Summary

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

Published: February 13, 2017
doi:

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.

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 CV di prova 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 p…

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 c…

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</stro…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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 1A 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

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Cite This Article
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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