع اللباد الجرافيت إلى مساحة 1 × 10 سم 2 باستخدام شفرة حلاقة. وبالمثل، وقطع سبتمبر التي يسهل اختراقهاarator إلى مساحة 3 × 12 سم 2.
    2. تجفيف أجزاء البطارية تدفق (مقصورات الخلية، وأنابيب، 5 قارورة زجاج مل، اللباد الجرافيت، وفاصل مسامية) في فرن الفراغ عند 70 درجة مئوية لمدة ليلة وضحاها، نقلها إلى علبة القفازات، ويبرد إلى درجة حرارة البيئة.
    3. تجميع أجزاء الخلية التدفق في ترتيب لوحة النهاية، جامع الحالي لوحة نحاسية، نصف خلية، رأى الجرافيت، طوقا، فاصل يسهل اختراقها، رأى الجرافيت، نصف خلية، جامع الحالي لوحة من النحاس، و لوحة نهاية. ربط التجمع مع ثمانية مسامير ملولبة على لوحات نهاية اثنين باستخدام وجع عزم الدوران محددة مسبقا في 125 بوصة جنيه. ربط الأنابيب تدفق بالكهرباء إلى الخلية التدفق. يظهر تجميع الخلايا في الشكل 1.
  3. مظاهرة من متماثل الكيمياء الكهربائية
    1. تجميع خلية تدفق وفقا للمادة 1.2. حل PTIO (10 ملغ) وTBAPF 6 (3.3 غرام) مع MeCN (4.4 غرام) في القفازاتصندوق البريد، أي 5.0 ملي PTIO / 1.0 M TBAPF 6. إضافة 4 مل من محلول لكل من قوارير الزجاج اثنين. ضخ بالكهرباء في التدفق باستخدام مضخة تحوي بمعدل تدفق 20 مل / دقيقة.
    2. ربط جامعي الإيجابية والسلبية الحالية للخلية تدفق لاختبار البطارية. توجيه الاتهام الى خلية تدفق في مناطق ذات كثافة الحالية مستمرة من 5 مللي أمبير / سم 2 حتى الجهد وصلت 1.9 خامسا وقف الشحن. لضخ الشوارد في قوارير زجاجية.
    3. مزيج بالكهرباء الإيجابي 1 مل مع بالكهرباء سلبي 1 مل في قارورة منفصلة. الآن هناك أربعة الشوارد: الأصلي، الإيجابية، والسلبية، ومختلطة.
    4. قياس الإلكترون تدور الرنين (ESR) الطيف من أربعة الشوارد أعلاه. 25
      1. مع أنبوب تسرب، وختم كمية صغيرة (~ 10 ميكرولتر) من الإيجابية والسلبية في أنابيب PTFE (1/16 "OD و1/32" ID) عند كلا الطرفين، ثم ختم ذلك في أنبوب الكوارتز ESR (4 قطر ملم).
      2. تركيب أنابيب ESR إلى مطياف ESR مزودة مرنان SHQE مع تردد الموجات الدقيقة ~ 9.85 غيغاهرتز (الفرقة العاشرة).
      3. جمع الطيف ESR للالشوارد أربعة في القسم 1.3.3.
  4. اختبار تدفق خلية
    1. تجميع خلية تدفق التالية القسم 1.2.
    2. حل PTIO (1.05 ز) وTBAPF 6 (3.50 ز) مع MeCN (3.60 غ) في علبة القفازات، أي 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. إضافة 4 مل من محلول لكل قارورة زجاجية. تدفق الشوارد في 20 مل / دقيقة.
    3. ربط جامعي الإيجابية والسلبية الحالية للخلية تدفق إلى محطة عمل الكهروكيميائية. قياس مقاومة للخلية تدفق في مدى التردد من 100 كيلوهرتز إلى 1 هرتز في إمكانية الدائرة المفتوحة. حساب المقاومة منطقة محددة (ASR) بضرب المقاومة أومية (عالية التردد مقاومة) من منطقة نشطة للخلية التدفق.
    4. ربط العقيد الحالي الإيجابية والسلبيةlectors الخلية تدفق لاختبار البطارية. إعداد انقطاع التيار الكهربائي من 0.8 و 2.2 V والتيار المستمر من 20 مللي أمبير سم -2 في برنامج تشغيل البطارية. مرارا وتكرارا تهمة / التفريغ خلية تدفق PTIO.

2. القائم على FTIR SOC تحديد

  1. FTIR الجدوى التحقق من صحة
    1. إعداد الحلول بالكهرباء الثلاثة التالية في علبة القفازات: (أ) MeCN (0.50 ز)؛ (ب) TBAPF 6 (0.23 ز) مع MeCN (0.30 ز)، أي 1.0 M TBAPF 6؛ (ج) PTIO (75 ملغ) وTBAPF 6 (0.25 ز) مع MeCN (0.26 ز)، أي 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6.
    2. قياس FTIR لحلول بالكهرباء الثلاثة.
      1. إضافة كمية صغيرة (~ 0.05 مل) من كل حل لخلية FTIR اغلاقها باحكام مع ويندوز KBR وعلى طول مسار 0.2 مم. ختم الخلية FTIR.
      2. وضع الخلية FTIR في وعاء تخزين ونقلها من خارج منطقة الجزاء القفازات.
      3. بسرعة مذكرة التفاهمالإقليم الشمالي الخلية FTIR لطيف وجمع الطيف FTIR.
    3. تجميع خلية تدفق التالية القسم 1.2.
    4. حل PTIO (1.05 ز) وTBAPF 6 (3.50 ز) مع MeCN (3.60 غ) في علبة القفازات، أي 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. إضافة 4 مل من محلول لكل قارورة زجاجية. تدفق الشوارد في 20 مل / دقيقة.
    5. توجيه الاتهام تماما الخلية التدفق حتى يصل الجهد 2.2 خامسا وقف الشحن ومضخة.
    6. قياس أطياف FTIR لكل من الشوارد الإيجابية والسلبية، على التوالي، في أعقاب الإجراء في القسم 2.1.2.
    7. إعداد سلسلة من الحلول PTIO (0،05 حتي 0،5 م) في 1.0 م TBAPF 6 في MeCN في علبة القفازات مع التراكيب في الجدول 1.
    8. قياس الطيف FTIR لكل من الحلول في القسم 2.1.6، باتباع الإجراء في القسم 2.1.2.
  2. FTIR قياس SOC
    1. تجميع خلية تدفق FOالنماذج التالية القسم 1.2.
    2. حل PTIO (2.9 غرام) وTBAPF 6 (9.6 غرام) مع MeCN (9.8 غرام) في علبة القفازات، أي 0.5 M PTIO / 1.0 M TBAPF 6. إضافة 11 مل من محلول لكل من قوارير الزجاج اثنين. تدفق الشوارد في 20 مل / دقيقة.
    3. توجيه الاتهام الى خلية تدفق في تيار ثابت من 10 مللي أمبير / سم 2 بمعدل تدفق 20 مل / دقيقة.
    4. وفي الوقت تهمة 0، 18، 36، 54، و 72 دقيقة، ووقف تهمة خلية وتدفق بالكهرباء، واتخاذ قسامات صغيرة (0.2 مل) من الشوارد من anolyte وكهرل مهبطي قوارير الزجاج الجانبي، ومن ثم استئناف الخلية.
    5. قياس الطيف FTIR للأعلاه خمسة قسامات عينة باتباع الإجراء في القسم 2.1.2.
    6. قياس الطيف ESR للأعلاه خمسة قسامات عينة باتباع الإجراء في القسم 1.3.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وترجع مزايا فريدة من PTIO نظام بطارية تدفق متماثل للغاية لخصائص الكهروكيميائية من PTIO، وهو مركب جذري nitroxide العضوية. PTIO يمكن تفاعلات disproportionation الكهروكيميائية لتشكيل PTIO + وPTIO - (الشكل 2A). يتم فصل هذين أزواج الأكسدة معتدلة من فجوة الجهد من ~ 1.7 V (الشكل 2B)، ويمكن استخدامها على حد سواء المواد anolyte والأكسدة كهرل مهبطي في الكيمياء بطارية متماثل. يمكن استخدام PTIO كمادة الأكسدة للقضاء على الحاجة لالشوارد مزيج متفاعل وتمكين تركيزات الأكسدة الفعالة عالية.

التفاعل بين PTIO + وPTIO - تجدد عفويا PTIO الأصلي، كما ثبت من خلال استرداد إشارة ESR من PTIO بعد خلط PTIO + وPTIO - على قدم المساواة الرحى جoncentrations (الشكل 2C). في هذه البطارية التدفق، وانتقال الأنواع PTIO مشحونة (PTIO + أو PTIO -) لا يؤدي في المواد الكيميائية المتباينة والخسائر المادية، مما يؤدي إلى انتقال لا رجعة فيه الحد الأدنى. سلمت خلية تدفق PTIO الكفاءة ركوب الدراجات لائقة بتركيز الأكسدة 0.5 M PTIO ومع تيار 20 أمبير / سم؛ متوسط كفاءة coulombic (CE) من ~ 90٪، وكفاءة الجهد (VE) من 67٪، والتي تم الحصول عليها كفاءة الطاقة (EE) 60٪ (الشكل 2D). وسجلت من قبل ASR خلية عالية نسبيا من 21.2 Ω سم 2 الذي كان مرتبطا بشكل وثيق مع الموصلية الأيونية المحدود في مثل هذا التركيز بالكهرباء ارتفاع منخفض VE. وعلى الرغم من قدرة يتلاشى، وقد أثبتت الخلية تدفق PTIO تعمل تركيز المواد الأكسدة، والكثافة الحالية، وكفاءة الخلايا أعلى بكثير من العديد من أجهزة المصايد الإقليمية الأخرى غير المائية، التي تسري عادة بالقرب 0.1 M تركيز، مع الكثافة الحالية أقل رهان 0.5 مللي أمبير / سم 2، و / أو إي إي إس أي أعلى من 50٪. 27، 28، 29، 30

FTIR صادق بنجاح مؤهلات بوصفها أداة تشخيص SOC مناسبة للبطارية تدفق PTIO، بسبب ذروة FTIR مميزة في 1218 سم -1 الذي يفترض أن يتوافق مع NO السندات. 31 أولا، دعم MeCN المذيبات وTBAPF 6 الملح منتجات قمم تدخل تذكر في هذا الموقف (الشكل 3A). ثانيا، FTIR يميز بين الأنواع الأكسدة ثلاثة من PTIO، وخاصة مع اختفاء هذه الذروة لPTIO + في الجانب كهرل مهبطي (الشكل 3B). ثالثا، لشدة (T) من هذه الذروة يعرض الاعتماد القوي على تركيز PTIO (الشكل 3C وأقحم)، أي -log الخطي (T)مقابل [PTIO] يتم الحصول على علاقة القياسية (المعادلة 1) وفقا لقانون بير لامبرت:
معادلة (1)

تم استخدام قسامات عينة خمسة مأخوذة من الجانب كهرل مهبطي (الشكل 4A) لتحديد SOC الخلية تدفق PTIO. وبما أن زمن الشحن شرع من عينة # 0 إلى رقم 4، من شدة 1218 سم -1 الذروة انخفض بشكل مستمر نتيجة لاستهلاك PTIO (الشكل 4B)؛ لذلك كان إشارة ESR (الشكل 4C). وقد استمدت تركيزات PTIO المتفاعل في هذه العينات من شدة FTIR من 1218 سم -1 الذروة وفقا لمعادلة 2، والتي ثم استخدمت لحساب شركة نفط الجنوب التالية معادلة 2. كما هو مبين في الشكل 4D، مثل الحصول على [PTIO] و شركة نفط الجنوب من هذه العينات في وثيقة الاتفاق مع القياسات ESR، والذي يبدو أنه جيد عبر التحقق من الصحة.
(2)

وتظهر الأجزاء وتجميع خلية تدفق المستخدمة في هذه الدراسة في الشكل 1. أداء الكهروكيميائية للبطارية تدفق PTIO متماثل، بما في ذلك ردود فعل الأكسدة، والمنحنيات السيرة الذاتية، والمصادقة ESR من صالح تصميم متماثل، وتدفق بيانات الخلية ركوب الدراجات، هو مبين في الشكل 2. يظهر التحقق من صحة الجدوى لاستخدام FTIR كوسيلة من وسائل مناسبة لتحديد SOC البطارية تدفق PTIO في الشكل (3). قرارات SOC أساس FTIR، بما في ذلك منحنى الجهد للخلية التدفق، وشركة نفط الجنوب تم الحصول عليها من FTIR وعبر التحقق من صحة بواسطة ESR، ونظام الانترنت التشخيص المقترح، وهو مبين في الشكل (4).

شكل 1
الشكل 1: صورة لخلية تدفق كما sembly. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2: أداء الكهروكيميائية PTIO. (أ) تفاعلات الأكسدة والاختزال من PTIO إلى PTIO + (الجانب كهرل مهبطي) وPTIO - (الجانب anolyte)، على التوالي؛ (ب) 500 دورة من منحنيات السيرة الذاتية تقريبا المتراكبة تماما من PTIO على القطب الكربون الزجاجي. (ج) ESR الأطياف يظهر التفاعل بين PTIO + وPTIO - تجدد للPTIO الأصلي؛ (د) قدرة ركوب الدراجات وكفاءة خلية تدفق M PTIO 0.5. تم تعديل هذا الرقم من إشارة 25. الحصول = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الرقم 3: التحقق من صحة الجدوى لاستخدام FTIR لتحديد SOC البطارية تدفق PTIO. (أ) أطياف FTIR من MeCN، 1.0 M TBAPF 6 في MeCN، و 0.5 M PTIO في 1.0 M TBAPF6 في MeCN. (ب) أطياف FTIR من PTIO، PTIO +، وPTIO - (0.5 M في 1.0 M TBAPF 6 في MeCN)؛ (ج) الأطياف FTIR حلول PTIO القياسية في 0.05 م إلى 0.5 م مع 0.05 M الفترة. تم تعديل هذا الرقم من إشارة 25. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

pload / 55171 / 55171fig4.jpg "/>
الشكل 4: التشخيص SOC FTIR المستندة. (أ) منحنى الجهد شحن خلية تدفق 0.5 M PTIO تظهر خمسة قسامات عينة (# 0، 1، 2، 3، 4) سحب من الخلية أثناء الشحن. (ب) FTIR و (ج) ESR أطياف قسامات عينة كهرل مهبطي الخمسة؛ (د) تركيزات PTIO غير المتفاعل وتدفق SOC خلية تم الحصول عليها من القياسات FTIR وعبر التحقق من صحة مع القياسات ESR. (ه) تخطيطي للجهاز بطارية تدفق تدمج مع أجهزة استشعار مراقبة FTIR على الانترنت. تم تعديل هذا الرقم من إشارة 25. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

PTIO اضرب. (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 غرام 0.295 غرام 0.273 غرام 0.25 ز 0.291 غرام 0.255 غرام 0.242 غرام 0.232 غرام 0.243 غرام 0.263 غرام
TBAPF 6 0.233 غرام 0.233 غرام 0.223 غرام 0.21 ز 0.247 غرام 0.222 غرام 0.214 غرام 0.213 غرام 0.225 غرام 0.255 غرام
PTIO 0.007 غرام 0.014 غرام 0.02 ز 0.025 غرام 0.037 غرام 0.04 ز 0.045 غرام 0.051 غرام 0.061 غرام 0.076 غرام

الجدول 1: التراكيب الحلول القياسية PTIO.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

كما أثبتنا من قبل، 25 FTIR قادر على اكتشاف غير جراحية شركة نفط الجنوب للبطارية تدفق PTIO. كأداة تشخيصية، FTIR هو مفيد بشكل خاص بسبب سهولة الوصول إليه، والاستجابة السريعة، وانخفاض التكلفة، شرط مساحة صغيرة، ومرفق لإدراجها على الانترنت، لا تشبع كاشف، والقدرة على ربط المعلومات الهيكلية للتحقيق في التطورات الجزيئية أثناء تشغيل البطارية التدفق. ويوضح الشكل 3E المقترحة جهاز بطارية تدفق دمج أجهزة استشعار FTIR على الانترنت التي تمكن في الوقت الحقيقي رصد SOC لعمليات آمنة.

لتحسين تنفيذ بروتوكول لتقييم الكهروكيميائية والتشخيص SOC أساس FTIR، بيئة خالية من الهواء مهمة أساسا. على خلاف ذلك، فإن الأنواع الأكسدة في مشحونة تتفاعل مع O 2 أو الرطوبة يؤدي إلى تدهور المادي والقياسات SOC غير دقيقة. يجب أن تكون الخلايا FTIR اغلاقها باحكام بدقةتستخدم لتجنب الاتصال الجوي مع الشوارد. وبالإضافة إلى ذلك، لأن هذا الأسلوب هو قابلة للاستخدام فقط للمواد الأكسدة FTIR الحساسة، والتحقق من صحة الجدوى من خلال تحديد-تمييزها جيدا قمم FTIR مميزة هو خطوة حاسمة.

وبالنظر إلى الانتقائية محدودة من الأغشية بطارية، مواد الأكسدة كروس أمر لا مفر منه بالنسبة لمعظم البطاريات تدفق، والتي عادة ما يسبب قدرة لا رجعة فيها يتلاشى. في هذا الصدد، وبطارية تدفق متماثل لديه القدرة على التغلب على هذا العيب. في البطارية تدفق PTIO، سيتم تحويل أي نوع كروس إلى PTIO الأصلي. من الناحية النظرية، وفقدان القدرة الناجمة عن انتقال مادي يمكن استردادها عن طريق التعديل الشوارد، مشابهة لبطاريات تدفق الفاناديوم. 32 لذلك، وتصميم بطارية متماثل واعدة لتطوير أنظمة دائمة يمكن الاعتماد عليها لتخزين الطاقة. الحد رئيسيا لنظام PTIO الحالي هو أن PTIO - (anolyteالجانب) ليست مستقرة بما فيه الكفاية بسبب تحدث تدريجيا التفاعلات الجانبية. وهذه الخسائر المادية يفسر قدرة يتلاشى لوحظ في تدفق الخلايا PTIO. تطوير مواد الأكسدة ambipolar جديدة مع الاستقرار الكيميائية عالية في جميع حالات التأكسد هي الاتجاه المستقبلي لإظهار الإمكانيات الكاملة لهذا التصميم البطارية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل ماليا من قبل المركز المشترك لبحوث الطاقة التخزين (JCESR)، والابتكار محور الطاقة التي تمولها وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب للعلوم، علوم الطاقة الأساسية. الكتاب أيضا يعترف مجلة كيمياء المواد ألف (أ الجمعية الملكية للكيمياء مجلة) لنشر أصلا هذا البحث ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL هو المختبر الوطني متعدد برنامج تديره باتيل عن وزارة الطاقة في إطار عقد 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

الكيمياء، العدد 120، الأكسدة بطارية التدفق، لامائي، متماثل، العضوية، ولاية تهمة، FTIR
بروتوكول لالكهروكيميائية التقييمات والدولة من تهمة تشخيص ومتماثل العضوية الأكسدة والاختزال تدفق البطارية
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