Elektrokimyasal Değerlendirmeleri ve Simetrik Organik Redoks Akış Pil Şarj Diagnostics Devlet için Protokol
Summary
Bu elektrokimyasal bir simetrik sulu olmayan organik redoks akışlı batarya değerlendirmek ve FTIR kullanılarak şarj durumunu teşhis etmek için protokoller mevcut.
Abstract
Redoks akış piller yenilenebilir enerji teknolojileri elektrik şebekesi ve dağıtım güvenilirliğini artırmak için en umut verici durağan enerji depolama çözümlerinden biri olarak kabul edilmiştir. Birçok akışlı batarya kimyaları arasında, sulu olmayan akış pil için sulu olmayan elektrolitlerin geniş gerilim pencere yüksek enerji yoğunluğu elde etmek için bir potansiyele sahiptir. Ancak, önemli teknik engel şu anda böyle bu sınırlamaları gidermek için bir girişim vb düşük redoks konsantrasyonları, düşük işletme akımları, altında keşfedilmeyi pil durum izleme olarak potansiyellerini tam olarak, göstermek için susuz akış piller sınırlayıcı var, biz son zamanlarda bildirilen bir yüksek derecede çözünür, redoks-aktif organik nitronyl nitroksit kökü bileşiğe göre sulu olmayan akışlı batarya, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksil-3-oksit (PTIO). Bu redoks materyali hem anolyt olarak kullanılabilir, bu nedenle, bir ambipolar elektrokimyasal özelliği sergiler veE ve katolit redoks malzemeleri simetrik akış pil kimyasını oluşturmak için. Ayrıca, biz Fourier PTIO akışlı batarya devir esnasında PTIO konsantrasyonlarını ölçmek olabilir kızılötesi (FTIR) spektroskopisi dönüşümü ve elektron spin rezonans (ESR) ölçümleri ile çapraz valide olarak, şarj (SOC) akü durumunun makul doğru algılama sunmak olduğunu göstermiştir . Bu yazıda PTIO simetrik akış pilin elektrokimyasal değerlendirme ve SOC tanı için bir video protokol mevcut. ayrıntılı bir açıklama ile, deneysel tür amaçlar elde etmek rotayı gösterdi. Bu protokol susuz redoks akış pilleri alanında güvenlik ve güvenilirlik konusunda daha fazla ilgi ve anlayış kıvılcım amaçlamaktadır.
Introduction
Redoks dış rezervuarlarda bulunan ve elektrokimyasal reaksiyonların tamamlanması için iç elektrotlara pompalanan sıvı elektrolit Pillerin enerji depolamak akar. depolanan enerji ve güç böylece mükemmel tasarım esnekliği, ölçeklenebilirlik ve modülerlik yol açan ayrılmış olabilir. Bu avantajlar ızgara varlık kullanımı ve verimliliğin artırılması ve enerji esneklik ve güvenliğini geliştirmek, temiz ama aralıklı yenilenebilir enerji entegre etmek için sabit enerji depolama uygulamaları için uygundur akış piller yapmak. 1, 2, 3 Geleneksel sulu akış piller su elektroliz önlemek için çoğunlukla dar gerilim penceresine, sınırlı enerji yoğunluğu muzdarip. 4, 5, 6, 7, 8 Tersine,-AqueAkış piller bazlı lı elektrolitler nedeniyle yaygın yüksek hücre voltajı ve yüksek enerji yoğunluğuna ulaşmak için potansiyeli takip edilmektedir. Bu çalışmalar sırasında 9, 10, akışlı batarya kimyaları çeşitli metal koordinasyon kompleksleri, 11, 12 tüm organik, 13, 14 redoks aktif polimerler, 15 ve lityum hibrid akış sistemleri de dahil olmak üzere, incelenmiştir. 16, 17, 18, 19
Ancak, susuz akış pillerin potansiyel henüz tam olarak bağlı akış pil ilgili şartlar altında sınırlı gösteri önemli teknik darboğaz gösterilmiş olması vardır. Bu darboğaz yakından performans sınırlayıcı bir dizi faktöre ile ilişkilidir. İlk,En elektroaktif malzemelerin az bir çözünürlük sulu olmayan akış hücreleri tarafından düşük enerji yoğunluğu teslim olur. İkinci olarak, sulu-olmayan akış pil oranı yeteneği büyük ölçüde ilgili redoks konsantrasyonlarda yüksek elektrolit viskozite ve direnç ile sınırlıdır. Üçüncü faktör, yüksek performanslı membran olmamasıdır. Nafion ve seramik membranlar susuz elektrolitlerin düşük iyonik iletkenlik gösterir. Gözenekli ayırıcılar nedeniyle nispeten büyük gözenek boyutu önemli kendi kendine deşarj iyi akış hücresi performans göstermiştir, fakat acı var. 14, 20 tipik olarak, anolit ve katolit redoks maddeleri ihtiva eden karma-reaktan elektrolitler (1: 1 oranında), ancak, tipik olarak yarı yarıya etkin redoks konsantrasyonları kurban redoks maddeler geçit, azaltmak için kullanılır. Söz konusu darboğaz Üstesinden 14, 21 mater iyileştirmeler gerektirirIALS keşif, pil kimya tasarımı ve akış hücresi mimarisi pil ilgili bisiklet elde etmek.
Pil durumu izleme, güvenilir operasyonlar için aslında önemli. Off Normal pil performansı ve hatta pil arızası hasara neden olabilir fahiş fiyat, gaz evrimi ve malzeme bozulması da dahil olmak üzere koşulları. Özellikle pil malzemelerinin büyük miktarlarda içeren büyük ölçekli akış piller için, bu faktörlerin ciddi güvenlik sorunlarını ve yatırım kaybına neden olabilir. ücret veya akış pillerin deşarj derinliği açıklayan ücret (SOC) Devlet en önemli pil durumu parametrelerden biridir. Onlar tehdit seviyelere ulaşmadan Zamanında SOC izleme potansiyel riskleri tespit edebilir. Ancak, bu alanda özellikle sulu olmayan akış piller, bugüne kadar altında ele alınması görünüyor. Bu ultraviyole görünür (UV-Vis) spektroskopi ve elektrolit iletkenlik ölçümleri, sulu akış Batte değerlendirilmiştir gibi Spectrophotoscopic yöntemler SOC belirlenmesi için Ry. 22, 23, 24
Son zamanlarda yeni bir ambipolar redoks malzemeye dayanan yeni bir simetrik olmayan sulu akış pil tasarımını getirmiştir, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksil-3-oksit (PTIO). 25 Bu akış pil susuz akış pillerin yukarıda belirtilen sorunları ele vaat etmektedir. İlk olarak, PTIO yüksek enerji yoğunluğuna sağlamak için umut verici asetonitril pil çözücü (MeCN) ve çözünürlüğünün yüksek (2.6 M) sahiptir. İkincisi, PTIO orta başlı başına bir simetrik pil kimyası oluşturabilirler şekilde ayrılan ve iki tersinir redoks çiftleri sergiler. Ayrıca FTIR spektrumları bir ayırt PTIO pik ESR sonuçları çapraz valide gibi, SOC belirlenmesini Spektroskopik neden akış hücresi içinde reaksiyona girmemiş PTIO konsantrasyonuyla korele edilebilir olduğunu göstermiştir.lass = "xref"> 26 Burada elektrokimyasal değerlendirmeler ve PTIO simetrik akış pil FTIR tabanlı SOC teşhis için prosedürleri incelemeye yönelik bir protokol mevcut. Bu çalışma, özellikle gerçek dünya ızgara uygulamaları, uzun süreli akış pil işlemleri sırasında güvenliğini ve güvenilirliğini sürdürmek daha anlayış tetiklemek için bekleniyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Daha önce de görüldüğü gibi, 25 FTIR non-invazif PTIO akış bataryanın şarj durumunu tespit edebilir. bir tanı aracı olarak, FTIR nedeniyle kolay erişilebilirlik, hızlı tepki, düşük maliyetli, küçük alan gereksinimi, çevrimiçi dahil, hiçbir dedektör doygunluğu ve akış pil çalışma sırasında moleküler evrimler araştırmak için yapısal bilgi ilişkilendirmek için yeteneği için tesis özellikle avantajlıdır. Şekil 3e güvenli operasyonlar iç…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser mali Enerji Depolama Araştırma Ortak Merkezi'nin (JCESR), Enerji, Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimler ABD tarafından finanse edilen bir enerji Yenilik Hub tarafından desteklenmiştir. Yazarlar ayrıca, başlangıçta bu araştırmayı (yayımlamak için malzemeler Kimya A (Kimya dergisinin bir Royal Society) Dergisi kabul http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL Sözleşme DE-AC05-76RL01830 altında DOE için Battelle tarafından işletilen bir Çok Programlı ulusal laboratuvardır.
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).
