Verlenging van de levensduur van oplosbaar lood Flow batterijen met een natrium acetaat additief
Summary
Een protocol voor de bouw van een oplosbaar lood flow batterij met een langere levensduur, in welke natrium acetaat wordt geleverd in de elektrolyt methanesulfonic als additief, wordt gepresenteerd.
Abstract
In dit rapport presenteren we een methode voor de bouw van een oplosbaar lood flow batterij (SLFB) met een uitgebreide cyclus leven. Door het leveren van een voldoende hoeveelheid Natriumacetaat (NaOAc) aan de elektrolyt, is een cyclus leven uitbreiding van meer dan 50% voor SLFBs via lange termijn galvanostatic lading/kwijting experimenten aangetoond. Een hogere kwaliteit van het PbO2 electrodeposit op de positieve elektrode wordt het kwantitatief gevalideerd voor elektrolyt NaOAc-toegevoegd door het gooien van de index (TI) metingen. Afbeeldingen die zijn verworven door het scannen van elektronen microscoop (SEM) vertonen ook meer geïntegreerde PbO2 oppervlakte morfologie wanneer de SLFB wordt gebruikt met de elektrolyt NaOAc-toegevoegd. Dit werk blijkt dat elektrolyt wijziging een aannemelijke route om economisch SLFBs voor grote energieopslag kan worden.
Introduction
Hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne- en wind hebben ontwikkeld voor decennia, maar hun intermitterend karakter vormt grote uitdagingen. Voor een toekomstige elektriciteitsnet met hernieuwbare energiebronnen opgenomen, stabilisatie van het raster en herverdeling van de belasting zijn kritisch en kunnen worden bereikt door integratie van energieopslag. Redox flow batterijen (RFB) zijn een van de veelbelovende opties voor energieopslag raster-schaal. Traditionele RFB bevatten ion-selectieve membranen scheiden van anolyte en catholyte; bijvoorbeeld, de all-vanadium RFB blijkt te bedienen met een hoog rendement en een lange cyclus leven1,2. Hun marktaandeel als energie-opslag is echter zeer beperkt is ten dele te wijten aan de dure bestaande uit materialen en ineffectief ion-selectieve membranen. Aan de andere kant, wordt een single-flow oplosbaar lood flow batterij (SLFB) gepresenteerd door Plectcher et al. 1 , 2 , 3 , 4 , 5. de SLFB membraan-minder is omdat er slechts één actieve soort, Pb(II) ionen. PB(II) ionen zijn galvanische op de positieve elektrode als PbO2 en de negatieve elektrode als Pb tegelijkertijd tijdens het opladen, en weer converteren naar Pb(II) tijdens het ontladen. Een SLFB moet dus een circulatiepomp en een elektrolyt opslagtank alleen, die op zijn beurt tot verminderde kapitaal en operationele kosten in vergelijking met conventionele RFB leiden kan. Het leven van de gepubliceerde cyclus van SLFBs, is echter tot nu toe beperkt tot minder dan 200 cycli onder normale omstandigheden6,7,8,9,10.
Factoren die leiden tot een korte levensduur van de SLFB cyclus wordt eveneens geassocieerd met afzetting/ontbinding van publiekrechtelijke bedrijfsorganisatie,2 op de positieve elektrode. Tijdens de gratis/kwijting processen, de zuurgraad van de elektrolyt wordt gevonden om over diepe of herhaalde cycli11en protonen worden voorgesteld voor het opwekken van de generatie van een laag passivering van niet-stoichiometrische PbOx12, 13. het vergieten van PbO2 is een ander fenomeen gerelateerde aan de aantasting van de SLFB. Schuur PbO2 deeltjes zijn onomkeerbaar en kunnen niet langer worden gebruikt. De coulombic-efficiëntie (CE) van SLFBs daalt éénduidige vanwege de onevenwichtige elektrochemische reacties evenals geaccumuleerde electrodeposits op beide elektroden. Om de levensduur van de cyclus van SLFBs, stabiliseren de pH zijn schommelingen en electrodeposit structuur kritisch. Een recente paper toont een verbeterde prestaties en levensduur van de uitgebreide cyclus van SLFBs met toevoeging van natriumacetaat (NaOAc) in methanesulfonic elektrolyt11.
Hier, wordt een gedetailleerd protocol voor de toepassing van NaOAc als een additief aan de methanesulfonic elektrolyt in SLFBs beschreven. De prestaties van de SLFB weergegeven worden verbeterd en de levensduur kan worden uitgebreid door meer dan 50% in vergelijking met SLFBs zonder NaOAc additieven. Procedures voor het gooien van de index (TI) meting worden bovendien geïllustreerd met het oog op de kwantitatieve vergelijking van additieve effecten op electrodeposition. Tot slot, een scanning elektronen microscoop (SEM) monster voorbereiding methode voor electrodeposit op SLFB-electrodes wordt beschreven en het additieve effect op electrodeposit komt ook tot uiting in verworven beelden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit witboek beschrijft een voordelige methode om te verlengen de levensduur van de cyclus van SLFBs: door gebruik te maken van NaOAc agent als een elektrolyt additief. Een partij van verse grafietelektroden en nikkel platen worden voorverwerkt als bovengenoemde in stap 1 voor langdurig fietsen experimenten. Omdat inconsistentie tussen commerciële Koolelektroden leiden afwijking van de prestaties van de SLFBs tot kan, is de fysisch/chemische voorbehandeling in stap 1.4 cruciaal voor het verwijderen van oppervlakte residu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door het ministerie van wetenschap en technologie, R.O.C., onder de financiering aantal NSC 102-2221-E-002 – 146-, meeste 103-2221-E-002 – 233-, en de meeste 104-2628-E-002-016-MY3.
Materials
| 70 mm cellulose filter paper | Advance | ||
| Autolab | Metrohm | PGSTA302N | |
| BT-Lab | BioLogic | BCS-810 | |
| commercial carbon composite electrode | Homy Tech,Taiwan | Density 1.75 g cm-3, and electrical conductivity 330 S cm-1 | |
| Diamond saw | Buehler | ||
| Hydrochloric Acid | SHOWA | 0812-0150-000-69SW | 35% |
| Lead (II) Oxide | SHOWA | 1209-0250-000-23SW | 98% |
| Lutropur MSA | BASF | 50707525 | 70% |
| nickel plate | Lien Hung Alloy Trading Co., LTD., Taiwan, | 99% | |
| Potassium Nitrate | Scharlab | 28703-95 | 99% |
| Scanning electron microscopy | JEOL | JSM-7800F | at accelerating voltage of 15 kV |
| Sodium Acetate | SHOWA | 1922-5250-000-23SW | 98% |
| water purification system | Barnstead MicroPure | 18.2 MΩ • cm |
References
- Soloveichik, G. L. Flow batteries: current status & trends. Chemical Reviews. 115 (20), 11533-11558 (2015).
- Ravikumar, M. K., Rathod, S., Jaiswal, N., Patil, S., Shukla, A. The renaissance in redox flow batteries. Journal of Solid State Electrochemistry. 21 (9), 2467-2488 (2017).
- Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part I. Preliminary studies. Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1773-1778 (2004).
- Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part II. Flow cell studies. Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1779-1785 (2004).
- Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). III. The influence of conditions on battery performance. Journal of Power Sources. 149, 96-102 (2005).
- Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). IV. The influence of additives. Journal of Power Sources. 149, 103-111 (2005).
- Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). V. Studies of the lead negative electrode. Journal of Power Sources. 180 (1), 621-629 (2008).
- Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). Part VI. Studies of the lead dioxide positive electrode. Journal of Power Sources. 180 (1), 630-634 (2008).
- Li, X., Pletcher, D., Walsh, F. C. A novel flow battery: a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). Part VII. Further studies of the lead dioxide positive electrode. Electrochimica Acta. 54 (20), 4688-4695 (2009).
- Krishna, M., Fraser, E. J., Wills, R. G. A., Walsh, F. C. Developments in soluble lead flow batteries and remaining challenges: An illustrated review. Journal of Energy Storage. 15, 69-90 (2018).
- Lin, Y. -. T., Tan, H. -. L., Lee, C. -. Y., Chen, H. -. Y. Stabilizing the electrodeposit-electrolyte interphase in soluble lead flow batteries with ethanoate additive. Electrochimica Acta. 263, 60-67 (2018).
- Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y., Chainet, E. PbO2/Pb2+ cycling in methanesulfonic acid and mechanisms associated for soluble lead-acid flow battery applications. Electrochimica Acta. 71, 140-149 (2012).
- Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y. Potential response of lead dioxide/Lead (II) galvanostatic cycling in methanesulfonic acid: a morphologico-kinetics interpretation. Journal of The Electrochemical Society. 160 (1), A148-A154 (2013).
