Waiting
Login processing...

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

Chemistry

En protokol til elektrokemiske Evalueringer og Staten Charge Diagnostik af en symmetrisk Økologisk 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 præsenterer de protokoller for elektrokemisk evaluering af en symmetrisk ikke-vandigt organisk redox flow batteri og til diagnosticering sin ladetilstand ved hjælp FTIR.

Abstract

Redox flow batterier er blevet betragtet som en af ​​de mest lovende stationære energilagring løsninger til at forbedre pålideligheden af ​​elnettet og udbredelse af vedvarende energiteknologier. Blandt de mange flow batteri-kemi, ikke-vandige flow batterier har potentiale til at opnå høj energitæthed på grund af de brede spænding vinduer på ikke-vandige elektrolytter. Der er dog betydelige tekniske forhindringer i øjeblikket begrænser ikke-vandige flow batterier til at demonstrere deres fulde potentiale, såsom lave redox koncentrationer, lave driftsomkostninger strømme, under-udforsket batteristatus overvågning, etc. I et forsøg på at løse disse begrænsninger, vi for nylig rapporteret en ikke-vandig flow batteri baseret på en højt opløselig, redox-aktiv organisk nitronyl nitroxid radikal forbindelse, 2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxy-3-oxid (PTIO). Denne redox materiale udviser en ambipolar elektrokemisk ejendom, og derfor kan tjene som både anolyte og katolyt redox materialer til at danne en symmetrisk flow batteri kemi. Endvidere demonstrerede vi, at Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi kunne måle PTIO koncentrationer under PTIO flow batteri cykling og tilbyder rimeligt nøjagtig detektion af batteriet ladetilstand (SOC), som krydsvalideret ved elektronmikroskopi (ESR) målinger . Heri præsenterer vi en video-protokol til elektrokemisk evaluering og SOC diagnose af PTIO symmetrisk flow batteri. En detaljeret beskrivelse, vi eksperimentelt demonstreret ruten at opnå disse formål. Denne protokol har til formål at sætte gang i flere interesser og indsigt på sikkerhed og pålidelighed inden for ikke-vandige redox flow batterier.

Introduction

Redox flow batterier lagre energi i flydende elektrolytter, der er indeholdt i eksterne reservoirer og pumpes til interne elektroder til at fuldføre elektrokemiske reaktioner. Den lagrede energi og kraft kan således afkoblet fører til fremragende design fleksibilitet, skalerbarhed og modularitet. Disse fordele gør flow batterier velegnet til stationære energilagring applikationer til at integrere rene endnu intermitterende vedvarende energikilder, øge gitter udnyttelse af aktiver og effektivitet, og forbedre energi elasticitet og sikkerhed. 1, 2, 3 Traditionelle vandige flow batterier lider begrænset energitæthed, hovedsagelig på grund af den smalle spænding vinduet for at undgå vand elektrolyse. 4, 5, 6, 7, 8 Derimod ikke-aqueskellige elektrolytter baseret flow batterier bliver bredt forfølges på grund af risikoen for at opnå høj celle spænding og høj energitæthed. 9, 10 I disse bestræbelser har en bred vifte af flow batteri kemier blevet undersøgt, herunder af metal-koordinering komplekser, 11, 12 all-økologiske, 13, 14 redox aktive polymerer, 15 og lithium hybrid flow-systemer. 16, 17, 18, 19

Men potentialet i ikke-vandige flow batterier er endnu ikke fuldt demonstreret på grund af den større teknisk flaskehals af begrænset demonstration under flow batteri-relevant forhold. Denne flaskehals er tæt forbundet med en række præstationsfremmende begrænsende faktorer. Først,den lille opløselighed fleste elektroaktive materialer fører til energitæthed levering lavt af ikke-vandige flow celler. Sekund, hastigheden evne af ikke-vandige flow batterier stort set begrænset af den høje elektrolyt viskositet og resistivitet ved relevante redox koncentrationer. Den tredje faktor er manglen på højtydende membraner. Nafion og keramiske membraner viser lav ionisk ledningsevne med ikke-vandige elektrolytter. Porøse separatorer har vist ordentlig flowcelle ydeevne, men lider betydelig selvafladning på grund af forholdsvis stor porestørrelse. 14, 20 Typisk blandet reaktant elektrolytter indeholdende både anolyt- og katolyt redox materialer: er (1 1 ratio) anvendes til at reducere redox materialer crossover, som imidlertid ofrer de effektive redox koncentrationer, typisk det halve. 14, 21 Overvinde den førnævnte flaskehals kræver forbedringer i materIALS opdagelse, batteri kemi design, og flow-celle-arkitektur for at opnå batteri-relevant cykling.

Batteristatus overvågning er væsentlige vigtigt for pålidelig drift. Off-normale betingelser, herunder overprisen, gasudvikling, og materiale nedbrydning kan forårsage skader på batteriets ydeevne og endda batteri fiasko. Især for store flow batterier, der involverer store mængder batteri materialer, kan disse faktorer forårsage alvorlige sikkerhedsproblemer og investeringer tab. Ladetilstand (SOC), der beskriver dybden af ​​ladning eller afladning af flow batterier er en af ​​de vigtigste batteri status parametre. Rettidig SOC overvågning kan afsløre potentielle risici, før de når truende niveauer. dette område synes dog at være under-rettet hidtil, især i ikke-vandige flow batterier. Spectrophotoscopic metoder såsom ultraviolet-synligt (UV-vis) spektroskopi og elektrolyt ledningsevne målinger er blevet evalueret i vandig flow batt ry for SOC bestemmelse. 22, 23, 24

Vi har for nylig indført et hidtil ukendt symmetrisk ikke-vandig flow batteri design baseret på en ny ambipolar redox materiale, 2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxy-3-oxid (PTIO). 25 Dette flow batteri holder løftet om at løse de ovennævnte udfordringer i ikke-vandige flow batterier. Først PTIO har en høj opløselighed (2,6 M) i batteriet opløsningsmiddel af acetonitril (MeCN), der er lovende for at muliggøre en høj energitæthed. For det andet, PTIO udviser to reversible redox-par, der er moderat adskilt og således kan danne en symmetrisk batteri kemi i sig selv. Vi har også påvist, at en skelnelig PTIO top i FTIR spektre kan korreleres med koncentrationen af ​​uomsat PTIO i flowcellen, hvilket fører til spektroskopiske bestemmelse af SOC, som krydsvalideret af ESR resultater.lass = "xref"> 26 Her præsenterer vi en protokol til at udarbejde procedurer for elektrokemiske evalueringer og FTIR-baserede SOC diagnostik af PTIO symmetrisk flow batteri. Dette arbejde forventes at udløse mere indsigt i at opretholde sikkerhed og pålidelighed under langsigtede flow batteri operationer, især i den virkelige verden gitter applikationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemærk: Alle opløsningspræparater, cyklisk voltammetri (CV) tests, og flow cellekonstruktion og forsøg blev udført i et argon-fyldt handskekasse med vand og O 2 niveauer mindre end 1 ppm.

1. Elektrokemisk Evalueringer af PTIO flowceller

  1. CV Test
    1. Polere en glasagtig kulstof elektrode med 0,05 um gamma alumina pulver, skylle det med deioniseret vand, sætte det i under vakuum ved stuetemperatur natten, og overføre det til en handskerummet.
    2. Opløs sølvnitrat (8,5 mg) med MeCN (5 ml) i handskerummet, dvs. 10 mM AgNO3. Tilsæt opløsningen i glasrøret af en sølv / nitrat referenceelektrode.
    3. Saml glasagtige carbon arbejdselektrode, en grafitfilt strimmel modelektrode, og sølv / sølvnitrat referenceelektrode på en 25 ml trehalset pæreformet kolbe.
    4. Opløs PTIO (52 mg) og tetrabutylammonium hexafluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 g) i MeCN (1,10 g), dvs., 0,1 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Føj løsningen på kolben for at dykke spidserne af de tre elektroder.
    5. Elektroderne tilsluttes en elektrokemisk arbejdsstation. Mål CV kurver inden for spændingsområde af -1.75-0.75 V ved en scanning på 100 mV / s. Bestem den teoretiske cellespænding af PTIO flow batteri fra den potentielle forskel mellem de to redox-par.
      BEMÆRK: Det skal bemærkes, at Ag / Ag + referenceelektrode konfiguration er en pseudo-referenceelektrode i sagens natur. Som følge heraf kan redox toppe skift under langsigtede CV målinger. Ikke desto mindre sådan skift har normalt en uagtsom indflydelse på spændingen kløften mellem redox par, og vil ikke påvirke cellens spænding værdi.
  2. Flow Cell Montering
    1. Skær grafit filt til et område på 1 x 10 cm 2 under anvendelse af et barberblad. Tilsvarende sender en porøs septemberArator til et område på 3 x 12 cm2.
    2. Tør flow batteri dele (cellegrupper, slanger, 5 ml hætteglas, grafit filt, og en porøs separator) i en vakuumovn ved 70 ° C natten over, flytte dem ind i handskerummet, og køle ned til omgivelsernes temperatur.
    3. Saml strømningscellen dele i størrelsesordenen en endeplade, en kobberplade strømkollektor, en halv celle, en grafitfilt, en pakning, en porøs separator, en grafitfilt, en halv celle, en kobberplade strømkollektor, og et endeplade. Fastgør forsamling med otte gevind bolte mod de to endeplader med en momentnøgle forudindstillet til 125 tommer pounds. Tilslut elektrolyt flow slangerne til flowcellen. Cellen samling er vist i figur 1.
  3. Demonstration af Symmetrisk Elektrokemi
    1. Saml flowcellen henhold til punkt 1.2. Opløs PTIO (10 mg) og TBAPF 6 (3,3 g) med MeCN (4,4 g) i Glove boks, dvs 5,0 mM PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Tilsættes 4 ml af opløsningen til hver af de to hætteglas. Pump elektrolytterne til at strømme under anvendelse af en peristaltisk pumpe ved en strømningshastighed på 20 ml / minut.
    2. Forbind de positive og negative strømaftagere af flowcellen til batteritester. Opkræve flowcellen ved en konstant strømtæthed på 5 mA / cm2 indtil spændingen nåede 1,9 V. Stop opladningen. Pump elektrolytterne i hætteglas.
    3. Bland en 1 ml positiv elektrolyt med en 1 ml negative elektrolyt i et separat hætteglas. Nu er der fire elektrolytter: den oprindelige, den positive, det negative, og det blandede.
    4. Mål elektron (ESR) spektret af de ovennævnte fire elektrolytter. 25
      1. Med rør fugemasse, forsegle en lille mængde (~ 10 uL) af de positive og negative i en PTFE-slange (1/16 "OD og 1/32" ID) i begge ender, og derefter forsegle den i en kvarts ESR rør (4 mm diameter).
      2. Monter ESR slangen til en ESR spektrometer forsynet med en SHQE resonator med mikroovn frekvens ~ 9,85 GHz (X-båndet).
      3. Saml ESR-spektret for de fire elektrolytter i afsnit 1.3.3.
  4. Flow Cell Test
    1. Saml et flow celle efter afsnit 1.2.
    2. Opløs PTIO (1,05 g) og TBAPF 6 (3,50 g) med MeCN (3,60 g) i handskerummet, dvs 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Tilsættes 4 ml af opløsningen til hvert hætteglas. Flow elektrolytter ved 20 ml / min.
    3. Forbind de positive og negative strømaftagere af flowcellen til en elektrokemisk arbejdsstation. Måle impedansen af ​​flowcellen i frekvensområdet fra 100 kHz til 1 Hz ved den åbne kredsløb potentiale. Beregne arealet-specifikke resistivitet (ASR) ved at multiplicere den ohmske modstand (højfrekvente impedans) af det aktive område af flowcellen.
    4. Forbind den positive og negative strøm collektorer af flowcellen til batteritester. Opsæt spændingen cutoffs på 0,8 og 2,2 V og konstant strøm på 20 mA cm -2 i batteridrift software. Gentagne gange ladning / aflade PTIO flow celle.

2. FTIR-baserede SOC Bestemmelse

  1. FTIR Feasibility Validering
    1. Forbered følgende tre elektrolytopløsninger i handskerummet: (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) og TBAPF 6 (0,25 g) med MeCN (0,26 g), dvs., 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6.
    2. Mål FTIR for de tre elektrolyt løsninger.
      1. Tilføj et lille volumen (~ 0,05 ml) af hver opløsning til en forseglelig FTIR celle med KBr vinduer og en vejlængde på 0,2 mm. Forsegl FTIR celle.
      2. Sætte FTIR cellen i en opbevaringsbeholder og overføre den ud af handskerummet.
      3. hurtigt mount FTIR cellen til et spektrometer og indsamle FTIR spektrum.
    3. Saml et flow celle efter afsnit 1.2.
    4. Opløs PTIO (1,05 g) og TBAPF 6 (3,50 g) med MeCN (3,60 g) i handskerummet, dvs 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Tilsættes 4 ml af opløsningen til hvert hætteglas. Flow elektrolytter ved 20 ml / min.
    5. Oplad flowcellen indtil spændingen når 2,2 V. Stop opladningen og pumpen.
    6. Mål FTIR spektre for både de positive og negative elektrolytter, henholdsvis at følge fremgangsmåden i afsnit 2.1.2.
    7. Forbered en række PTIO opløsninger (0,05-0,5 M) i 1,0 M TBAPF 6 i MeCN i handskerummet med kompositionerne i tabel 1.
    8. Mål FTIR-spektrum for hver af opløsningerne i afsnit 2.1.6, ved at følge fremgangsmåden i afsnit 2.1.2.
  2. FTIR Måling af SOC
    1. Saml en flowcelle following Afsnit 1.2.
    2. Opløs PTIO (2,9 g) og TBAPF 6 (9,6 g) med MeCN (9,8 g) i handskerummet, dvs 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Tilføj 11 ml af opløsningen til hver af de to hætteglas. Flow elektrolytter ved 20 ml / min.
    3. Opkræve flowcellen ved en konstant strøm på 10 mA / cm2 ved en strømningshastighed på 20 ml / minut.
    4. På afgift på cirka 0, 18, 36, 54, og 72 min, stopper cellen ladning og elektrolyt flow, tage små portioner (0,2 ml) fra elektrolytter fra anolyt- og katolyt side hætteglas, og derefter genoptage cellen.
    5. Mål FTIR-spektrum for de ovennævnte fem prøvealiquoter, efter proceduren i afsnit 2.1.2.
    6. Mål ESR frekvenser til de ovennævnte fem prøvealiquoter, efter proceduren i afsnit 1.3.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De unikke fordele ved den symmetriske PTIO flow batterisystem er stærkt tilskrives de elektrokemiske egenskaber af PTIO, en organisk nitroxid radikal forbindelse. PTIO kan undergå elektrokemiske disproportioneringsprodukter reaktioner til dannelse PTIO + og PTIO - (figur 2a). Disse to redox-par er moderat adskilt af en spænding afstand på ~ 1,7 V (figur 2b) og kan anvendes som både anolyt- og katolyt redox materialer i en symmetrisk batteri kemi. Brug af PTIO som et redox materiale kan fjerne behovet for mix-reagerende elektrolytter og muliggøre høje effektive redox koncentrationer.

Reaktionen mellem PTIO + og PTIO - spontant regenererer den oprindelige PTIO, hvilket fremgår af genopretning af ESR-signalet af PTIO efter blanding PTIO + og PTIO - på lige molær concentrations (Figur 2c). I denne strøm batteri, crossover af ladede PTIO arter (PTIO + eller PTIO -) resulterer ikke i forskellige kemikalier og materielle tab, hvilket fører til minimal irreversibel crossover. Den PTIO flowcelle leveret ordentlige cykling effektiviteter ved en redox koncentration på 0,5 M PTIO og med en strøm på 20 mA / cm; en gennemsnitlig coulombisk effektivitet (CE) på ~ 90%, spænding effektivitet (VE) på 67%, og energieffektiviteten (EE) 60% blev opnået (figur 2d). Den lave VE blev registreret af den relativt høje celle ASR på 21,2 Ω cm 2, der var tæt forbundet med begrænset ionisk ledningsevne på et så højt elektrolyt koncentration. På trods af den kapacitet fading har PTIO flowcellen demonstreret drift redox materiale koncentration, strømtæthed, og celle effektivitet betydeligt højere end mange andre ikke-vandige RFBs, der cyklede typisk nær 0,1 M koncentrationer, med strømtæthed mindre the 0,5 mA / cm2, og / eller EES ikke højere end 50%. 27, 28, 29, 30

FTIR har med succes valideret sine kvalifikationer som et egnet SOC-diagnosticering værktøj til PTIO flow batteri, på grund af den karakteristiske FTIR top ved 1.218 cm-1, som formodentlig svarer til ingen binding. 31 For det første den understøttende MeCN opløsningsmiddel og TBAPF 6 salt giver negligerbar interferens toppe ved denne position (figur 3a). For det andet, FTIR skelner mellem de tre redox arter af PTIO, især med forsvinden af denne top for PTIO + ved katolytten side (figur 3b). For det tredje, intensiteten (T) af denne top viser en stærk afhængighed af PTIO koncentration (figur 3c og indsat), dvs. en lineær -log (T)vs. [PTIO] standard forhold (ligning 1) opnås i henhold til Beer-Lambert lov:
ligning (1)

De fem prøvealiquoter taget fra katolytten side (figur 4a) blev anvendt til at bestemme SOC af PTIO flowcellen. Som ladetiden forløb fra Sample # 0 til # 4, intensiteten af 1.218 cm-1 peak løbende faldet som følge af indtagelse af PTIO (figur 4b); så var ESR-signal (figur 4c). Koncentrationerne af uomsat PTIO i disse prøver blev afledt ved FTIR intensiteter af 1.218 cm-1 spids ifølge ligning 2, som derefter blev anvendt til at beregne SOC følgende ligning 2. Som vist i figur 4d, såsom opnået [PTIO] og SOC af disse prøver er i tæt overensstemmelse med de ESR målinger, der synes at være en god cross-validering.
(2)

De dele og samling af flowcellen anvendes i denne undersøgelse er vist i figur 1. Den elektrokemiske ydeevne symmetriske PTIO flow batteri, herunder redoxreaktioner, CV kurver, ESR validering af den symmetriske udformning fordel, og flow cellecyklus data, er vist i figur 2. Gennemførligheden validering for anvendelse af FTIR som en egnet metode til bestemmelse af SOC af PTIO flow batteri er vist i figur 3. FTIR-baserede SOC-bestemmelser, herunder spænding kurve af flowcellen, SOC opnået fra FTIR og cross-valideret af ESR, og en foreslået online diagnostisk system, er vist i figur 4.

figur 1
Figur 1: fotografi af flowcellen som de monteres. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2: Elektrokemisk ydeevne PTIO. (A) redox reaktioner PTIO til PTIO + (katolyt side) og til PTIO - (anolyt side) henholdsvis; (B) 500 cykler af næsten fuldstændigt overlappede CV kurver PTIO på en glasagtig carbon elektrode; (C) ESR-spektre, der viser reaktionen mellem PTIO + og PTIO - regenererer den oprindelige PTIO; (D) cycling kapacitet og effektivitet 0,5 M PTIO flowcelle. Dette tal har været ændret siden henvisning 25. få = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: Feasibility validering for hjælp FTIR at bestemme SOC af PTIO flow batteri. (A) FTIR spektre af MeCN, 1,0 M TBAPF 6 i MeCN, og 0,5 M PTIO i 1,0 M TBAPF6 i MeCN; (B) FTIR spektre af PTIO, PTIO +, og PTIO - (0,5 M i 1,0 M TBAPF 6 i MeCN); (Cl) FTIR-spektrene for standard PTIO opløsninger ved 0,05 M til 0,5 M en 0,05 M interval. Dette tal har været ændret siden henvisning 25. Klik her for at se en større version af dette tal.

pload / 55171 / 55171fig4.jpg "/>
Figur 4: FTIR-baserede SOC diagnostik. (A) ladespændingskurven af en 0,5 M PTIO flowcelle viser fem prøvealiquoter (# 0, 1, 2, 3, 4) trækkes ud af cellen under opladning; (B) FTIR og (c) ESR-spektre af de fem katolyt prøvealikvoter; (D) ikke-reagerede PTIO koncentrationer og flow celle SOC fås fra FTIR målinger og cross-valideret med ESR målinger (E) en skematisk afbildning af et flow batteri enhed indbygget i online FTIR overvågningssensorer. Dette tal har været ændret siden henvisning 25. Klik her for at se en større version af dette tal.

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

Tabel 1: Sammensætninger af de PTIO standardopløsninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Som vi demonstreret før, 25 FTIR er i stand til ikke-invasivt at detektere SOC af PTIO flow batteri. Som et diagnostisk værktøj, FTIR er særlig fordelagtig på grund af dens lette tilgængelighed, hurtig respons, lave omkostninger, lille pladsbehov, facilitet for online inkorporering, ingen detektor mætning, og evnen til at korrelere strukturel information til at undersøge molekylære udviklinger under flow batteridrift. Figur 3e illustrerer en foreslået flow batteri enhed integrerer online FTIR sensorer, der muliggør real-time SOC overvågning for sikker drift.

For bedre at gennemføre protokollen til elektrokemisk evaluering og FTIR-baserede SOC diagnostik, en luft-frit miljø er væsentlige vigtigt; ellers vil redox arter ladede stater reagerer med O 2 eller fugt, der fører til væsentlig forringelse og unøjagtige SOC målinger. Strengt forsegles FTIR celler skal værebruges til at undgå luft kontakt med elektrolytter. Hertil kommer, fordi denne teknik er brugbar kun for FTIR-følsomme redox materialer, feasibility validering ved at identificere godt skelnes karakteristiske FTIR toppe er et afgørende skridt.

I betragtning af den begrænsede selektivitet batteri membraner, redox materiale crossover er uundgåelig for de fleste flow batterier, som typisk forårsager irreversibel kapacitet fading. I denne henseende er symmetrisk flow batteri har potentialet til at overvinde denne ulempe. I PTIO flow batteri, vil eventuelle crossover arter omdannes til det oprindelige PTIO. Teoretisk set kunne kapaciteten tab som følge af materiale crossover genvindes ved remixing de elektrolytter, der ligner vanadium flow batterier. 32 Derfor er den symmetriske batteri design lover at udvikle holdbare, pålidelige energilagringssystemer. Nøglen begrænsning for den aktuelle PTIO system er, at det PTIO - (anolytside) ikke er tilstrækkelig stabil på grund af gradvis forekommende bireaktioner. Et sådant materiale tab forklarer kapaciteten fading observeret i PTIO flowceller. Udvikling af nye ambipolar redox materialer med høj kemisk stabilitet i alle oxidationsstadier er den fremtidige retning for at demonstrere det fulde potentiale af dette batteri design.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), en Energy Innovation Hub finansieret af det amerikanske Department of Energy, Kontoret for Videnskab, Basic Energi Videnskaber. Forfatterne også erkende Tidende Materialekemi A (en Royal Society of Chemistry tidsskrift) for oprindeligt at offentliggøre denne forskning ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL er en multi-program nationale laboratorium drives af Battelle for DOE under 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 flow batteri ikke-vandigt symmetrisk organisk ladetilstand FTIR
En protokol til elektrokemiske Evalueringer og Staten Charge Diagnostik af en symmetrisk Økologisk 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