Summary
Een protocol wordt voorgesteld om multi-elektron metaal / lucht batterij systemen te bestuderen met behulp van eerdere technologie ontwikkeld voor de zink / lucht cel. Elektrochemische testen wordt dan uitgevoerd op vervaardigde batterijen de prestatie.
Abstract
Een techniek om de eigenschappen en de prestaties van de nieuwe multi-elektron metaal / lucht batterij systemen te onderzoeken wordt voorgesteld en gepresenteerd. Werkwijze voor het synthetiseren van nanoscopische VB 2 wordt als stap-voor-stap procedure voorgesteld voor het aanbrengen van een deklaag uit zirkoonoxide de VB 2 deeltjes te stabiliseren bij ontslag. Het proces voor het demonteren van bestaande zink / lucht-cellen wordt getoond, naast de bouw van de nieuwe werk-elektrode naar de conventionele zink / lucht-cel anode te vervangen door een van de nanoscopic VB 2 anode. Tenslotte wordt afvoer van het voltooide VB 2 / lucht batterij gemeld. We laten zien dat het gebruik van de zink / lucht cel als testbed is het nuttig om een consistente configuratie om de prestaties van de hoge-energie hoge capaciteit nanoscopic VB 2 anode bestuderen bieden.
Introduction
Vanadium diboride als anode heeft een van de hoogste volumetrische laadcapaciteit van een anode materiaal. Dit protocol voorziet in een methode voor het bestuderen van dit fascinerende materiaal. Metallisch zink is de overheersende anode materiaal in waterige primaire systemen als gevolg van zinkmetaal de hoge twee-electron volumetrische en gravimetrische lading opslagcapaciteit van 5,8 kAh L -1 en 820 Ah kg -1, respectievelijk. * De zink-koolstof batterij, die bekend staat als de Leclanche cel, werd voor het eerst geïntroduceerd in de 19 e eeuw, een combinatie van een zink anode met een mangaan-dioxide (carbon stroomafnemer) kathode in een chloride elektrolyt 1. De gemeenschappelijke alkalinebatterij gebruikt dezelfde familie, maar vervangt chloride elektrolyt met een waterige alkalimetaalhydroxide elektrolyt. Samen zink-koolstof-en alkalinebatterijen vormen de meerderheid van primaire batterijen verkocht 1. Wanneer de Mangaandioxide in de alkalische cel vervangendoor een lucht kathode, worden aanzienlijk hogere capaciteit energieopslag bereikt. Deze zink-lucht batterij gebruikt zuurstof uit de lucht, en wordt vaak gevonden in hoorapparaat batterijen 1-3.
Onze zoektocht naar hogere accu opslagcapaciteit heeft zich gericht op materialen die meerdere elektronen kan overdragen per molecuul 4-11. Onder de grote verscheidenheid van redoxkoppels we hebben verkend, VB 2 onderscheidt zich als een buitengewone alkalisch anode die in staat is 11 elektronen per VB 2, met volumetrische en gravimetrische capaciteiten van 20,7 kAh L -1 en 4060 Ah kg -1 resp. * In 2004, Yang en medewerkers meldde de lozing van VB 2, maar ook gedocumenteerd het uitgebreide domein waarin VB 2 gevoelig is voor corrosie in alkalische media 12. In 2007 hebben we gemeld dat een coating op de VB 2 deeltjes voorkomt deze corrosie 13, wat leidt tot demonstratie van de VB 2 / lucht bCCU in 2008 14.
In dit artikel presenteren we een protocol dat wordt gebruikt om nieuwe systemen metaal / lucht in dienst van de eerder ontwikkelde voor de zink / lucht-cel, zoals toegepast op de VB 2 / lucht-cell technologie te onderzoeken. A nanoscopicVB 2 anode wordt gepresenteerd als een high-energy high-power density anode kan vertonen een elf-electron oxidatiereactie nadert de theoretische intrinsieke capaciteit van 4060 Ah kg -1 een verhoogd accuspanning en accu laadvermogen. De VB 2 / lucht paar maakt gebruik van een alkalische elektrolyt van KOH / NaOH, waarbij dezelfde zuurstof lucht kathode gewonnen uit het zink / lucht cel 1. De carbon elektrokatalysator kathode wordt niet verbruikt tijdens ontlading.
Er bestaat een behoefte aan een beter begrip van de VB 2 / luchtsysteem om cel verdere verbetering. De eigenschappen en prestaties van nanoscopische VB 2 materialen kunnen worden onderzocht met behulp van tHij cell configuratie van de zink / lucht cel 15,16. Elektrochemische testen kunnen worden uitgevoerd voor nanoscopische VB 2 te vergelijken met de prestaties door middel procent rendement op verschillende prijzen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bereiding Nano-VB 2
Nanoscopische VB 2 wordt direct gesynthetiseerd uit elementair vanadium, borium via kogelmalen in een 01:02 mol rantsoen.
- Schoon een 50 ml hardmetalen frezen pot en tien 10-mm hardmetalen ballen. Drogen in lucht in een oven bij 100 ° C gedurende 1 uur om alle water te verzekeren is verdampt.
- Veeg de binnenkant van de frezen potje om geen residu blijft zorgen, herhaal dan stap 1.1 als residu zichtbaar is.
- Blaas de antichambre van een handschoenenkastje met argon 3x 10 min per keer. Breng de frezen pot, ballen, en schone spatel in de argon gevulde dashboardkastje.
- Weeg vanadium, borium poeders in een 01:02 molverhouding, 0,500 g vanadium en 0.212 g boor in de frees-pot, voeg de ballen, en verzegel het frezen pot.
- Verwijder het verzegelde frezen potje uit het dashboardkastje, plaats het in een planetaire kogelmolen ingesteld op 600 rpm en molen voor 4 uur.
- Na completion, zodat de frees pot afkoelen tot kamertemperatuur alvorens uit de kogelmolen.
- Blaas de antichambre van een handschoenenkastje met argon 3x 10 min per keer. Breng de frezen pot, rondbodemkolf, paraffine film, spatel, en magnetische roerstaaf in de handschoenenkastje.
- Breng de deklaag uit zirkoonoxide de geprepareerde nanoscopische VB 2 als volgt:
- Binnen in het handschoenenkastje verzamelen van de nano-VB 2 eerder bereid met behulp van een spatel om de muren van de frezen pot schrapen totdat het grootste deel van het starten van de massa is hersteld. Weeg en overdracht van de verzamelde nano-VB 2 in een rondbodemkolf.
- Weeg 3,5 gewichtsprocent zirkonium chloride vergeleken met de verzamelde VB 2 en voeg het poeder aan de rondbodemkolf die het verzameld nano-VB 2.
- Voeg een magnetische roerstaaf aan de kolf en het gebruik van paraffine film sluit de opening voorafgaand aan het verwijderen van het handschoenenkastje. Als alternatief, eenseptum is gebruikt met gelijkwaardige resultaten Verwijder de rondbodemkolf van het handschoenenkastje.
- Met behulp van een 10 ml spuit van 10 ml diethylether in de rondbodemkolf. Snel dekken het gat gecreëerd door de spuit in de paraffine film met een extra stukje Parafilm.
- Meng de kolf op een roer plaat gedurende een uur op een gemiddelde stand.
- Na een uur verdampt het overblijvende diethylether af van de nano-VB 2 met een rotatieverdamper of andere pompconfiguratie tot coated nano-VB 2 droog lijkt.
- Na Zr gecoate nano-VB 2 volledig droog is, te verzamelen.
2. Voorbereiding van de elektrolyt
- Een mengsel van 4 M KOH en 4 M NaOH oplossing gebruikt als de elektrolyt. (OPMERKING: maak slechts genoeg om een paar weken duren, herhalen als nodig is om nieuwe cellen te vormen). Waterige hydroxide elektrolyten van NaOH en KOH zijn onderzocht in het verleden, variërend in concentratie liepGing van 8 M tot verzadigde. De combinatie van 4 M NaOH en 4 M KOH levert marginaal verbeterde high rate prestaties vergeleken met eerdere resultaten met behulp van een zuivere NaOH elektrolyt.
3. Demontage zink / lucht-batterijen
Zie de tabel van de regenten en materialen voor meer informatie over de batterij fabrikant en het modelnummer.
- Het openen van de zink / lucht cel voor latere fabricage van VB 2 / lucht-cellen.
- Maak een snee in de lip van de knoopcel behuizing met diagonale kniptang.
- Krimp de buiten randen van de lip naar buiten. Nadat ze volledig rond de cellen tweemaal moet het gemakkelijk te openen.
- Met behulp van een scheermesje, push up op de randen van de kap langzaam, zachtjes dwingen de cel te openen. NB: Het kan even duren om de cel geopend te krijgen. Wees geduldig en voorzichtig om geen deel barsten of beschadigen bij het doen van deze stap. De cel zal moeten intact blijven.
- De batterij gereedmaken voor gebruik
- Zodra de cel wordt geopend in twee delen (het plafond en de bodem) beginnen verwijder voorzichtig de zink anode materiaal van het deksel en in de bodem.
- Verwijder zoveel solide zink mogelijk met het scheermesje. Niet schrapen de bodem, is het belangrijk om geen onderdelen beschadigt. De separator (onder) en de pakking (wanden) vormen een ondoorzichtige bekleding die gemakkelijk kan worden doorboord door te sterke druk van het scheermes. Piercing de afscheider zal leiden tot beschadiging van de lucht kathode. Bovendien, als de pakking wordt verstoord de betrouwbaarheid van de cel elektrisch geïsoleerd is verloren.
- Met behulp van een wattenstaafje voorzichtig veeg de resterende zink en resten uit de dop, bodem, en separator.
- Reinig de dop en de buitenkant van de cel met isopropylalcohol.
4. Bereiding van een 5 mAh werkelektrode met een 70/30 mengsel droog
- Gebruik gesynthetiseerd Zr gecoate nano-VB 2 als de actieve material., weeg 0,0012 g per elektrode worden vervaardigd (meestal 5-10 cellen worden getest in een tijd) en overbrengen in een vijzel en stamper.
- Voeg 30% van de gewogen VB 2, 0,0005 g grafiet carbon black (per elektrode), het actieve materiaal in de vijzel en stamper en maal 30 minuten.
- Ervoor te zorgen dat er geen grote, zichtbare clusters van materiaal en het verzamelen van poeder.
- Weeg ongeveer 0,0017 g van het 70/30-powder mengsel per schone elektrode cap met behulp van een spatel. (Als voorbereiding meerdere cellen tegelijk anderszins over te dragen materiaal de elektrode cap).
- Voeg een druppel isopropylalcohol elke cap en poeder krul met een spatel of andere kleine puntig tot er geen klontjes en suspensie gelijkmatig verdeeld over de bovenkant van de kap.
- Laat elektroden drogen 30 minuten.
5. VB 2-Air Cell Assembly - Dry Method
- Monteer cellen in omgekeerde van het zink / air cel met de werkende elektrode, cap, ondersteboven.
- Dient elke cel (de 5-10 getest) in twee rijen, de doppen in een en bijbehorende bodems in de andere. Inspecteer elke dop zodat de anode materiaal gelijkmatig verdeeld en niet gebarsten.
- Voeg 27 ul van 4 M KOH / 4 M NaOH elektrolytmengsel elke scheider.
- Verwijder voorzichtig overtollige elektrolyt uit de bodems met behulp van katoen deppen maar een keer in de bodem.
- Verwijder voorzichtig elk van de bodems, zet ze om en plaats ze op de top van de kappen zodat het anodische materiaal in contact met het elektrolyt.
- Oefen druk uit en sluit het gebruik van een sneldrogende epoxy.
6. Nano-VB 2 / Air Cell Testen
- Zodra het fabricageproces is voltooid, plaatscellen een ontlading rek of batterijhouder.
- Kan elke cel een eerste stap overige tien minuten zodat de cellen equilibreren vóór lozing.
- Ontladencellen bij een constante belasting van 3000 Ω (of een andere gewenste belasting) een batterij tester.
- Na equilibratie stap waarmee een meting van de open circuit potentiaal.
- Ontladen dan onder een constante belasting tot een stoppen spanning van 0,4 V is bereikt.
- Coulomb-efficiëntie kan dan worden berekend door het percentage van het gemeten vermogen vergeleken met de theoretische anode elf electron afvoercapaciteit van 4060 Ah kg -1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Elektrochemische test wordt uitgevoerd om de prestaties van VB 2 / lucht batterijen te bepalen. De voor meerdere cellen resultaten tonen voor de reproduceerbaarheid van de prestatie cel. Figuur 1 vergelijkt het VB 2 / lucht batterijen tijdens een 3000 ohm (links) en 1000 ohm (rechts) ontladen. Merk op dat de ontladingsvoltage evenals de fractie van de 4060 Ah kg -1 intrinsieke capaciteit hoger bij de nanoscopische VB 2 anode ten opzichte van de macroscopische VB 2 anode cel en dat deze cel behoudt ook een hogere efficiëntie bij hogere snelheid (vergeleken de 1000 tot 3000 ohm) met deze anode. De etikettering van cellen is als volgt, bijvoorbeeld I-FC000, waar ik een willekeurige constante, FC staat voor een volledige cel en 000 is het testnummer. Figuur 2 valideert dat blanco, Zn of Zn / VB 2 cellen ontlading is zoals verwacht. Figuur 3 toont de zirconia bovenlaag present op de VB 2 nanodeeltjes. Figuur 4 foto opeenvolgende fases van de zink / lucht batterij demontage, en figuur 5 stadia van de vervangende anode fabricage. Tenslotte toont figuur 6 correct lijmen de cel goede verbindingen zowel de anode en kathode om een goede afdichting cel vast te waarborgen. De werkelektrode kan ook worden vervaardigd onder toepassing van alternatieve werkwijzen voor de droge methode. Bijvoorbeeld kan de VB 2 gemengd worden als een waterige dispersie (suspensie) en vervolgens gelijkmatig verdeeld over het roestvast stroomafnemer, of zoals in figuur 7, gegoten als een vaste stof VB 2 disc met een Kynar bindmiddel op een roestvrij stalen shim .
Figuur 1. Gegevens die zijn verkregen voor relatief langzame discharge tijden (3000 Ω en 1000 Ω). Cellen worden meestal geloosd op 3000 Ω om vergelijkingen tussen experimenten en mobiele prestaties.
Figuur 2. Validatie dat schoongemaakt Panasonic 675 Zink / lucht-batterijen zorgen voor een nuttige test bed voor de nano-VB2 anode, in vergelijking met de macro-VB2 anode zijn een lege anode cel (linksboven), anode met alleen verpakkingen koolstof-geen VB2 (linksonder) , anode met Zn-geen VB2 (rechtsboven), en de anode met een composiet van Zn en VB2 (rechtsonder). Linksboven toont de ontlading van een volledig gestript en gesloten zink / lucht cel zonder enige anode materiaal (lege lege cel, geen koolstof en zonder VB 2) aanwezig zijn met een typische nano-VB 2 kwijting voor vergelijking. Rechtsboven ziet u de afvoer van cel met 20mAh van het zink anode materiaal. De cel zink wordt gebruikt valIDATE de VB 2 celconfiguratie en gebruikt de oorspronkelijke zink opnieuw terug in de cel. Linksonder een voorbeeld van een ontlading die alleen de geschikte hoeveelheid grafiet carbon black een typische VB 2 afscheiding met een typische nano-VB 2 kwijting voor vergelijking. Bottom toont rechts een nano-VB 2 cel met de aanwezigheid van opzettelijk toegevoegde zink in de anode, en de waargenomen afzonderlijke spanning ontlading plateaus zijn aanwijzingen dat de VB-2 alleen anode geen aanzienlijk zink contaminant bevat. De linker figuur bevestigt dat de lege cel vertoont een bovengrens van minder dan 4% van de gemeten VB 2 bevattende anode capaciteit.
Figuur 3. Hoge resolutie SEM beeld van de zirconia gecoat VB 2 </ Sub>.
Figuur 4. Correcte manier op een zink / lucht-batterij uit elkaar te halen voor VB 2-Air Cell Vergadering. Figuren 4a en 4b tonen een fabriek cellen voorafgaand aan de opening. Figuur 4c en 4d tonen de eerste snede en de opening van de batterij. Figuur 4e (ook het label Top) en Figuur 4f (Onder) biedt een weergave van de geopende cel voorafgaand aan het verwijderen van het Zink anode materiaal. Na verwijdering van het membraan gereinigd en weggevaagd figuur 4g. Figuur 4h toont het gebied waar de VB 2 anode is vervaardigd.
Figuur 5. Fabricage van de werkende elektrode. Figuur 4a </ Strong> geeft een voorbeeld van hoe dit wordt voorbereid. Bij de bouw van de elektroden is het belangrijk dat er geen scheuren of klonten zichtbaar, het elektrodeoppervlak moet glad weergegeven zoals getoond in figuur 4b.
Figuur 6. Correct lijmen cellen goede verbindingen zowel de anode en kathode en een goede afdichting op de cel te garanderen.
Figuur 7. De werkelektrode kan ook worden vervaardigd onder toepassing van alternatieve werkwijzen voor de droge methode. Hierboven is een voorbeeld van gegoten nano-VB 2 anode preparaat een roestvrij stalen shim.
* Intrinsieke volumetrische specifieke capaciteit wordt berekend NDF / MW, het molecuulgewicht MW (zoals Zn of VB
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bouw van de VB 2 / lucht batterij op deze manier biedt de mogelijkheid om te studeren en sonde de elf elektronen per molecuul ladingsoverdracht die optreedt, waardoor de mogelijkheid voor een nieuwe batterij met hoge capaciteit. Als verkregen resultaten niet reproduceerbaar resultaten tonen, dat alle van de zink anode materiaal werd uit de accu, dat er een gelijkmatige dispersie van actief materiaal op de kap, en dat de cellen goed gelijmd zonder lekken. Als er een probleem optreden blijft, ervoor te zorgen dat de batterijen Panasonic 675 Zink / lucht-cellen gemaakt in Japan niet Duitsland. De pakking van een Japanse cel moet verschijnen ondoorzichtig en verbonden met de separator als een geheel. Als de pakking is gescheiden en blauw de cellen zijn Duits. Beperkingen van deze techniek omvatten niet de mogelijkheid om de vochtigheid van de cel regelen, hoewel eerder geen problemen waargenomen zijn. Bij de bouw van een VB 2 / lucht batterij, zijn er verschillende belangrijke staps beschreven in de rubriek Protocol: opening van de cel, het verwijderen van het zinkmateriaal, bereiding van het anodemateriaal en insertie in de cel, de cel zorgvuldig sluiten en goede verlijming te verzekeren dat er geen lekken zijn en een goede elektrische verbinding.
X-stralendiffractie is een geschikte techniek om te bevestigen dat de 15,16 uitgangsreactanten (elementair vanadium, borium) niet aanwezig in de gevormde nano-VB 2. Transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) beelden vast te stellen dat het zirkonium oxide coating gelijkmatig over de VB 2 deeltjes. Tijdens het demonteren en monteren van de zink / lucht batterij is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de behuizing intact blijft en dat het membraan en de separator worden niet gesneden of beschadigd in ieder geval. Tijdens het lossen, betrekkelijk kleine verschillen in de spanningen en capaciteiten waargenomen voor herhaalde cellen gevolg van kleine verschillen in massa, en het gebruik van een celconfiguratie that niet tot uniforme druk toegepast op elke cel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs, Chris Rhodes, Ruben Lopez, Xuguang Li, Mahesh Waje, en Matthew Mullings zijn medewerkers van Lynntech Inc
Acknowledgments
De auteurs willen graag de National Science Foundation Award 1006568 erkennen voor de financiering van dit project.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MATERIALS | |||
| Boron | Alfa Aesar | 11337 | |
| Diethyl Ether | J.T. Baker | 9244-06 | 4L |
| Epoxy | Loctite | Heavy Duty 5 min setting time | |
| Isopropyl Alcohol | |||
| Panasonic 675 Zinc/Air cell | Panasonic | PR675H | Made in Japan (not German) |
| C-NERGY Super C65 | Timcal | Graphitic carbon black | |
| Vanadium | Aldrich | 262935 | |
| Vanadium Diboride | American Elements | 12007-37-3 | |
| Zirconium Chloride | Spectrum | Z20001 | |
| EQUIPTMENT | |||
| 50-mL round bottom flask | Fisher Scientific Co LLC | CG151001 | |
| Diagonal cutting pliers | Hardware store | ||
| Hot/stir plate | IKA | C-MAG HS 7 | |
| Glove box | Labconco | Precision Basic | |
| Ten 10-mm tungsten carbide balls | Lab Synergy | 55.0100.08 | |
| Tungsten carbide milling jar | Lab Synergy | 50.8600.00 | |
| Razor blade | Hardware store | ||
| Retsch PM 100 planetary ball mill | Retsch | 205400003 | |
| Stir bar | VWR International | 58947-140 | |
References
- Linden, D., Reddy, T. B. Handbook of Batteries. , 4th, McGraw-Hill. New York. (2010).
- Rogulski, Z., Czerwin'ski, A.
- Neburchilov, V., Wang, H., Martin, J. J., Qu, W. A review on air cathodes for zinc - air fuel cells. Journal of Power Sources. 195, 1271-1291 (2010).
- Yu, X., Licht, S. High capacity alkaline super-iron boride battery. Electrochimica Acta. 52, 8138-8143 (2007).
- Licht, S., Wang, B., Ghosh, S. Energetic Iron(VI) Chemistry: The Super-Iron Battery. Science. 285, 1039-1042 (1990).
- Licht, S. Novel aluminum batteries: a step towards derivation of superbatteries. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. , 134-241 (1998).
- Licht, S., Myung, N. Fluorinated Graphites as Energetic Cathodes for Nonaqueous Al Batteries. Electrochem. Solid-State Lett. 5, A160-A163 (2002).
- Licht, S., Ghosh, S. High power BaFe(VI)O4/MnO2 composite cathode alkaline super-iron batteries. Journal of Power Sources. 109, 465-468 (2002).
- Licht, S., Myung, N., Peramunage, D. Ultrahigh Specific Power Electrochemistry, Exemplified by Al/MnO4- and Cd/AgO Redox Chemistry. The Journal of Physical Chemistry B. 102, 6780-6786 (1998).
- Licht, S. Aluminum/Sulfur Battery Discharge in the High Current Domain. J. Electrochem. Soc. 144, L133-L136 (1997).
- Gao, X. -P., Yang, H. -X. Multi-electron materials for high energy density batteries. Energy and Environmental Science. 3, 174-189 (2010).
- Yang, H. X., Wang, Y. D., Ai, X. P., Cha, C. S. Metal Borides: Competitive High Capacity Anode Materials for Aqueous Primary Batteries. Electrochemical and Solid-State. 7, A212-A215 (2004).
- Licht, S., Yu, X., Qu, X. Novel Alkaline Redox Couple: Chemistry of the Fe6+/B2- Super-iron Boride Battery. Chemical Communications. 2007, 2753-2755 (2007).
- Licht, S., Wu, H., Yu, X., Wang, Y. Renewable Highest Capacity VB2/Air Energy Storage. Chemical Communications. 2008, 3257-3259 (2008).
- Light, S., Ghosh, S., Wang, B., Jiang, D., Asercion, J., Bergmann, H. Nanoparticle Facilitated Charge Transfer and Voltage of a High Capacity VB2 Anode. Electrochemical and Solid-State. 14, 83-85 (2011).
- Licht, S., et al. Nano-VB2 Synthesis from Elemental Vanadium and Boron: Nano-VB2 Anode/Air Batteries. Electrochemical and Solid-State Letters. 15, A12-A14 (2012).
