Un protocollo per elettrochimici valutazioni e stato di carica della diagnostica di un Redox flusso batteria simmetrica Organic
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
Representative Results
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 |
References
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334 (6058), 928-935 (2011).
- Yang, Z. G., et al. Electrochemical Energy Storage for Green Grid. Chem. Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).
- 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).
- 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).
- Weber, A. Z., et al. Redox Flow Batteries: A Review. J. Appl. Electrochem. 41 (10), 1137-1164 (2011).
- Noack, J., Roznyatovskaya, N., Herr, T., Fischer, P. The Chemistry of Redox-Flow Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (34), 9775-9808 (2015).
- Soloveichik, G. L. Flow Batteries: Current Status and Trends. Chem. Rev. 115 (20), 11533-11558 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cappillino, P. J., et al. Application of Redox Non-Innocent Ligands to Non-Aqueous Flow Battery Electrolytes. Adv. Energy Mater. 4 (1), 1300566 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wei, X., et al. TEMPO-Based Catholyte for High-Energy Density Nonaqueous Redox Flow Batteries. Adv. Mater. 26 (45), 7649-7653 (2014).
- Wei, X., et al. Towards High-Performance Nonaqueous Redox Flow Electrolyte Via Ionic Modification of Active Species. Adv. Energy Mater. 5 (1), 1400678 (2015).
- Fan, F. Y., et al. Polysulfide Flow Batteries Enabled by Percolating Nanoscale Conductor Networks. Nano Lett. 14 (4), 2210-2218 (2014).
- 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).
- 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).
- Wei, X., et al. Microporous Separators for Fe/V Redox Flow Batteries. J. Power Sources. 218, 39-45 (2012).
- Skyllas-Kazacos, M., Kazacos, M. State of Charge Monitoring Methods for Vanadium Redox Flow Battery Control. J. Power Sources. 196 (20), 8822-8827 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schaltin, S., et al. Towards an All-Copper Redox Flow Battery Based on a Copper-Containing Ionic Liquid. Chem. Commun. 52, 414-417 (2016).
- Luo, Q., et al. Capacity Decay and Remediation of Nafion-based All-Vanadium Redox Flow Batteries. ChemSusChem. 6 (2), 268-274 (2013).
