Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Протокол для гальванических оценок и состояние заряда диагностики Симметричный органических Редокс Flow Батарея

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

Мы представляем протоколы для электрохимически оценки симметричного неводного органического батареи редокс-потока и для диагностики его состояния заряда с использованием FTIR.

Abstract

батареи потока Редокс рассматривались в качестве одного из наиболее перспективных стационарных решений хранения энергии для повышения надежности энергосистемы и внедрения технологий использования возобновляемых источников энергии. Среди многочисленных потоков химических батарей, неводные батареи потока имеют потенциал для достижения высокой плотности энергии из-за широких окон напряжения неводных электролитов. Однако значительные технические препятствия существуют в настоящее время ограничивая неводные батареи потока , чтобы продемонстрировать весь свой потенциал, такие как низкие концентрации окислительно - восстановительных, низкие рабочие токи, батареи мониторинга состояния при изученным и т.д. В попытке устранить эти ограничения, мы недавно сообщила неводные батареи потока на основе сильно растворимым, редокс-активные органические nitronyl нитроксильного радикала соединения, 2-фенил-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-оксид-3-оксид (ФТИО). Этот материал имеет окислительно-восстановительный потенциал амбиполяр- электрохимическое свойство, и, следовательно, может служить в качестве как анолитове и католита окислительно-восстановительные материалы, чтобы сформировать симметричный химический состав батареи потока. Более того, мы показали, что преобразование Фурье инфракрасного (FTIR) спектроскопия позволяет измерять концентрации Ptio во время езды на велосипеде батареи ФТИО потока и предлагают достаточно точное определение состояния заряда батареи (SOC), в перекрестной проверке методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) измерений , Здесь мы представляем видео протокол для электрохимической оценки и СОВ диагностики батареи симметричного течения Ptio. С подробным описанием, мы экспериментально показали путь для достижения таких целей. Этот протокол направлен на искру больше интересов и представление о безопасности и надежности в области неводных батарей окислительно-восстановительного потока.

Introduction

Redox Поток батареи сохранять энергию в жидких электролитов, которые содержатся во внешних резервуарах и закачивают внутренних электродов для завершения электрохимических реакций. Накопленная энергия и мощность, таким образом, может быть развязан приводит к превосходной гибкости конструкции, масштабируемости и модульности. Эти преимущества делают батареи потока хорошо подходит для стационарного применения накопителей энергии для интеграции чистых пока прерывистый возобновляемых источников энергии, повышение эффективности использования активов сетки и эффективности, а также повышение энергетической устойчивости и безопасности. 1, 2, 3 Традиционные водные батареи потока страдают от ограниченной плотности энергии, в основном из - за узкого окна напряжения , чтобы избежать электролиз воды. 4, 5, 6, 7, 8 В отличие от этого , не Aqueленные электролиты на основе потока батареи широко преследовали из-за возможности для достижения высокого напряжения ячейки и высокую плотность энергии. 9, 10 В этих усилий, разнообразие потока химических батарей были исследованы, в том числе металл-координационных комплексов, 11, 12 все-органические, 13, 14 редокс - активных полимеров, 15 и гибридных систем потока лития. 16, 17, 18, 19

Тем не менее, потенциал неводных батарей потока до сих пор не в полной мере продемонстрировал в связи с крупной технической узким местом ограниченной демонстрации в потоке аккумуляторных соответствующих условиях. Это узкое место тесно связано с целым рядом характеристик ограничивающих факторов. Первый,малая растворимость большинства электроактивных материалов приводит к доставке низкой плотности энергии по неводных проточных кювет. Во-вторых, способность скорость неводных батарей потока в значительной степени ограничивается высокой вязкостью электролита и удельным сопротивлением при соответствующих концентрациях, окислительно-восстановительными. Третьим фактором является отсутствие высокопроизводительных мембран. Nafion и керамические мембраны демонстрируют низкую ионную проводимость с неводных электролитов. Пористые сепараторы демонстрируют хорошую производительность потока клеток, но страдают значительный саморазряд из-за относительно большого размера пор. 14, 20 Как правило, смешанный-реагирующие электролиты , содержащие как анолита и католита окислительно - восстановительных материалов (соотношение 1: 1) используются для снижения окислительно - восстановительных материалов кроссовер, который , однако , жертвует эффективные концентрации окислительно - восстановительные, как правило , в два раза. 14, 21 Преодоление вышеупомянутого узкое место требует улучшения матерМОГВ открытие, дизайн химии батареи, и проточная ячейка архитектура для достижения батареи релевантных езда на велосипеде.

Контроль состояния батареи принципиально важно для надежной работы. Off-нормальные условия, включая завышенную, газовыделения и деградации материала может причинить вред производительности батареи и даже батареи отказа. Специально для крупномасштабных аккумуляторов потока с участием большого количества аккумуляторных материалов, эти факторы могут вызвать серьезные проблемы безопасности и потери инвестиций. Состояние заряда (SOC), описывающего глубину зарядки или разрядки батарей потока является одним из наиболее важных параметров состояния батареи. Своевременное мониторинг SOC может обнаруживать потенциальные риски, прежде чем они достигают угрожающих уровней. Тем не менее, эта область, как представляется, под адресацией до сих пор, особенно в неводных батарей потока. Spectrophotoscopic методы, такие как ультрафиолетовой и видимой (UV-VIS) Измерения спектроскопии и проводимости электролита были оценены в водном Батт потока гу для определения SOC. 22, 23, 24

Мы недавно ввели новый симметричный неводного конструкции батареи потока на основе новой биполярной окислительно-восстановительного материала, 2-фенил-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-оксид-3-оксид (ФТИО). 25 Данная аккумуляторная батарея поток держит обещание для решения вышеупомянутых проблем неводных батарей потока. Во-первых, ФТИО имеет высокую растворимость (2,6 М) в батарейном растворителе из ацетонитрила (MeCN), который обещает дать высокую плотность энергии. Во-вторых, ФТИО имеет два обратимых окислительно-восстановительные пары, которые умеренно разделены и, таким образом, могут образовывать симметричный химию батареи сама по себе. Мы также показали, что различимый пик ФТИО в спектрах FTIR может коррелировать с концентрацией непрореагировавшего ФТИО в проточную кювету, что приводит к спектроскопическим определение SOC, в качестве перекрестной проверки по результатам СОЭ.деваха = "Xref"> 26 Здесь мы приводим протокол для разработки процедур для электрохимических оценок и SOC диагностики батареи симметричного течения Ptio FTIR основе. Эта работа, как ожидается, чтобы вызвать больше понимания в поддержании безопасности и надежности во время длительных операций батареи потока, особенно в реальных приложениях сетки.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Примечание: Все препараты раствор, циклической вольтамперометрии (CV) тестов, а также поток монтажных работ и испытаний ячейки были проведены в перчаточном боксе , заполненной аргоном с 2 уровнями воды и O менее 1 части на миллион.

1. Электрохимический оценки клеток ФТИО Flow

  1. CV Test
    1. Польский стекловидную электрод углерода с порошком гамма 0,05 мкм глинозема, промойте его деионизованной водой, поместить его в вакууме при комнатной температуре в течение ночи, и передать его в перчаточном боксе.
    2. Растворите нитрат серебра (8,5 мг) с MeCN (5 мл) в перчаточном ящике, то есть, 10 мМ AgNO 3. Добавить раствор в стеклянную трубку из серебра / серебро эталонного электрода нитрат.
    3. Собрать стеклоуглерода рабочий электрод, графитовый войлок полосы противоэлектрода, и серебро / серебро эталонный электрод нитрата на 25 мл трехгорлой грушевидную колбу.
    4. Растворите ФТИО (52 мг) и тетрабутиламмоний hexafluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 г) в MeCN (1,10 г), то есть, 0,1 М ФТИО / 1,0 М TBAPF 6. Добавить раствор в колбу, чтобы погрузить кончики трех электродов.
    5. Подключение электродов к электрохимическому рабочей станции. Измерьте кривые CV в диапазоне напряжений от -1.75-0.75 V при скорости сканирования 100 мВ / с. Определить теоретический напряжение элемента батареи Ptio потока потенциальным зазор между двумя окислительно-восстановительными парами.
      Примечание: Следует отметить , что Ag / Ag + конфигурации электрода сравнения является псевдо-Электрод по своей природе. В результате окислительно-восстановительных пиков может сместиться во время длительных измерений CV. Тем не менее, такой сдвиг обычно имеет нерадивого влияние на разрыв напряжения между окислительно-восстановительные пары, и не будет влиять на значение напряжения элемента.
  2. Проточная ячейка в сборе
    1. Нарезать графита войлок к площади 1 х 10 см 2 с использованием лезвия бритвы. Точно так же, вырезать пористый Сенarator на площади 3 х 12 см 2.
    2. Сухой части батареи потока (клеточные отсеков, трубы, 5 мл стеклянных флаконах, графитовые войлоки, и пористый сепаратор) в вакуумной печи при 70 ° С в течение ночи, переместить их в перчаточном боксе, и охлаждают до температуры окружающей среды.
    3. Соберите части ячейки потока в порядке торцевой пластины, коллектора тока медной пластины, полуэлементе, графитовый войлок, прокладка, пористый сепаратор, графитовый войлок, полуэлементе, коллектор тока медной пластины; торцевая пластина. Закрепить узел с восемью болтами с резьбой против двух торцевых пластин с помощью динамометрического ключа, предварительно установленный в размере 125 фунтов на дюйм. Подсоедините трубки потока электролита в проточную ячейку. Сборка ячейки показана на рисунке 1.
  3. Демонстрация Симметричная электрохимии
    1. Соберите проточную ячейку в соответствии с разделом 1.2. Растворите ФТИО (10 мг) и TBAPF 6 (3,3 г) с MeCN (4,4 г) в Глове окно, то есть, 5,0 мМ ФТИО / 1,0 М TBAPF 6. Добавляют 4 мл раствора в каждой из двух стеклянных флаконов. Насос электролиты течь с использованием перистальтического насоса при скорости потока 20 мл / мин.
    2. Подключите положительные и отрицательные токоприемники ячейки потока к тестеру батареи. Зарядить проточную кювету при постоянной плотности тока 5 мА / см 2 , пока напряжение достигло 1,9 В. Остановите зарядку. Откачать электролиты в стеклянные флаконы.
    3. Смешайте 1 мл положительный электрод при 1 мл отрицательного электролита в отдельном флаконе. В настоящее время существуют четыре электролиты: оригинал, положительный, отрицательный, и смешанный.
    4. Измерение электронного спинового резонанса (ESR) спектр вышеуказанных четырех электролитов. 25
      1. С помощью трубки герметика, уплотнение небольшое количество (~ 10 мкл) положительного и отрицательного в PTFE трубки (1/16 "OD и 1/32" ID) на обоих концах, а затем запечатать его в кварцевой трубке ESR (4 диаметр мм).
      2. Установите трубку ESR к ЭПР-спектрометр, снабженный SHQE резонатор с СВЧ ~ 9,85 ГГц (Х диапазон).
      3. Собирают спектр ЭПР для четырех электролитов в разделе 1.3.3.
  4. Flow Cell Test
    1. Соберите проточную ячейку, следуя указаниям Раздел 1.2.
    2. Растворите ФТИО (1,05 г) и TBAPF 6 (3,50 г) с MeCN (3,60 г) в перчаточном ящике, то есть 0,5 М ФТИО / 1,0 М TBAPF 6. Добавляют 4 мл раствора в каждый флакон стекла. Поток электролитов на 20 мл / мин.
    3. Подключите положительные и отрицательные токоприемники проточной ячейки для электрохимической рабочей станции. Измерьте сопротивление ячейки потока в диапазоне частот от 100 кГц до 1 Гц при потенциале разомкнутой цепи. Вычислить площадь-удельное сопротивление (ASR) путем умножения омическое сопротивление (высокочастотный импеданс) по активной области проточной ячейки.
    4. Подключите положительный и отрицательный текущий седловинылекторы ячейки потока к тестера батареи. Настройте отсечек напряжения от 0,8 до 2,2 В и постоянного тока 20 мА · см -2 в программном обеспечении работы от батареи. Несколько раз заряда / разряда ячейки потока ФТИО.

2. Определение SOC на основе ИК-Фурье

  1. FTIR Целесообразность Validation
    1. Подготовьте следующие три растворов электролита в перчаточном ящике: (а) MeCN (0,50 г); (б) TBAPF 6 (0,23 г) с MeCN (0,30 г), то есть, 1,0 М TBAPF 6; (с) ФТИО (75 мг) и TBAPF 6 (0,25 г) с MeCN (0,26 г), то есть, 0,5 М ФТИО / 1,0 М TBAPF 6.
    2. Мера FTIR для трех растворов электролита.
      1. Добавление небольшого объема (~ 0,05 мл) каждого раствора в герметичную FTIR камере с окнами из КВг и длиной пути 0,2 мм. Уплотнение ячейки FTIR.
      2. Поместите ячейку FTIR в емкость для хранения и передачи его из коробки с перчатками.
      3. Быстро МОДнт ячейки FTIR к спектрометре и собрать спектр FTIR.
    3. Соберите проточную ячейку, следуя указаниям Раздел 1.2.
    4. Растворите ФТИО (1,05 г) и TBAPF 6 (3,50 г) с MeCN (3,60 г) в перчаточном ящике, то есть 0,5 М ФТИО / 1,0 М TBAPF 6. Добавляют 4 мл раствора в каждый флакон стекла. Поток электролитов на 20 мл / мин.
    5. Полностью зарядите ячейку потока до тех пор, пока напряжение не достигнет 2,2 В. Остановка зарядки и насос.
    6. Измерение спектров FTIR для положительных и отрицательных электролитов, соответственно, следуя процедуре, описанной в разделе 2.1.2.
    7. Подготовить ряд решений Ptio (0,05-0,5 М) в 1,0 М TBAPF 6 в MeCN в перчаточном ящике с композициями в таблице 1.
    8. Измеряют спектр FTIR для каждого из растворов в Разделе 2.1.6, следуя процедуре, описанной в разделе 2.1.2.
  2. ИК - Фурье Измерение SOC
    1. Соберите проточную ячейку Following Раздел 1.2.
    2. Растворите ФТИО (2,9 г) и TBAPF 6 (9,6 г) с MeCN (9,8 г) в перчаточном ящике, то есть 0,5 M ФТИО / 1,0 М TBAPF 6. Добавьте 11 мл раствора в каждой из двух стеклянных флаконов. Поток электролитов на 20 мл / мин.
    3. Зарядка проточную кювету при постоянном токе 10 мА / см 2 , при скорости потока 20 мл / мин.
    4. В то время зарядки от 0, 18, 36, 54 и 72 мин, остановить заряд клеток и поток электролита, принимать небольшие аликвоты (0,2 мл) электролитов из анолита и католита боковых стеклянных флаконах, а затем возобновить ячейку.
    5. Измеряют спектр FTIR для вышеуказанных пяти образцов аликвот, следуя процедуре, описанной в разделе 2.1.2.
    6. Измерьте спектр ЭПР для вышеуказанных пяти образцов аликвот, следуя процедуре, описанной в разделе 1.3.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Уникальные преимущества симметричной системы батареи потока Ptio высоко приписывается электрохимические свойства ФТИО, органический нитроксильного радикального соединения. ФТИО может претерпевать электрохимические реакции диспропорционирования с образованием ФТИО + и ФТИО - (рис 2а). Эти две окислительно - восстановительные пары умеренно разделены зазором напряжения ~ 1,7 В (рис 2b) и может быть использован и как анолита и католита окислительно - восстановительных материалов в симметричном химии батареи. Использование ФТИО в качестве окислительно-восстановительного материала, может устранить потребность в смесительно-реагирующих электролитов и обеспечивают высокую эффективные концентрации окислительно-восстановительными.

Реакция между Ptio + и ФТИО - спонтанно регенерирует первоначальную ФТИО, о чем свидетельствует восстановление сигнала ЭПР ФТИО после смешивания ФТИО + и ФТИО - при равном молярном Concentrations (рис 2в). В этой батарее потока, кроссовер заряженных частиц Ptio (ФТИО + или Ptio -) не приводит к несопоставимых химических веществ и потери материала, что приводит к минимальному необратимого кроссовером. Клетка поток ФТИО доставлены приличные эффективность езды на велосипеде при концентрации окислительно-восстановительной 0,5 М ФТИО и с током 20 мА / см; средний коэффициент кулоновского (КЭ) из ~ 90%, коэффициент полезного действия напряжения (VE) на 67%, а эффективность использования энергии (ЭЭ) 60% , были получены (Рисунок 2d). Низкий уровень VE был зарегистрирован относительно высокой клеточной ASR 21,2 Ом см 2 , который был тесно связан с ограниченной ионной проводимостью при такой высокой концентрации электролита. Несмотря на способность выцветания, измерительная ячейка ФТИО продемонстрировала операционной концентрации окислительно-восстановительного материала, плотности тока, и эффективность клеток значительно выше, чем у многих других неводных РРО, который, как правило, около циклически 0,1 М концентрации, при плотности тока менее тхань 0,5 мА / см 2, и / или EES не выше 50%. 27, 28, 29, 30

ИК - Фурье успешно подтверждена его квалификацию в качестве подходящего инструмента SOC-диагностики для батареи Ptio потока, из - за характерного пика ИК - Фурье при 1218 см -1 , что предположительно соответствует отсутствие св зи. 31 Во- первых, поддерживая MeCN растворитель и TBAPF 6 соли производят незначительные пики помех в этом положении (рис 3а). Во- вторых, ИК - Фурье выделяет среди трех окислительно - восстановительных видов ФТИО, особенно с исчезновением этого пика для Ptio + на стороне католита (фигура 3В). В- третьих, интенсивность (T) этого пика показывает сильную зависимость от концентрации Ptio (рис 3С и врезку), т.е. линейный -log (Т)по сравнению с [ФТИО] стандартное соотношение (уравнение 1) получают в соответствии с Законом о Ламберта-Бера:
Уравнение (1)

Пять проб , взятых из аликвоты стороны католита (рис 4а) , были использованы для определения SOC проточной ячейки Ptio. Поскольку время зарядки исходила из образца # 0 до # 4, интенсивность 1218 см -1 пика непрерывно снижается за счет потребления ФТИО (4б); так был сигнал ЭПР (рис 4в). Концентрации непрореагировавших ФТИО в этих образцах были получены с помощью интенсивностей ИК - Фурье этих 1,218 см -1 пика в соответствии с уравнением 2, который затем был использован для вычисления SOC следующее уравнение 2. Как показано на фиг.4D, такие полученные [ФТИО] и SOC этих образцов находятся в хорошем согласии с измерениями СОЭ, которая, как представляется хорошей перекрестной проверки.
(2)

Детали и сборка проточной ячейки , используемой в данном исследовании, показаны на рисунке 1. Электрохимические характеристики симметричного батареи ФТИО потока, в том числе окислительно - восстановительных реакций, кривые CV, ESR валидации проектирования пользу симметричного и данные ячейки велосипедного потока, как показано на рисунке 2. Возможность проверки для использования FTIR в качестве подходящего метода для определения СЗ батареи Ptio потока показан на рисунке 3. ИК - Фурье на основе определения SOC, в том числе кривой напряжения проточной ячейки, СОВ , полученного из ИК - Фурье и перекрестной проверки методом ЭПР, а также предлагаемый онлайн система диагностики, показаны на рисунке 4.

Рисунок 1
Рисунок 1: Фотография проточной ячейки , как sembly. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2: производительность Электрохимическое ФТИО. (А) окислительно - восстановительные реакции ФТИО к Ptio + (католит сторона) и к ФТИО - (анолит сторона), соответственно; (Б) 500 циклов почти полностью перекрывается кривых ФТИО СV на стекловидный углеродный электрод; (С) спектров ЭПР показывает реакцию между Ptio + и ФТИО - регенерирует оригинал ФТИО; (D) создание велосипедного и эффективность ячейки потока 0,5 М Ptio. Эта цифра была изменена со ссылкой 25. получить = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3: Технико - экономическое обоснование для использования FTIR для определения СЗ батареи Ptio потока. (А) ИК - Фурье - спектры MeCN, 1,0 М TBAPF 6 в MeCN и 0,5 М ФТИО в 1,0 М TBAPF6 в MeCN; (Б) спектры FTIR из ФТИО, Ptio + и ФТИО - (0,5 М в 1,0 М TBAPF 6 в MeCN); (С) ИК - спектры стандартных Ptio растворов при 0,05 М до 0,5 М с 0,05 М интервалом. Эта цифра была изменена со ссылкой 25. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

pload / 55171 / 55171fig4.jpg "/>
Рисунок 4: ИК - Фурье на основе SOC диагностики. (А) кривая напряжение зарядки ячейки 0,5 М Ptio потока , показаны пять образцов аликвот (# 0, 1, 2, 3, 4) извлекают из ячейки во время зарядки; (Б) ИК - Фурье и (с) Спектры ЭПР пяти католит образцов аликвот; (D) не вступившие в реакцию концентрации Ptio и потока клеток SOC , полученные из измерений ИК - Фурье и перекрестной проверки с результатами измерений ЭСР; (Е) схематическое изображение устройства батареи потока включены с онлайн - мониторинга датчиков ИК - Фурье. Эта цифра была изменена со ссылкой 25. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

ФТИО Конц. (М) 0,05 0,1 </ TD> 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
MeCN 0,301 г 0,295 г 0,273 г 0,25 г 0,291 г 0,255 г 0,242 г 0,232 г 0,243 г 0,263 г
TBAPF 6 0,233 г 0,233 г 0,223 г 0,21 г 0,247 г 0,222 г 0,214 г 0,213 г 0,225 г 0,255 г
ФТИО 0,007 г 0,014 г 0,02 г 0.025 г 0,037 г 0,04 г 0,045 г 0,051 г 0,061 г 0,076 г

Таблица 1: Композиции стандартных растворов Ptio.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Как мы показали ранее, 25 ИК - Фурье способна неинвазивно обнаружения СЗ батареи Ptio потока. В качестве диагностического инструмента, ИК-Фурье является особенно предпочтительным из-за его легкой доступности, быстрой реакции, низкая стоимость, компактность, возможность подключения к онлайн-регистрации, отсутствие насыщения детектора, а также способность соотносить структурную информацию для исследования молекулярных эволюций во время автономной работы потока. Рисунок 3е иллюстрирует предлагаемое устройство батареи поток интегрирующую онлайн - датчики FTIR , что позволяет осуществлять мониторинг SOC в режиме реального времени для безопасной эксплуатации.

Для того, чтобы лучше реализовать протокол для электрохимической оценки и диагностики SOC ИК-Фурье на основе, среда воздуха свободной принципиально важно; в противном случае, вид окислительно - восстановительные в заряженном состоянии будет вступать в реакцию с O 2 или влаги приводит к деградации материала и неточных измерений SOC. Строго закрывающиеся клетки должны быть FTIRиспользуется, чтобы избежать воздушного контакта с электролитами. Кроме того, так как этот метод применим только для ИК-Фурье-чувствительных окислительно-восстановительных материалов, возможность проверки путем выявления хорошо различимые характеристические пики FTIR является важным шагом.

Учитывая ограниченную селективность мембран батареи, окислительно-восстановительный материал кроссовер является неизбежным для большинства батарей потока, которые, как правило, вызывает необратимую емкость выцветанию. В связи с этим, аккумулятор симметричный поток имеет потенциал, чтобы преодолеть этот недостаток. В батарее Ptio потока, любые виды кроссоверов будут преобразованы в оригинальной ФТИО. Теоретически, потери мощности, вызванные материала кроссовером может быть извлечена путем ремиксинга электролиты, аналогичные батарей ванадиевых потока. 32 Таким образом, симметричная конструкция батареи обещает развивать прочные, надежные системы хранения энергии. Основным ограничением для текущей системы Ptio является то , что ФТИО - (анолитсторона) не является достаточно стабильным из-за постепенно происходящих побочных реакций. Такой материал потеря объясняет способность замирания наблюдаемые в клетках потока Ptio. Разработка новых амбиполярными окислительно-восстановительных материалов с высокой химической стабильностью во всех состояниях окисления является будущее направление, чтобы продемонстрировать весь потенциал этой конструкции батареи.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Эта работа была выполнена при финансовой поддержке Объединенного центра энергетических исследований Storage (JCESR), Инновационного энергетического центра, финансируемого Департаментом энергетики США, Управление по науке, основные энергетические наук. Авторы также признают журнал Материалы химии А (Королевского химического общества журнала) для первоначально публикации этого исследования ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b~~HEAD=dobj ). PNNL является национальная лаборатория многопрофильным программа управляется Battelle для Министерства энергетики по контракту 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

Химия выпуск 120 аккумулятор окислительно-восстановительный поток неводной симметричное органическое состояние заряда ИК-Фурье
Протокол для гальванических оценок и состояние заряда диагностики Симметричный органических Редокс Flow Батарея
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