Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung in einem Liquid Metal Electrode

Summary

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Abstract

Eine zunehmende Anzahl von elektrochemischen Techniken hängen von Fluidströmung, und oft, daß das Fluid undurchlässig ist. Messen des Durchflusses einer opaken Flüssigkeit ist inhärent schwieriger als Messen der Strömung einer transparenten Flüssigkeit, da optische Verfahren nicht anwendbar. Ultraschall kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit einer opaken Flüssigkeit nicht nur an einzelnen Punkten zu messen, sondern in Hunderten oder Tausenden von Punkten entlang der Linien angeordnet sind, mit einer guten Zeitauflösung. Wenn sie auf eine Flüssigmetall-Elektrode angelegt wird, umfaßt Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung zusätzliche Herausforderungen: hohe Temperatur, chemische Aktivität und elektrischen Leitfähigkeit. Hier beschreiben wir die experimentelle Vorrichtung und Verfahren, die diese Herausforderungen zu bewältigen und ermöglichen die Messung der Strömung in einem flüssigen Metallelektrode, da es Strom leitet, bei Betriebstemperatur. Die Temperatur wird innerhalb von ± 2 ° C unter Verwendung einer Proportional-Integral-Differential (PID) Steuerung, die Befugnisse einer speziell angefertigten Ofen geregelt. Chemische Aktivität ist der Menschindem Sie Schiff Materialien sorgfältig und umschließt den Versuchsaufbau in einem mit Argon gefüllten Handschuhfach im Alter. Schließlich werden unbeabsichtigte elektrische Pfade sorgfältig vermieden. Ein automatisiertes System protokolliert Steuerungseinstellungen und experimentellen Messungen, mit Hardware-Trigger-Signale von Geräten zu synchronisieren. Diese Vorrichtung und diese Verfahren können die Messungen, die mit anderen Techniken unmöglich herzustellen, und erlauben die Optimierung und Steuerung des elektrochemischen Technologien wie Flüssigmetall-Batterien.

Introduction

Flüssigmetall-Batterien sind eine vielversprechende Technologie für die Bereitstellung von großen Energiespeicher am weltweiten Stromnetze ^1. Diese Batterien bieten hohe Energiedichte, hohe Leistungsdichte, lange Lebensdauer und niedrige Kosten, wodurch sie ideal für netz Skala Energiespeicher ^3. Einführung in Flüssigmetall-Batterien auf den Energienetz würde Spitzenausgleich zu ermöglichen, verbessern die Netzstabilität und ermöglichen viel mehr weit verbreitete Verwendung von intermittierenden erneuerbaren Quellen wie Sonne, Wind und Gezeitenkraft. Flüssigmetall-Batterien bestehen aus zwei flüssigen Metallelektroden durch einen geschmolzenen Salzelektrolyten getrennt sind, wie detaillierter in früheren Arbeiten ¹ beschrieben. Obwohl viele verschiedene Kombinationen von Metallen und Elektrolyt kann in einer Arbeitsflüssigkeit, Metall Batterie führen, wobei die Prinzipien des Betriebs bleiben die gleichen. Die Metalle so gewählt sind, dass sie energetisch günstig für sie eine Legierung zu bilden; so Legierungs entlädt den Akku, und de-Legierungskosten es. Die salt Schicht wird so gewählt, dass es ermöglicht Metallionen zwischen den beiden Elektroden passieren, blockiert aber den Transport von neutralen Spezies, wodurch elektrochemische Steuerung der System Man erhält.

Diese Arbeit wird Flüssigmetall-Batterie-Technologie von Quantifizierung und Steuerung von Massentransporteffekte voranzutreiben. Die hier beschriebenen Methoden sind für Flüssigmetall-Batterien durch Sadoway et al entwickelten elektrochemischen Methoden ^1-4 sowie frühere Flüssigmetall-Batterie Arbeit am Argonne National Laboratory ^5,6, und die Arbeit des breiteren elektro Gemeinschaft (Bard und Faulkner informiert. ⁷ bieten viele relevante Zeugnisse). Die hier beschriebenen Methoden auch nach vorheriger Fluiddynamik Studien bauen. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung entwickelt und zunächst in Wasser ^8,9 verwendet und hat sich seitdem zu flüssigen Metallen wie Gallium ^{10,11, 12,13} Natrium, Quecksilber ¹⁴ aufgebracht worden ist, ^{Blei-Wismut-15 Kupfer-Zinn-15 <}/ Sup>, und ^{Blei-Lithium-16,} unter anderem. Eckert et al. Eine nützliche Überprüfung der Geschwindigkeitsmessung in flüssigen Metallen ^17.

Neuere Arbeiten mit Methoden ähnlich den hier beschriebenen ¹⁸ hat gezeigt, dass Batterieströme können Stofftransport in flüssiger Metallelektroden zu verbessern. Weil Massentransport in der positiven Elektrode ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in Laden und Entladen von flüssigem Metall-Batterien, Misch ermöglicht somit schnellere Ladung und Entladung als es sonst möglich wäre. Außerdem Mischen verhindert lokale Inhomogenitäten in der Elektrode, die Feststoffe, die die Zykluslebensdauer einer Batterie zu begrenzen bilden können. In den laufenden Arbeiten wir weiterhin die Rolle der Flüssigkeitsstrom in der positiven Elektrode der Flüssigmetall-Batterie, die wegen der thermischen und elektromagnetischen Kräften entsteht studieren. Thermischen Gradienten fahren konvektive Strömung durch Auftrieb und Batterieströme treiben Fluss durch die Interaktion mit den Magnetfeldern von der Teig induzierty Ströme selbst. In Experimenten unter Verwendung der unten beschriebenen Verfahren, haben wir Strömungen mit Reynolds-Zahl 50 <Re <200, von der Elektrodentiefe und root-mean-square Geschwindigkeit berechnet beobachtet. Eine gründliche experimentelle Charakterisierung wird eingeleitet und die resultierende Datenmenge verwenden, um vorausschauende Akku-Modelle zu bauen. Der Schwerpunkt dieses Handschrift ist auf dem Versuchsaufbau und Verfahren erforderlich, um solche Daten zu erzeugen. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung liefert den Großteil der Messungen und Versuchsbedingungen sorgfältig, um Ultraschall in flüssigen Metalls erfolgreich nutzen gesteuert werden. Hohe Temperatur, chemische Aktivität, und die elektrische Leitfähigkeit sind alle sorgfältig verwaltet werden.

Erstens, Flüssigmetall-Batterien unbedingt bei hoher Temperatur zu betreiben, weil beide Metalle und dem Salz, das trennt sie muss geschmolzen werden. Eine vielversprechende Wahl der Materialien, der Lithium als negative Elektrode verwendet, Blei-Antimon als positive Elektrode und einer eutektischen Mischung von Lithiumsalzen als Elektrolyt erfordert Temperaturen von etwa 550 ° C. Messen des Durchflusses einer opaken Flüssigkeit bei solch hohen Temperaturen ist ziemlich schwierig. Hochtemperatur-Ultraschallwandler, der die empfindlichen elektro-akustische Komponenten aus der Testflüssigkeit mit einem akustischen Wellenleiter zu trennen, wurde gezeigt, ¹⁵ und kommerzialisiert. Jedoch, weil die Wandler haben Einfügungsverlust in der Nähe von 40 dB, und wegen der Schwierigkeit der allgemeinen arbeitet bei solchen Temperaturen ein Surrogatsystem wurde für anfängliche Untersuchungen ausgewählt worden: ein flüssiges Metall Batterie kann auch unter Verwendung von Natrium als die negative Elektrode hergestellt werden eutektischen 44% Blei 56% Bismut (nachfolgend ePbBi) als positive Elektrode, und eine dreifache eutektische Mischung aus Natriumsalze (10% Natriumiodid, 38% Natriumhydroxid, 52% Natriumamid) als Elektrolyt. Eine solche Batterie ist vollkommen geschmolzenen über 127 ° C, so dass es viel zugänglicher Laborstudie. Da sie aus drei Flüssigkristall zusammenSchichten, die durch Dichte getrennt sind, ist es Gegenstand der gleichen physikalischen andere Flüssigmetall-Batterien. Und es ist mit leicht verfügbaren Ultraschallwandler, die bis 230 ° C ausgelegt sind kompatibel, beinhalten keine Wellenleiterverluste und kosten viel weniger als Hochtemperatur-Wandler. Diese Versuche finden typischerweise bei 150 ° C. Bei dieser Temperatur hat ePbBi Viskosität ν = 2,79 x 10 ^-7 m ² / s, Temperaturleitfähigkeit κ = 6,15 x 10 ^-6 m ² / sec, und magnetische Diffusivität η = 0,8591 m ² / sec, so daß seine Prandtl-Zahl ist Pr = ν / κ = 4,53 x 10 ^-2 und ihre magnetischen Prandtl-Zahl ist Pm = ν / η = 3,24 x 10 ^-7.

Obwohl dieser Niedertemperatur-Flüssigmetall-Batteriechemie macht Fluss Studien viel einfacher, als sie es in Batterien heißer zu sein, müssen Temperatur dennoch sorgfältig verwaltet werden. Als empfindliche elektro-akustischen Geräten, sind Ultraschallwandler susceptible durch thermischen Schock beschädigt und muß daher allmählich erhitzt werden. Hochwertige Ultraschall-Messungen erfordern auch eine sorgfältige Temperaturregelung. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung funktioniert wie Sonar, wie in Abbildung 1 gezeigt: der Wandler einen Piepton (hier ist die Frequenz 8 MHz), dann wartet auf Echos. Durch Messen der Flugzeit des Echos kann die Entfernung zu dem Echo Körpers berechnet werden, und durch Messen der Dopplerverschiebung der Echo kann eine Komponente der Körpergeschwindigkeit berechnet werden. In Wasser muß Tracerpartikel zugesetzt werden, um Echos zu erzeugen, aber keine Tracer-Partikel in flüssigen Metallen erforderlich, ein Umstand, der nicht im Detail verstanden wird, aber sie wird typischerweise auf das Vorhandensein von kleinen Metalloxidteilchen zurückzuführen. Jede Messung ist ein Mittelwert über alle Tracer-Partikel in einer Abfragevolumen; In dieser Arbeit ist der Mindestdurchmesser 2 mm, in einem Abstand von 30 mm von der Sonde. Obwohl Oxidation kann schließlich begrenzen die Dauer der Experimente, mit thnachfolgend beschriebenen Verfahren e haben wir Messungen kontinuierlich solange 8 Stunden vorgenommen.

Berechnung entweder Abstand oder Geschwindigkeit erfordert die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in der Testflüssigkeit und dass Geschwindigkeit variiert mit der Temperatur. Die hier beschriebene Arbeit konzentriert sich auf die Strömung in dem ePbBi negativen Elektrode, wo die Schallgeschwindigkeit ist 1766 m / sec bei 150 ° C, 1.765 m / s bei 160 ° C und 1.767 m / sec bei 140 ° C ^19. So unzureichenden Temperaturregelung würde systematische Fehler in den Ultraschallmessungen einzuführen. Eine Vorrichtung wurde konstruiert, um die Schallgeschwindigkeit in ePbBi messen, der Suche nach Werten entsprachen denen veröffentlichte, vom Nuclear Energy Agency ¹⁹ akzeptiert (siehe unten). Da schließlich die thermische Konvektion ist ein wesentlicher Faktor der Strömung im flüssigen Metall-Batterien, sowohl die Durchschnittstemperatur und die Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und unteren Rand des ePbBi Elektrode unmittelbar auf Beobachtungen. Für gleichbleibende Ergebnisse, präzise WärmeKontrolle ist unerlässlich.

Dementsprechend wird die Temperatur kontinuierlich mit mindestens drei K-Typ-Thermoelementen gemessen, die Anmeldung ihre Messungen elektronisch mit einem Computer-basierten Erfassungsgerät und einem speziell geschriebenen LabView-Programm. Das Programm steuert auch die Stromversorgung, Batteriestrom liefert, über einen USB-Anschluss; meldet die Batterie Strom und Spannung; und sendet Triggerimpulse an das Ultraschallinstrument, so daß seine Daten können mit den anderen Messungen synchronisiert werden. Ein Systemdiagramm in Abbildung 2 dargestellt. Die Wärme wird durch einen speziell angefertigten Ofen, der zwei 500-W industrielle Heizelemente angetrieben von einem Relais, das durch einen Proportional-Integral-Differential schaltet enthält (PID) (auch in Figur 2 gezeigt) vorgesehen, Controller. Die Grundplatte, die Batteriezellen unterstützt wird aus massivem Aluminium; weil seine Wärmeleitfähigkeit ist um eine Größenordnung höher als die Wärmeleitfähigkeit des rostfreien StAal Batteriezellengefäß und der es ¹⁹ enthält ePbBi, ist die Temperatur der Ofenboden etwa gleichmäßig. Außerdem verdoppelt sich die Aluminiumbasis als Weg für den elektrischen Ströme, die durch die Elektrode. Seine elektrische Leitfähigkeit ist auch eine Größenordnung höher als die von rostfreiem Stahl oder ePbBi, so dass die Spannung der Ofenboden ist auch annähernd gleichmäßig. Isolations Beine trennen die Basis von der Tisch unten und verhindert Verbrennungen und Shorts. Die Seiten des Batteriegefäßes mit Silica Keramikisolierung, geschnitten, um den Behälter dicht zu passen, sondern lassen Raum für den Zugriff auf Ultraschall-Anschluss der Zelle isoliert. Schließlich isoliert eine Polytetrafluorethylen (PTFE) Deckel der Zelle von oben und hält den negativen Stromkollektor und Thermoelemente vorhanden. Obwohl im Handel erhältlichen Kochplatten können die für diese Experimente erforderlichen Temperaturen zu erreichen, unsere maßgeschneiderten Ofen hält die Temperatur mit einer Größenordnung geringer Variation, einnd erlaubt uns auch, Wärmeleistung direkt zu messen.

Zusätzlich zu Herausforderungen Temperatur verbunden sind, gibt es Herausforderungen mit chemischen Aktivität. Bei 150 ° C, ist ein ePbBi positive Elektrode mit vielen gängigen Materialien chemisch kompatibel. Eine Natrium negative Elektrode jedoch korrodiert viele Materialien, oxidiert leicht und reagiert heftig mit Feuchtigkeit. Eine negative Lithiumelektrode ist auch aggressive, insbesondere weil Lithium basierende Flüssigmetall-Batterien typischerweise bei viel höheren Temperaturen. Obwohl diese Hochtemperatursysteme sind außerhalb des Umfangs dieser Arbeit viele der gleichen Maßnahmen zur Steuerung von chemischen Aktivität als bei jenen Systemen verwendet. Alle hier beschriebenen Experimente finden in einer mit Argon gefüllten Handschuhfach, die nur Spuren von Sauerstoff oder Feuchtigkeit. Der Batteriebehälter ist aus Legierung 304 rostfreiem Stahl, die minimal noch mit Lithium bei 550 ° C zersetzt werden. Die Thermoelemente und negativen StromSammler sind ebenfalls aus rostfreiem Stahl. Die Behältergeometrie so gewählt, daß Schiffe, die elektrochemische Prüfung von Flüssigmetall-Batterien übereinstimmt, um so nah wie möglich zu modellieren die Systeme, die kommerzialisiert werden. Das Gefäß, in Figur 2 dargestellt, ist zylindrisch mit einem 88,9 mm Innendurchmesser und einem 67 mm Tiefe. Alle Gefäßwände sind 6,4 mm dick. Der Behälter unterscheidet sich von denen früherer Versuche verwendet jedoch, daß es einen Ultraschall-Port hat. Der Port führt durch die Seitenwand entlang einer horizontalen Durchmesser des Zylinders, und das Zentrum der Öffnung beträgt 6,6 mm über dem Behälterboden. Der Hafen ist mit 8 mm Durchmesser, um ein 8 mm-Ultraschallwandler aufzunehmen und eine Dichtung um den Wandler mit einem Gesenk. In diesen Experimenten ist die flüssige Metallelektrode gerade tief genug, um den Ultraschallwandler, in der Regel 13 mm abzudecken.

Um starke Ultraschallsignale zu erreichen, gute akustische Übertragung erfordert einezwischen dem Ultraschallwandler und den Fluid es Sonden (ePbBi). Maximale akustische Leistung übertragen wird, wenn die akustische Impedanz des Wandlermaterials und der Testflüssigkeit identisch sind; wenn die Impedanzen abweichen, Signale zu leiden. Anordnen eines Ultraschallwandlers in direktem Kontakt mit sauberen ePbBi (wie durch den oben beschriebenen Port ermöglicht) bietet ausreichend Signal oft stundenlang zu einem Zeitpunkt. Metalloxide haben jedoch sehr unterschiedliche Impedanz und können auch mit Netz stören, indem die Oberflächenspannung. Wenn die ePbBi wesentlich oxidiert wird, Ultraschallsignale verschlechtern und bald verschwinden. Auch hier ist eine inerte Atmosphäre erforderlich. Wenn Spurenmengen von Sauerstoff führen einige Oxidations dennoch wird die Oberfläche des Metalloxids vor dem Übertragen ePbBi in das Batteriegefäß abgeschöpft.

Schließlich werden diese Experimente stellen Herausforderungen wegen der Anwesenheit von elektrischen Strömen. Obwohl die Ströme sind unsere zentralen wissenschaftlichen und technologischen interest, sie sind groß genug (30 A), Schaden zu verursachen, wenn sie falsch geleitet. Nicht geerdete Thermoelemente sorgen dafür, dass schädliche elektrische Ströme nicht durch das Datenerfassungsgerät oder den Computer übergeben, die es unterstützt, weil nicht geerdete Thermoelemente keine interne elektrische Verbindung von der Schutzhülle zu beiden Signaldraht haben. Ebenso ist es wichtig, nicht geerdeten Ultraschallwandler (Signalverarbeitungs SA, TR0805LTH) verwenden, um Streustrom an der Beschädigung der wertvollen Ultraschallgerät (Signalverarbeitungs SA, DOP 3010) zu verhindern. Wie zuvor erwähnt, ist der Boden des Ofens dient dazu, elektrischen Strom zu leiten, und ist auch von seiner Umgebung elektrisch isoliert sein.

Im ePbBi Elektrode, Strom bewirkt ohmsche Heizung, die Temperatur möglicherweise stören. Somit muß die automatisierte Wärmesteuersystem in der Lage, auf Änderungen in der Wärmeeingang einzustellen. 3 zeigt, wie die Temperatur des ePbBi Elektrode variiert curMiete durchströmt, und wie der PID-Regler stellt kompensieren. Die Aufrechterhaltung konstanten Temperatur mit großer Ströme (50 A = 800 mA / cm) würden zusätzliche Kühlung erfordern, aber bei niedrigeren Strömen realistischer für Flüssigmetall-Batterien für industrielle Anwendungen (typischerweise 17 A = 275 mA / cm ¹⁾ ist der Regler in der Lage für ohmsche Erwärmung zu kompensieren und halten Temperaturänderung um 2 ° C.

Protocol

1. System Setup und Montage Reinigen Sie den Ultraschallwandler mit Isopropanol. Laden Sie das Handschuhfach. Last erforderlichen Geräte und Materialien (einschließlich Ultraschallwandler, ePbBi, Rührstab und Thermoelemente) in den Handschuhkasten, folgen Sie den Anweisungen des Herstellers Handschuhfach, um das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit zu minimieren. Halten porösen Materialien unter Vakuum im Handschuhfach Vorkammer 12 Stunden vor dem Betreten des Handschuhf…

Representative Results

Das Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit (oben im Detail beschrieben) wurde von von Signalverarbeitungs SA Methoden angepasst. Im Prinzip kann die Schallgeschwindigkeit leicht durch Messen der Flugzeit eines Echos von einer Wand an bekannten Bereich erhalten werden. Aber gerade die Messung der effektiven Position des Wandlerfläche ist schwierig, so kann man anstelle der Flugzeit zweimal zu messen, mit einem Mikrometer, um die Wand durch einen bekannten Abstand zwischen den Messungen zu verdrängen. Dass Vers…

Discussion

Ultraschalltechniken können Geschwindigkeitsmessungen in Hunderten oder Tausenden von Orten in einem transparenten oder opaken Fluids, viele Male pro Sekunde zu erzeugen. In eine flüssige Metallelektrode angelegt wird, Ultraschalltechniken begegnet Anforderungen aufgrund hoher Temperatur, chemische Aktivität und elektrischen Leitfähigkeit. Die Methoden zur Überwindung dieser Herausforderungen und Durchflussmessung in flüssigen aktiven Metallelektroden wurden beschrieben. Zuerst wird ein Elektrodenmaterial unterlie…

Materials

K Type Thermocouple Probe	McMaster-Carr	3856K83	http://www.mcmaster.com/
Red Lion PID Controller	Red Lion	P1610000	http://store.redlion.net/store/p16.html
Measurement Computing Data Acquisition Device	Measurement Computing Corporation	USB-2408	http://www.mccdaq.com/index.aspx
Power Supply	TDK-Lambda	GEN 8-90-USB-U	http://us.tdk-lambda.com/hp/
Ultrasound Instrument	Signal Processing SA	DOP3010	http://www.signal-processing.com/index.html
Ultrasound Transducer	Signal Processing SA	TR0805LTH	http://www.signal-processing.com/index.html
Bismuth-Lead Eutectic	VWR	AA40949-P2	https://us.vwr.com/