Vi presenterer protokollene for elektrokjemisk vurdere en symmetrisk ikke-vandig organisk redoks flyt batteri og for å diagnostisere tilstanden omkostninger ved hjelp FTIR.
Redox flyt batterier har blitt regnet som en av de mest lovende stasjonære energi lagringsløsninger for å forbedre påliteligheten av kraftnettet og distribusjon av fornybare energiteknologier. Blant de mange strømningsbatterikjemi, ikke-vandige strømnings batterier har potensial til å oppnå høy energitetthet på grunn av de brede spennings Vinduer av ikke-vandige elektrolytter. Men betydelige tekniske hindringer eksisterer i dag begrenser ikke-vandige flyt batterier for å vise sitt fulle potensial, for eksempel lave redoks konsentrasjoner, lave driftsstrømmer, under-utforsket batteristatus overvåking, etc. I et forsøk på å løse disse begrensningene, vi nylig rapportert en ikke-vandige strømnings batteriet på grunnlag av en lett oppløselig, redoks-aktive, organiske nitronyl nitroksid-radikal forbindelse, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksyl-3-oksyd (ptio). Dette redoks materiale oppviser en ambipolar elektrokjemisk egenskap, og derfor kan tjene som både anolyte og katolytten redoks-materialer for å danne en symmetrisk strømnings batteri kjemi. Videre viste vi at Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi kan måle ptio konsentrasjoner under ptio flyten batteri sykling og tilbyr rimelig nøyaktig deteksjon av batteriets ladetilstand (SOC), som cross-validert av elektronspinn resonans (ESR) målinger . Heri presenterer vi en video protokoll for elektrokjemisk evaluering og SOC diagnose av ptio symmetrisk flyten batteri. Med en detaljert beskrivelse, vi eksperimentelt demonstrert rute for å oppnå slike formål. Denne protokollen tar sikte på å vekke flere interesser og innsikt i sikkerhet og pålitelighet innen ikke-vandige redox flyt batterier.
Redox flyte batterier lagre energi i flytende elektrolyttene som finnes i ytre reservoarer og pumpes til interne elektroder for å fullføre elektrokjemiske reaksjoner. Den lagrede energien og kraften kan dermed kobles fra fører til god design fleksibilitet, skalerbarhet og modularitet. Disse fordelene gjør flyt batterier godt egnet for stasjonære energilagring applikasjoner for å integrere rene ennå periodiske fornybar energi, øke grid utnyttelse og effektivitet, og forbedre energi fleksibilitet og sikkerhet. 1, 2, 3 tradisjonelle vannstrømnings batterier lider av begrenset energitetthet, hovedsakelig på grunn av den smale spenning vinduet for å unngå vannelektrolyse. 4, 5, 6, 7, 8 I motsetning til dette, ikke-aquelige elektrolytter basert flyt batterier blir mye forfulgt på grunn av potensialet for å oppnå høy cellespenning og høy energitetthet. 9, 10 I dette arbeidet har en rekke strømningsbatterikjemi blitt undersøkt, herunder metall-koordinasjonskomplekser, 11, 12 all-organisk, 13, 14 redokse polymerer, 15 og litium hybrid flow systemer. 16, 17, 18, 19
Men potensialet i ikke-vandige flyt batterier har ennå ikke fullt ut demonstrert på grunn av store tekniske flaskehals av begrenset demonstrasjonen etter flytbatteritekniske krav. Denne flaskehals er nært forbundet med et antall ytelsesbegrensende faktorer. Først,den lille oppløselighet av de elektroaktive materialer fører til levering lav energitetthet ved ikke-vandige strømnings celler. For det andre, er satsen evnen til ikke-vandige flyt batterier i stor grad begrenset av den høye elektrolytt viskositet og resistivitet ved relevante redox konsentrasjoner. Den tredje faktoren er mangel på høy ytelse membraner. Nafion og keramiske membraner vis lav ionisk ledningsevne med ikke-vandige elektrolytter. Porøse separatorer har vist bart strømningscelleytelse, men lide betydelig selvutladning på grunn av relativt stor porestørrelse. 14, 20 Vanligvis mixed-reaktant elektrolytter som inneholder både anolytt- og katolytt redoks materialer: er (1 1 ratio) brukes for å redusere Redox materialer crossover, som imidlertid ofrer de effektive redoks-konsentrasjoner, typisk med halvparten. 14, 21 Vinne den nevnte flaskehals krever forbedringer i materIALS oppdagelse, batteri kjemi design, og flyt celle arkitektur for å oppnå batteri relevant sykling.
Batteristatus overvåking er egentlig viktig for pålitelig drift. Off-normale forhold, inkludert charge, gassutvikling, og materialet degradering kan forårsake skader på batteriytelse og selv batterifeil. Spesielt for store strømnings batterier involverer store mengder batteri materialer, kan disse faktorene føre til alvorlige sikkerhetsproblemer og investeringer tap. Ladningstilstand (SOC) beskriver dybden av ladning eller utladning av strømnings batterier er en av de viktigste batteristatus parametre. Betimelig SOC overvåking kan oppdage potensielle farer før de når truende nivåer. Imidlertid synes dette området til å være under-adressert hittil, spesielt i ikke-vandige strømnings batterier. Spectrophotoscopic metoder som ultrafiolett-synlig (UV-vis) spektroskopi og elektrolyttkonduktivitetsmålinger har blitt evaluert i vandig flyt batte ry for SOC besluttsomhet. 22, 23, 24
Vi har nylig introdusert en ny symmetrisk ikke-vandig strømnings batteri design basert på en ny ambipolar redoks-materiale, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksyl-3-oksyd (ptio). 25 Denne flyten batteri holder løftet for å løse de nevnte utfordringene i ikke-vandige flyt batterier. For det første har ptio en høy oppløselighet (2,6 M) i batteriløsningsmiddel av acetonitril (MeCN) som er lovende for å muliggjøre en høy energitetthet. For det andre oppviser ptio to reversible redox-par som er moderat separert og således kan danne et symmetrisk batteri kjemi av seg selv. Vi har også vist at en identifiserbar ptio topp i FTIR-spektrene kan korreleres med konsentrasjonen av ureagert ptio i strømningscellen, noe som fører til spektroskopiske bestemmelse av SOC, som tverr validert av ESR resultater.lass = "xref"> 26 Her presenterer vi en protokoll for å utarbeide prosedyrer for elektro evalueringer og FTIR-baserte SOC diagnostikk av ptio symmetrisk flyten batteri. Dette arbeidet forventes å utløse mer innsikt i å opprettholde sikkerhet og pålitelighet under langsiktige flyt batteri drift, spesielt i den virkelige verden grid applikasjoner.
Som vi vist tidligere, er 25 FTIR stand til ikke-invasiv måte å detektere SOC av ptio strømnings batteriet. Som et diagnostisk verktøy, er FTIR spesielt fordelaktig på grunn av sin lett tilgjengelighet, rask reaksjon, lav pris, lite plassbehov, anlegg for elektronisk inkorporering, ikke detektor metning, og evnen til å korrelere strukturell informasjon for å undersøke molekylvidereutviklinger under strømning batteridrift. Figur 3e illustrerer en foreslått flyt batteri e…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble finansielt støttet av Joint Senter for Energy Storage forskning (JCESR), Energy Innovation Hub finansiert av US Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences. Forfatterne erkjenner også Journal of Materials Chemistry A (en Royal Society of Chemistry journal) for opprinnelig publisere denne forskningen ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL er en multi-program nasjonalt laboratorium drives av Battelle for DOE under kontrakt DE-AC05-76RL01830.
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 |