Ett protokoll för Elektro Utvärderingar och laddningstillstånd Diagnostik av en Symmetrisk Organic Redox Flow Batteri

Summary

Vi presenterar de protokoll för elektro utvärdera en symmetrisk icke-vattenhaltiga organiska redox flöde batteri och för att diagnostisera dess laddningstillstånd med hjälp av FTIR.

Abstract

Redox flöde batterier har ansetts som en av de mest lovande stationära energilagringslösningar för att förbättra tillförlitligheten i elnätet och användning av förnybar energi. Bland de många flödesbatteri kemiska, icke-vatten flöde batterier har potential att uppnå hög energitäthet på grund av de breda spännings fönstren i icke-vattenbaserade elektrolyter. Det finns dock betydande tekniska hinder för närvarande begränsa icke-vatten flöde batterier för att demonstrera sin fulla potential, såsom låga redox koncentrationer låga driftströmmar, undersökte övervakningsbatteristatus, etc. I ett försök att ta itu med dessa begränsningar, nyligen rapporterat vi en icke vattenhaltig flödesbatteri baserat på en lättlöslig, redox-aktiv organisk nitronyl nitroxid radikal förening, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxid (PTIO). Detta redox material uppvisar en ambipolar elektrokemisk egenskap, och därför kan fungera som både Anolyte och katolyt redox material för att bilda en symmetrisk flödesbatteri kemi. Dessutom visade vi att Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi kunde mäta PTIO koncentrationer under PTIO flödesbatteri cykling och erbjuder någorlunda korrekt detektering av batteriets laddningstillstånd (SOC), som kors valideras av elektronspinnresonans (ESR) mätningar . Häri presenterar vi en video protokoll för elektro utvärdering och SOC diagnos av PTIO symmetrisk flödesbatteri. Med en detaljerad beskrivning, experimentellt demonstrerade vi vägen för att uppnå sådana syften. Detta protokoll syftar till att väcka fler intressen och insikter om säkerhet och tillförlitlighet när det gäller icke-vatten redox flöde batterier.

Introduction

Redox flöde batterier lagra energi i flytande elektrolyter som finns i externa reservoarer och pumpas till interna elektroder för att slutföra elektrokemiska reaktioner. Den lagrade energi och effekt kan sålunda frikopplas vilket leder till utmärkt design flexibilitet, skalbarhet och modularitet. Dessa fördelar gör flöde batterier väl lämpade för stationära energilagrings applikationer för att integrera rena ännu intermittenta förnybara energikällor, ökad rutnät utnyttjande av tillgångar och effektivitet, samt förbättra energi elasticitet och säkerhet. ^{1, 2, 3} traditionella vatten flöde batterier lider av begränsad energitäthet, främst på grund av den smala spänningsfönstret för att undvika vatten elektrolys. ^{4, 5, 6, 7, 8} I motsats därtill icke-aqueka elektrolyter baserade flöde batterier i stor utsträckning bedrivs på grund av risken för att uppnå hög cellspänning och hög energitäthet. ^{9, 10} I dessa ansträngningar, har en mängd olika flödesbatteri kemiska undersökts, inklusive komplex metall-koordinations, ^{11, 12} Ekologisk, ^{13, 14} redoxaktiva polymerer, ¹⁵ och litiumhybridflödessystem. ^{16, 17, 18, 19}

Men potentialen för icke-vatten flöde batterier har ännu inte fullständigt klar på grund av den större tekniska flaskhalsen begränsad demonstration enligt flödesbatteri relevanta förhållanden. Denna flaskhals är nära förknippat med ett antal prestations begränsande faktorer. Först,den lilla lösligheten av de flesta elektro material leder till låg densitet leverans energi genom icke-vattenflödesceller. För det andra är det hastighetsförmåga av icke-vatten flöde batterier till stor del begränsas av den höga elektrolyten viskositet och resistivitet vid relevanta redox koncentrationer. Den tredje faktorn är bristen på högpresterande membran. Nafion och keramiska membran visar låg jonkonduktivitet med icke-vattenbaserade elektrolyter. Porösa separatorer har visat hygglig flödescellprestanda, men uppleva betydande självurladdning på grund av relativt stor porstorlek. ^{14, 20} typiskt blandad reagerande elektrolyter, som innehåller både anolyt- och katolyt redox material: är (1 1 ratio) används för att minska crossover redox material, som dock offrar de effektiva redox koncentrationer, typiskt med hälften. ^{14, 21} övervinna den ovan nämnda flaskhals krävs förbättringar i materIALS upptäckt, batterikemi design och flödescell arkitektur för att uppnå batteri relevant cykling.

övervakning batteristatus är i huvudsak viktigt för säker drift. Off-normala förhållanden, inklusive överladdning, gasutveckling och material nedbrytning kan orsaka skador på batteriprestanda och även batterifel. Speciellt för storskaliga flöde batterier med stora mängder batterimaterial, kan dessa faktorer orsaka allvarliga säkerhetsproblem och investeringar förlust. Laddningstillstånd (SOC) beskriver djupet av laddning eller urladdning av flöde batterier är en av de viktigaste batteristatusparametrar. Tid SOC övervakning kan upptäcka potentiella risker innan de når hotfulla nivåer. Dock verkar vara under åtgärdas så långt, särskilt i icke-vattenbaserade flöde batterier detta område. Spectrophotoscopic metoder såsom ultraviolett-synligt (UV-vis) spektroskopi och elektrolyt konduktivitetsmätningar har utvärderats i vattenhaltiga flödet batte ry för SOC bestämning. ^{22, 23, 24}

Vi har nyligen infört en ny symmetrisk icke-vattenflödesbatteri design baserad på en ny ambipolar redox material, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxid (PTIO). ²⁵ Detta flöde batteri håller löftet att ta itu med de ovan nämnda utmaningarna för icke-vatten flöde batterier. För det första har PTIO hög löslighet (2,6 M) i batteri lösningsmedel acetonitril (MeCN) som är lovande för att möjliggöra en hög energitäthet. För det andra, PTIO uppvisar två reversibla redoxpar som måttligt separeras och därmed kan bilda en symmetrisk batteri kemi av sig själv. Vi har också visat att en urskiljbar PTIO topp i FTIR-spektra kan korreleras med koncentrationen av oreagerad PTIO i flödescellen, vilket leder till spektroskopiska bestämningen av SOC, som tvär valideras av ESR resultat.lass = "xref"> 26 Här presenterar vi ett protokoll för att utveckla förfaranden för elektro utvärderingar och FTIR-baserade SOC diagnostik av PTIO symmetrisk flödesbatteri. Arbetet förväntas utlösa fler insikter i att upprätthålla säkerheten och tillförlitligheten vid långsiktiga flödes batteridrift, särskilt i verkliga tillämpningar grid.

Protocol

Obs: Alla beredningar lösning, cyklisk voltametri (CV) test, och flödescellenhet och tester utfördes i en argon-fylld handskbox med vatten och O 2 nivåer som är mindre än 1 ppm. 1. Elektro Utvärderingar av PTIO flödesceller CV Test Polera ett glasartat kolelektrod med 0,05 | j, m gamma-aluminiumoxidpulver, spola den med avjoniserat vatten, lägga den i under vakuum vid rumstemperatur över natten, och överföra den in i en handskbox. <…

Representative Results

De unika fördelarna med den symmetriska PTIO flödesbatterisystem är i hög grad tillskrivas till de elektrokemiska egenskaperna hos PTIO, en organisk nitroxid radikal förening. PTIO kan genomgå elektro disproportioneringsreaktioner att bilda PTIO + och PTIO – (figur 2a). Dessa två redoxpar är måttligt åtskilda av ett spännings gap på ~ 1,7 V (figur 2b) och kan användas som både anolyt- och katolyt redox material i en sy…

Discussion

Som vi visat tidigare är ²⁵ FTIR kan icke-invasivt detektera SOC av PTIO flödesbatteri. Som ett diagnostiskt verktyg, är FTIR särskilt fördelaktig på grund av dess lätt tillgänglighet, snabb respons, låga kostnader, små utrymmeskrav, anläggning för online-inkorporering, ingen detektor mättnad och förmågan att korrelera strukturell information för att undersöka molekylära förändringarna under flödes batteridrift. Figur 3e visar en föreslagen flödesbatteriano…

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