Um protocolo para eletroquímicos Avaliações e estado de carga Diagnostics de um fluxo Redox Battery Symmetric Organic

Summary

Apresentam-se os protocolos para a avaliação electroquimicamente uma bateria de fluxo redox orgânico não aquoso e simétrica para diagnosticar seu estado de carga com FTIR.

Abstract

baterias de fluxo redox têm sido considerados como uma das soluções de armazenamento de energia estacionários mais promissoras para melhorar a confiabilidade da rede elétrica ea implantação de tecnologias de energia renovável. Entre os muitos tipos de baterias de fluxo, baterias de fluxo não-aquosos têm o potencial para atingir uma elevada densidade de energia por causa das janelas amplas tensão de electrólitos não-aquosos. No entanto, existem obstáculos técnicos importantes atualmente limitando baterias de fluxo não aquosos para demonstrar todo o seu potencial, tais como baixas concentrações redox, correntes de operação baixos, sub-explorado bateria monitoramento de status, etc. Em uma tentativa de resolver estas limitações, que recentemente reportou um bateria de fluxo não-aquosa de base de um composto orgânico nitronil nitróxido altamente solúvel, redox-activo radical, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxil-3 -óxido (PTIO). Este material exibe uma propriedade redox ambipolar electroquímica e, portanto, pode servir tanto como anolytE e materiais católito redox para formar uma bateria química fluxo simétrica. Além disso, demonstramos que transformada de Fourier espectroscopia no infravermelho (FTIR) poderia medir as concentrações Ptio durante o ciclismo PTIO bateria fluxo e oferecer detecção razoavelmente preciso do estado de carga da bateria (SOC), como cross-validado por ressonância magnética eletrônica (ESR) medições . Aqui apresentamos um protocolo de vídeo para o diagnóstico de avaliação e SOC eletroquímica da bateria fluxo simétrica PTIO. Com uma descrição detalhada, demonstrada experimentalmente a rota para alcançar tais fins. Este protocolo visa despertar mais interesses e percepções sobre a segurança e fiabilidade no domínio das baterias de fluxo redox não aquosos.

Introduction

Redox fluir baterias armazenam energia em eletrólitos líquidos que estão contidos nos reservatórios externos e são bombeados para eletrodos internos para completar reações eletroquímicas. A energia armazenada e poder podem, assim, ser dissociado levando a excelente flexibilidade de design, escalabilidade e modularidade. Essas vantagens fazem baterias de fluxo adequado para aplicações de armazenamento de energia estacionários para a integração de energias renováveis ​​ainda intermitente limpo, aumentando a utilização dos ativos de rede e eficiência, e melhorando a resiliência e segurança energética. ^{1, 2, 3} baterias de fluxo aquosos tradicionais sofrem de densidade de energia limitada, principalmente devido à janela de tensão estreita para evitar a electrólise da água. ^{4, 5, 6, 7, 8} Em contraste, não-aqueelectrólitos ous baterias de fluxo de base estão a ser amplamente adoptada pelo facto de o potencial para alcançar alta tensão e de células de alta densidade energética. ^{9, 10} Nesses esforços, uma variedade de tipos de baterias de fluxo foram investigadas, incluindo complexos metal-coordenação, ^{11, 12} totalmente orgânico, ^13, polímeros activos ¹⁴ redox, ¹⁵ e sistemas de fluxo híbrido lítio. ^{16, 17, 18, 19}

No entanto, o potencial das baterias de fluxo não-aquosas ainda não foi plenamente demonstrada devido à grande gargalo técnico da demonstração limitada em condições de bateria relevantes de fluxo. Este gargalo está intimamente associada com um número de factores de limitação de desempenho. Primeiro,a pequena solubilidade da maioria dos materiais electroactivos leva a entrega de energia de baixa densidade por células de fluxo não-aquosas. Em segundo lugar, a capacidade de velocidade de baterias de fluxo não-aquosa é em grande parte limitada pela viscosidade electrólito elevado e resistividade em concentrações relevantes redox. O terceiro elemento é a falta de membranas de alta performance. Nafion e membranas cerâmicas apresentam baixa condutividade iônica com eletrólitos não aquosos. separadores porosos têm demonstrado desempenho célula de fluxo decente, mas sofrem considerável de auto-descarga por causa do tamanho relativamente grande do poro. ^{14, 20} Tipicamente, electrólitos mista-reagente contendo ambos os materiais de anólito e de católito redox (proporção 1: 1) são usados para reduzir os materiais de redox de cruzamento, no entanto, que as concentrações sacrifica redox eficazes, tipicamente para metade. ^{14, 21} Superando o gargalo acima referido exige melhorias na materIALS descoberta, design química da bateria, e arquitetura célula de fluxo para alcançar ciclismo bateria de relevante.

monitorização do estado da bateria é essencialmente importante para as operações confiáveis. Off-normais condições, incluindo a sobrecarga, a evolução de gás e degradação do material pode causar danos ao desempenho da bateria e até mesmo falha da bateria. Especialmente para baterias de fluxo em grande escala envolvendo grandes quantidades de materiais de bateria, esses fatores podem causar problemas graves de segurança e perda de investimento. Estado de carga (SOC) que descreve a profundidade de carga ou descarga de baterias de fluxo é um dos mais importantes parâmetros de status da bateria. monitoramento SOC oportuna pode detectar riscos potenciais antes que eles atinjam níveis ameaçadores. No entanto, esta área parece ser sub-destinatários medida, especialmente em baterias de fluxo não-aquosas. Spectrophotoscopic métodos, tais como raios ultravioleta-visível (UV-VIS) e medições de espectroscopia de condutividade de electrólito foram avaliadas em batte fluxo aquoso RY para determinação SOC. ^{22, 23, 24}

Recentemente, introduziu um novo design não-aquosa simétrica bateria de fluxo baseado em um novo material redox ambipolar, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxil-3 -óxido (PTIO). ²⁵ Esta bateria de fluxo mantém a promessa de enfrentar os desafios acima mencionados de baterias de fluxo não-aquosas. Em primeiro lugar, PTIO tem uma alta solubilidade (2,6 M) no solvente da bateria de acetonitrilo (MeCN) que é promissor para permitir que uma elevada densidade de energia. Em segundo lugar, PTIO apresenta dois pares redox reversível que são moderadamente separados e, portanto, pode formar uma química da bateria por si só simétrica. Nós também têm demonstrado que um pico PTIO distinguível no espectro de FTIR pode ser correlacionada com a concentração de PTIO que não reagiu na célula de fluxo, o que leva a espectroscópicas determinação do SOC, como cross-validada pelos resultados ESR.lass = "xref"> 26 Aqui apresentamos um protocolo para a elaboração de procedimentos para as avaliações eletroquímicos e diagnósticos SOC baseados em FTIR da bateria de fluxo simétrica PTIO. Este trabalho é esperado para acionar mais conhecimentos na manutenção da segurança e confiabilidade durante as operações de baterias de fluxo de longo prazo, especialmente em aplicações de rede do mundo real.

Protocol

Nota: Todas as preparações de soluções, voltametria cíclica ensaios (CV), e o fluxo de montagem de pilha e os testes foram realizados numa caixa de luvas cheia de árgon, com água e O 2 níveis inferiores a 1 ppm. 1. Electrochemical Evaluations de Células PTIO Fluxo Teste CV Lustrar um eletrodo de carbono vítreo com 0,05 mm de gama alumina em pó, lave-o com água deionizada, colocá-lo em sob vácuo à temperatura ambiente durante a no…

Representative Results

As vantagens únicas do sistema de bateria de fluxo simétrica PTIO são altamente atribuído às propriedades eletroquímicas de PTIO, um composto orgânico radical nitróxido. PTIO pode ser submetido a reacções de desproporcionação electroquímicos para formar PTIO + e PTIO – (Figura 2a). Estes dois pares redox são moderadamente separadas por um intervalo de voltagem de 1,7 V ~ (Figura 2b) e pode ser usado tanto como anólito…

Discussion

Como foi demonstrado anteriormente, ²⁵ FTIR é capaz de detectar de forma não invasiva o SOC da bateria de fluxo PTIO. Como uma ferramenta de diagnóstico, FTIR é particularmente vantajoso devido à sua fácil acessibilidade, resposta rápida, de baixo custo, pequena necessidade de espaço, facilidade para incorporação em linha, sem saturação detector, e a capacidade de correlacionar informações estruturais para investigar evoluções moleculares durante a operação da bateria de fluxo. …

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