O ultra-som de velocidade de medição em um eletrodo de metal líquido

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

Um número cada vez maior de tecnologias electroquimicos dependem do fluxo de fluido, e muitas vezes a que o fluido é opaco. Medindo o fluxo de um fluido opaco é inerentemente mais difíceis de medir o fluxo de um fluido transparente, uma vez que os métodos ópticos não são aplicáveis. O ultra-som pode ser utilizada para medir a velocidade de um fluido opaco, não apenas em pontos isolados, mas em centenas ou milhares de pontos dispostos ao longo de linhas, com boa resolução temporal. Quando aplicada a um eléctrodo de metal líquido, velocimetria de ultra-sons envolve desafios adicionais: alta temperatura, química, actividade e condutividade eléctrica. Aqui nós descrevemos a aparelhos e métodos que superar estes desafios e permitem a medição de fluxo em um eletrodo de metal líquido, como ele conduz corrente, à temperatura de funcionamento experimental. A temperatura é regulada dentro de ± 2 ° C usando um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) que os poderes de um forno custom-built. Atividade química é homemenvelhecido, escolhendo cuidadosamente os materiais da embarcação e que encerra a montagem experimental em uma caixa de luvas cheia de árgon. Finalmente, trajectórias eléctricas não desejadas são cuidadosamente evitada. Um sistema automatizado registra configurações de controle e medições experimentais, utilizando sinais de disparo hardware para sincronizar os dispositivos. Este aparelho e estes métodos podem produzir medições que são impossíveis com outras técnicas, e que permita optimizar e controlo de tecnologias como as pilhas electroquímicas de metal líquido.

Introduction

Baterias de metal líquidos são uma tecnologia promissora para fornecer armazenamento de energia em grande escala sobre redes elétricas em todo o mundo ^um. Estas baterias oferecem alta densidade energética, alta densidade de energia, ciclo de vida longo, e baixo custo, tornando-os ideais para o armazenamento de energia grade escala ^3. Apresentando baterias de metal líquido para a rede de energia permitiria pico de barbear, melhorar a estabilidade da rede e permitir um uso mais generalizado de fontes renováveis ​​intermitentes, como solar, eólica e energia das marés. Pilhas de metal líquido são constituídos por dois eléctrodos de metal líquido separados por um electrólito de sal fundido, como descrito em maior detalhe em trabalhos anteriores ^1. Embora muitas combinações diferentes de metais e de electrólito pode resultar em uma pilha de metal líquido de trabalho, os princípios de operação permanecem os mesmos. Os metais são escolhidos de tal modo que é energeticamente favorável para eles de modo a formar uma liga; assim liga descarrega a bateria, e-liga de carregar o cartão. A salt camada é escolhido de modo que ele permite que os iões metálicos para passar entre os dois eléctrodos, mas bloqueia o transporte de espécies neutras, proporcionando assim o controlo do sistema electroquímico.

Este trabalho vai avançar tecnologia de bateria de metal líquido por quantificar e controlar os efeitos de transporte de massa. Os métodos descritos aqui são informados por métodos eletroquímicos desenvolvidos para baterias de metal líquido por Sadoway et al ^1-4, bem como anteriormente líquido trabalho bateria de metal no Laboratório Nacional Argonne ^5,6, eo trabalho da comunidade mais ampla eletroquímica (Bard e Faulkner. ⁷ fornecem muitas referências relevantes). Os métodos descritos aqui também construir em cima de anteriores estudos de dinâmica de fluidos. O ultra-som velocimetria foi desenvolvido e utilizado pela primeira vez em água desde ^8,9 e foi aplicado a metais líquidos incluindo gálio ^{10,11, 12,13} sódio, ¹⁴ mercúrio, chumbo e bismuto ^15, de cobre-estanho ^{15 <}/ Sup>, e levar-lítio ^16, entre outros. Eckert et al. Fornecer uma análise útil da velocimetria em metais líquidos ^17.

Trabalho através de métodos recentes semelhantes aos descritos aqui ¹⁸ mostrou que as correntes da bateria pode aumentar o transporte de massa em eletrodos de metal líquido. Como o transporte de massa do eléctrodo positivo é o passo limitante da velocidade na carga e descarga das baterias de metal líquido, misturando, por conseguinte, permite a carga e descarga mais rápida do que de outro modo seria possível. Além disso evita mistura inomogeneidades locais no eléctrodo, que podem formar sólidos que limitam a vida útil de uma bateria. No trabalho em curso, que continuam a estudar o papel do fluxo de fluido no eléctrodo positivo da bateria de metal líquido, que resulta do facto de as forças electromagnéticas e térmicas. Gradientes térmicos dirigir fluxo convectivo através de flutuabilidade, e conduzir o fluxo de correntes de bateria através da interacção com os campos magnéticos induzidos por o batedory correntes si. Em experimentos utilizando os métodos descritos a seguir, temos observado fluxos com o número de Reynolds 50 <Re <200, calculado a partir da profundidade do eletrodo e velocidade-quadrático médio. A caracterização experimental completa está sendo realizada e vai usar o conjunto de dados resultante para construir modelos preditivos de bateria. O foco deste artigo é sobre a concepção e procedimentos necessários para produzir tais dados experimentais. O ultra-som velocimetria fornece a maior parte das medições, e as condições experimentais devem ser cuidadosamente controlados, a fim de utilizar ultra-sons com sucesso no metal líquido. Alta temperatura, a atividade química, e condutividade elétrica devem ser gerenciados com cuidado.

Em primeiro lugar, as pilhas de metal líquido necessariamente operar a alta temperatura, porque ambos os metais e o sal que separa-los deve ser fundida. Uma opção promissora de materiais, que usa lítio como o eletrodo negativo, levar-antimônio como o elec positivoeléctrodo, e uma mistura eutética de sais de lítio como electrólito, requer temperaturas ao redor de 550 ° C. Medindo o fluxo de um fluido opaco a temperaturas tão elevadas é bastante difícil. Os transdutores de ultra-som de alta temperatura, que separam os componentes electro-acústicos delicados do fluido de teste com uma guia de onda acústica, foram demonstradas ¹⁵ e comercializada. No entanto, porque os transdutores têm perda de inserção perto de 40 dB, e por causa da dificuldade de trabalhar geral a tais temperaturas, um sistema substituto foi escolhido para estudo inicial: uma pilha de metal líquido pode também ser feita usando sódio como o eléctrodo negativo, eutética 44% de chumbo 56% de bismuto (daqui em diante, ePbBi) como o eléctrodo positivo, e uma mistura eutética de triplo sais de sódio (iodeto de sódio 10%, hidróxido de sódio a 38%, de amida de sódio 52%) como o electrólito. Essa bateria é totalmente fundido acima de 127 ° C, tornando-o muito mais passíveis de estudo de laboratório. Uma vez que é composto por três líquidoscamadas separadas por densidade, é sujeita ao mesmo física como outras baterias de metal líquido. E é compatível com transdutores de ultra-som prontamente disponíveis, que são classificados para 230 ° C, não envolvem perdas de guia de onda, e custam muito menos do que os transdutores de alta temperatura. Estas experiências ocorrem tipicamente a 150 ° C. A essa temperatura, ePbBi tem viscosidade ν = 2,79 x 10 ^-7 m ² / s, difusividade térmica κ = 6,15 x 10 ^-6 m ² / s, e difusividade magnética η = 0,8591 ^m2 / seg, de tal modo que o seu número de Prandtl é Pr = ν / κ = 4,53 x 10 ^-2 eo número de Prandtl magnético é Pm = ν / η = 3,24 x 10 ^-7.

Embora esta baixa temperatura líquido química da bateria de metal faz estudos de fluxo muito mais fácil do que seriam em baterias mais quentes, a temperatura deve, contudo, ser gerido com cuidado. Sendo dispositivos eletro-acústico delicados, transdutores de ultra-som são susceptible danos por choque térmico, e, portanto, deve ser aquecido gradualmente. Ultra-som de alta qualidade também requerem cuidadosa regulação de temperatura. O ultra-som velocimetria funciona como sonda, conforme mostrado na Figura 1: o transdutor emite um sinal sonoro (aqui, a frequência é de 8 MHz), em seguida, ouve ecos. Através da medição do tempo de voo do eco, a distância ao corpo eco pode ser calculada, e medindo o deslocamento de Doppler do eco, uma componente da velocidade do corpo pode também ser calculada. Em água, partículas marcadoras deve ser adicionado para produzir ecos, mas não há partículas marcadoras são necessários em metais líquidos, um facto que não é entendida em detalhe, mas é geralmente atribuída à presença de pequenas partículas de óxido de metal. Cada medição é uma média ao longo de todas as partículas de traçadores em um volume de interrogatório; Neste trabalho, o seu diâmetro mínimo é de 2 mm, a uma distância de 30 mm da sonda. Embora a oxidação pode eventualmente limitar a duração das experiências, utilizando the métodos descritos abaixo, fizemos as medições continuamente durante o tempo que 8 horas.

Calculando distância ou velocidade requer sabendo a velocidade do som no fluido de teste, e que a velocidade varie com a temperatura. O trabalho descrito aqui concentra-se em fluxo no eléctrodo negativo ePbBi, onde a velocidade do som é 1,766 m / s a 150 ° C, 1765 m / seg a 160 ° C e 1767 m / seg a 140 ° C ^19. Assim, o controle inadequado da temperatura iria introduzir erros sistemáticos nas medições de ultra-som. Um dispositivo foi construído para medir a velocidade do som em ePbBi, encontrando valores consistentes com os publicados e aceites pela Agência para a Energia Nuclear ¹⁹ (veja abaixo). Finalmente, uma vez que a convecção térmica é um condutor primário de fluxo em pilhas de metal líquido, tanto a temperatura média e a diferença de temperatura entre a parte superior e inferior do eléctrodo ePbBi afectar directamente observações. Para obter resultados consistentes, precisos térmicacontrolo é essencial.

Por conseguinte, a temperatura é medida continuamente com pelo menos três termopares tipo K, registrar suas medições electronicamente com um dispositivo de aquisição baseado em computador e um programa LabView escrita por medida. O programa também controla a fonte de alimentação que fornece corrente da bateria, através de uma conexão USB; registra a corrente da bateria e tensão; e envia impulsos de disparo para o instrumento de ultra-sons, de modo que os dados podem ser sincronizados com as outras medições. Um diagrama de sistema é mostrado na Figura 2. O calor é fornecido por um forno de encomenda (também mostrado na Figura 2), que contém dois elementos de aquecimento industriais de 500 W alimentado por um relé comutada por um proporcional-integral-diferencial (PID) controlador. A placa de base que suporta as células da bateria é feita de alumínio sólido; porque a sua condutividade térmica é uma ordem de magnitude mais elevada do que a condutividade térmica do r inoxidávelrecipiente de célula de bateria e a enguia ePbBi que contém ^19, a temperatura do fundo do forno é aproximadamente uniforme. Além disso, a base de alumínio funciona como um caminho para as correntes elétricas que passam através do eletrodo. A sua condutibilidade eléctrica é também uma ordem de magnitude mais elevada que a do aço inoxidável ou ePbBi, de modo que a tensão do fundo do forno é também de aproximadamente uniforme. Pernas isolantes separar a base do banco top abaixo, evitando queimaduras e shorts. Os lados da embarcação bateria são isolados com sílica isolamento cerâmico, cortado para caber o navio de perto, mas deixar espaço para acessar porta ultra-som da célula. Finalmente, uma tampa de politetrafluoretileno (PTFE) isola a célula a partir de cima e mantém o colector de corrente negativa e termopares no lugar. Embora as placas quentes disponíveis comercialmente podem atingir as temperaturas exigidas para estas experiências, a fornalha com especificação mantém a temperatura com uma ordem de grandeza menor variação, umand também nos permite medir a potência de calor diretamente.

Em adição aos desafios associados com a temperatura, existem desafios associados com actividade química. A 150 ° C, um eléctrodo positivo ePbBi é quimicamente compatível com muitos materiais comuns. Um eletrodo negativo de sódio, no entanto, corrói muitos materiais, oxida facilmente, e reage vigorosamente com a umidade. Um eletrodo negativo de lítio também é agressivo, especialmente porque as baterias de metal líquido à base de lítio funcionam tipicamente temperaturas muito mais altas. Embora esses sistemas de alta temperatura são fora do âmbito do presente trabalho, muitas das mesmas medidas de gestão actividade química são aqui utilizados como naqueles sistemas. Todas as experiências descritas aqui têm lugar em uma caixa de luvas cheia de argônio contendo apenas vestígios de oxigénio ou humidade. O recipiente da bateria é feita de liga de aço inoxidável 304, que corrói minimamente mesmo com lítio a 550 ° C. Os termopares e corrente negativacolector também são feitos de aço inoxidável. A geometria do vaso é escolhido para coincidir com as embarcações utilizadas para o teste eletroquímico de baterias de metal líquido, para modelar, tanto quanto possível os sistemas que estão sendo comercializados. O recipiente, representado na Figura 2, é cilíndrica, com um diâmetro interno de 88,9 milímetros e uma profundidade de 67 milímetros. Todas as paredes dos vasos são de 6.4 mm de espessura. O recipiente difere dos utilizados para experiências anteriores, no entanto, na medida em que tem uma porta de ultra-som. A porta passa através da parede lateral ao longo de um diâmetro horizontal do cilindro, e o centro da porta é de 6,6 mm acima do chão vaso. A porta é de 8 mm de diâmetro para acomodar um transdutor de ultra-sons 8 mm, e vedantes em torno do transdutor com um recalcamento. Nestas experiências, o eléctrodo de metal líquido está a uma profundidade suficiente para cobrir o transdutor de ultra-sons, tipicamente 13 mm.

A fim de atingir os sinais de ultra-som fortes, requer uma boa transmissão acústicaentre o transdutor de ultra-sons e as sondas (la fluida ePbBi). Potência acústica máxima é transmitido quando a impedância acústica do material transdutor e o fluido de teste são idênticos; quando as impedâncias diferentes, os sinais de sofrer. Colocar um transdutor de ultra-som em contato direto com limpo ePbBi (como possibilitada pela porta descrito acima) fornece sinal amplo, muitas vezes por horas em um momento. Óxidos de metal, no entanto, tem muito impedância diferente, e pode também interferir com humedecimento por alteração da tensão superficial. Se o ePbBi é substancialmente oxidada, os sinais de ultra-som degradar mais rapidamente e desaparecer. Mais uma vez, uma atmosfera inerte é essencial. Se pequenas quantidades de oxigénio causar alguma oxidação, no entanto, a superfície do óxido de metal é desnaturado antes da transferência para o recipiente de ePbBi bateria.

Finalmente, estas experiências apresentam desafios devido à presença de correntes eléctricas. Embora as correntes são o nosso científica e tecnológica entre centroest, eles são grandes o suficiente (30 A) para causar danos se encaminhado de forma incorreta. Termopares não aterrados garantir que as correntes elétricas nocivas não passam através do dispositivo de aquisição de dados ou o computador que suporta-lo, porque termopares não aterrados não têm nenhuma conexão elétrica interna da bainha protetora para qualquer um dos fios de sinal. Da mesma forma, é imprescindível a utilização de transdutores de ultra-som não aterrados (Signal-Processing SA, TR0805LTH) para evitar a corrente de fuga de danificar o instrumento valioso de ultra-som (Signal-Processing SA, DOP 3010). Como mencionado anteriormente, a base do forno serve para conduzir a corrente eléctrica, e também deve ser electricamente isolado da sua envolvente.

No eléctrodo ePbBi, corrente provoca aquecimento óhmico, perturbando potencialmente a temperatura. Assim, o sistema automatizado de controlo térmico deve ser capaz de ajustar a alterações na entrada de calor. A Figura 3 mostra a forma como a temperatura do eléctrodo ePbBi varia como curaluguel flui através dele, e como o controlador PID ajusta para compensar. A manutenção da temperatura constante com grandes correntes (50 A = 800 mA / cm) iria exigir um arrefecimento adicional, mas aqui as correntes mais baixas mais realistas para pilhas de metal líquido em aplicações industriais (tipicamente 17 A = 275 mA / cm ^1), o controlador é capaz para compensar aquecimento óhmico e mantenha variação da temperatura a 2 ° C.

Protocol

1. Configuração do Sistema e Assembléia Limpar o transdutor de ultra-sons com isopropanol. Coloque o porta-luvas. Equipamentos necessários de carga e materiais (incluindo transdutor de ultra-som, ePbBi, vareta, e termopares) no porta-luvas, seguindo as instruções do fabricante do porta-luvas para minimizar a entrada de oxigénio e humidade. Mantenha materiais porosos sob vácuo na antecâmara luvas durante 12 horas antes de entrar no porta-luvas. Sintoniz…

Representative Results

O procedimento para medir a velocidade do som (descrito em detalhe acima) foi adaptado de métodos usados ​​por processamento de sinal-SA. Em princípio, a velocidade do som pode facilmente ser obtida pela medição do tempo de voo de um eco de uma parede na gama conhecida. Mas medir com precisão a localização efectiva da face do transdutor é difícil, por isso, em vez pode-se medir o tempo de voo por duas vezes, utilizando um micrómetro para deslocar a parede por uma distância conhecida entre as medições. E…

Discussion

Técnicas de ultra-som pode produzir medições de velocidade em centenas ou milhares de locais em um líquido transparente ou opaco, muitas vezes por segundo. Aplicada a um eletrodo de metal líquido, técnicas de ultra-som encontrar desafios de alta temperatura, a atividade química, e condutividade elétrica. Os métodos para superar estes desafios e medindo o fluxo de metal líquido em eléctrodos activos foram descritos. Em primeiro lugar, um material de eléctrodo sujeitos ao mesmo física como eléctrodos de alta…

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/