Ultrasonido de medición de velocidad en un metal líquido Electrodo

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

Un número creciente de tecnologías electroquímicas depende de flujo de fluido, y con frecuencia que el líquido es opaco. Medir el flujo de un fluido opaco es inherentemente más difícil que medir el flujo de un fluido transparente, ya que los métodos ópticos no son aplicables. El ultrasonido puede ser usado para medir la velocidad de un fluido opaco, no sólo en puntos aislados, pero a cientos o miles de puntos dispuestos a lo largo de líneas, con buena resolución temporal. Cuando se aplica a un electrodo de metal líquido, velocimetría ultrasonido implica retos adicionales: alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica. Aquí se describe el aparato y los métodos que superar estos desafíos y permiten la medición de flujo en un electrodo de metal líquido, ya que conduce la corriente, a temperatura de funcionamiento experimental. La temperatura se regula dentro de ± 2 ° C por medio de un controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) que los poderes de un horno hecha a la medida. Actividad química es el hombreenvejecido eligiendo materiales de buques con cuidado y que encierra el montaje experimental en una caja de guantes de argón-llenado. Por último, trayectorias eléctricas no deseadas son cuidadosamente prevenidos. Un sistema automatizado registra ajustes de control y mediciones experimentales, utilizando señales de disparo de hardware para sincronizar dispositivos. Este aparato y estos métodos pueden producir mediciones que son imposibles con otras técnicas, y permitir la optimización y el control de las tecnologías electroquímicas como las baterías de metal líquido.

Introduction

Baterías de metal líquido son una tecnología prometedora para proporcionar almacenamiento de energía a gran escala en las redes eléctricas de todo el mundo ^1. Estas baterías ofrecen una alta densidad de energía, alta densidad de potencia, largo ciclo de vida, y de bajo costo, lo que es ideal para el almacenamiento de energía a escala de malla ^3. Presentación de las baterías de metal líquido a la red de energía permitiría pico de afeitar, mejorar la estabilidad de la red y permitir el uso más generalizado de las fuentes renovables intermitentes como la solar, eólica y mareomotriz. Baterías de metal líquido se componen de dos electrodos metálicos líquidos separados por un electrolito de sal fundida, tal como se describe en mayor detalle en el trabajo previo ^1. Aunque muchas combinaciones diferentes de metales y electrolitos pueden resultar en una batería de metal líquido de trabajo, los principios de funcionamiento siguen siendo los mismos. Los metales se eligen de manera que es energéticamente favorable para ellos para formar una aleación; por tanto, de aleación descarga la batería, y los cargos de-aleación de TI. El salt capa se elige de manera que permite el paso de iones metálicos entre los dos electrodos, pero bloquea el transporte de especies neutras, proporcionando así el control electroquímico del sistema.

Este trabajo avanza la tecnología de baterías de metal líquido mediante la cuantificación y control de los efectos de transporte masivo. Los métodos descritos aquí son informados por métodos electroquímicos desarrollados para las baterías de metal líquido por Sadoway et al. ^1-4, así como a principios de trabajo de la batería de metal líquido a Argonne National Laboratory ^5,6, y el trabajo de la comunidad más amplia electroquímico (Bard y Faulkner ⁷ proporcionar muchas referencias pertinentes). Los métodos descritos aquí también se basan en anteriores estudios de dinámica de fluidos. Ultrasonido velocimetría se desarrolló y se utilizó por primera vez en el agua ^8,9 y desde entonces se ha aplicado a los metales líquidos incluyendo galio ^{10,11, 12,13} de sodio, mercurio ^14, plomo y bismuto ^15, cobre y estaño ^{15 <}/ Sup>, y plomo-litio ^16, entre otros. Eckert et al. Proporcionar una revisión útil de velocimetría en metales líquidos ^17.

Métodos de trabajo utilizando recientes similares a las descritas aquí ¹⁸ ha demostrado que las corrientes de la batería pueden mejorar el transporte masivo en electrodos de metal líquido. Debido a que el transporte de masa en el electrodo positivo es el paso limitante de la velocidad en la carga y descarga de las baterías de metal líquido, mezcla, por tanto, permite la carga y la descarga más rápida de lo que sería posible. Además de mezcla impide inhomogeneidades locales en el electrodo, que puede formar sólidos que limitan el ciclo de vida de una batería. En los trabajos en curso, continuamos estudiando el papel del flujo de fluido en el electrodo positivo de la batería de metal líquido, que surge debido a fuerzas térmicas y electromagnéticas. Los gradientes térmicos en coche flujo convectivo a través de flotabilidad, y corrientes de la batería en coche flujo mediante la interacción con los campos magnéticos inducidos por el bateadorY corrientes sí mismos. En experimentos usando los métodos descritos a continuación, hemos observado flujos con número de Reynolds 50 <Re <200, calculado a partir de la profundidad del electrodo y la velocidad de la raíz cuadrada media. Se está realizando una caracterización minuciosa experimental y utilizará el conjunto de datos resultante para construir modelos predictivos de la batería. El objetivo de este manuscrito es en el diseño y procedimientos necesarios para producir tales datos experimentales. Ultrasonido velocimetría proporciona la mayor parte de las mediciones, y las condiciones experimentales debe ser controlada cuidadosamente con el fin de utilizar el ultrasonido con éxito en metal líquido. Alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica deben todos ser manejados con cuidado.

En primer lugar, las baterías de metal líquido operan necesariamente a alta temperatura, debido a que ambos metales y la sal que los separa deben ser fundido. Una opción prometedora de materiales, que utiliza litio como el electrodo negativo, el plomo-antimonio como el elec positivoelectrodo, y una mezcla eutéctica de sales de litio como electrolito, requiere temperaturas alrededor de 550 ° C. La medición del flujo de un fluido opaco a temperaturas tan altas es bastante difícil. Transductores de ultrasonido de alta temperatura, que separan los componentes electro-acústica delicados desde el fluido de ensayo con una guía de ondas acústicas, se han demostrado ¹⁵ y comercializado. Sin embargo, debido a que los transductores tienen pérdida de inserción cerca de 40 dB, y debido a la dificultad general de trabajar a tales temperaturas, un sistema sustituto ha sido elegido para el estudio inicial: una batería de metal líquido también puede hacerse usando sodio como el electrodo negativo, eutéctica 44% de plomo 56% de bismuto (en lo sucesivo, ePbBi) como el electrodo positivo, y una mezcla eutéctica de triple de sales de sodio (10% de yoduro de sodio, 38% de hidróxido sódico, 52% de amida de sodio) como el electrólito. Una batería de este tipo es totalmente fundido por encima de 127 ° C, lo que es mucho más susceptible de estudio de laboratorio. Debido a que se compone de tres líquidocapas separadas por densidad, que está sujeta a la misma física que otras baterías de metal líquido. Y es compatible con los transductores de ultrasonido de fácil acceso, que están clasificados a 230 ° C, implican pérdidas de guía de ondas, y cuestan mucho menos que los transductores de alta temperatura. Estos experimentos se llevan a cabo normalmente a 150 ° C. A esa temperatura, ePbBi tiene viscosidad ν = 2,79 x 10 ^-7 m ² / seg, difusividad térmica κ = 6,15 x 10 ^-6 m ² / seg, y la difusividad magnética η = 0,8591 m ² / seg, de tal manera que su número de Prandtl es Pr = ν / κ = 4,53 x 10 ^-2 y su número de Prandtl magnético es Pm = ν / η = 3,24 x 10 ^-7.

Aunque esta baja temperatura química de la batería de metal líquido hace estudios de flujo mucho más fácil de lo que serían en baterías más calientes, la temperatura, sin embargo, debe ser manejado con cuidado. Siendo dispositivos electroacústicos delicados, transductores de ultrasonido son susceptible dañar por choque térmico, y por lo tanto debe ser calentado gradualmente. Mediciones de ultrasonido de alta calidad también requieren una cuidadosa regulación de la temperatura. Ultrasonido velocimetría funciona como sonar, como se muestra en la Figura 1: El transductor emite un pitido (aquí, la frecuencia es de 8 MHz), entonces la escucha de ecos. Al medir el tiempo de vuelo del eco, la distancia al cuerpo haciendo eco se puede calcular, y midiendo el desplazamiento Doppler del eco, un componente de la velocidad del cuerpo también se puede calcular. En el agua, se deben agregar las partículas trazadoras para producir ecos, pero no hay partículas trazadoras son necesarios en los metales líquidos, un hecho que no se entiende en detalle, pero por lo general se atribuye a la presencia de partículas de óxido de metal pequeñas. Cada medida es la media de todas las partículas trazadoras en un volumen de interrogación; en este trabajo, su diámetro mínimo es de 2 mm, a una distancia de 30 mm de la sonda. Aunque la oxidación puede llegar a limitar la duración de los experimentos, utilizando THmétodos e describen a continuación, hemos realizado mediciones de forma continua durante todo el tiempo de 8 horas.

Cálculo de distancia o velocidad requiere conocer la velocidad del sonido en el fluido de ensayo, y que la velocidad varía con la temperatura. El trabajo que se describe aquí se centra en el flujo en el electrodo negativo ePbBi, donde la velocidad del sonido es de 1.766 m / seg a 150 ° C, 1765 m / seg a 160 ° C y 1767 m / seg a 140 ° C ^19. Por lo tanto inadecuado control de temperatura introduciría errores sistemáticos en las mediciones de ultrasonido. Un dispositivo fue construido para medir la velocidad del sonido en ePbBi, la búsqueda de valores coherentes con los publicados y aceptados por la Agencia de Energía Nuclear de ¹⁹ (ver más abajo). Finalmente, puesto que la convección térmica es un conductor primario de flujo en baterías de metal líquido, tanto la temperatura media y la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del electrodo ePbBi afectar directamente observaciones. Para obtener resultados consistentes, precisas térmicacontrol es esencial.

En consecuencia, la temperatura se mide continuamente con al menos tres termopares de tipo K, registrando sus mediciones electrónicamente con un dispositivo de adquisición basado en ordenador y un programa personalizado LabView-escrito. El programa también controla la fuente de alimentación que proporciona corriente de la batería, a través de una conexión USB; registra la corriente de la batería y la tensión; y envía pulsos de disparo para el instrumento de ultrasonido, de modo que sus datos se pueden sincronizar con las otras mediciones. Un diagrama de sistema se muestra en la Figura 2. El calor es proporcionado por un horno construido a medida (también se muestra en la Figura 2), que contiene dos elementos calefactores industriales 500-W accionados por un relé de conmutación por a-integral-diferencial proporcional (PID) controlador. La placa base que soporta elementos de la batería es de aluminio sólido; porque su conductividad térmica es un orden de magnitud más alta que la conductividad térmica de la st inoxidablerecipiente de pilas anguila y la ePbBi que contiene ^19, la temperatura del suelo del horno es aproximadamente uniforme. Además, la base de aluminio se dobla como un camino para que las corrientes eléctricas que pasan a través del electrodo. Su conductividad eléctrica es también un orden de magnitud mayor que la de acero inoxidable o ePbBi, por lo que la tensión de la piso del horno es también aproximadamente uniforme. Patas aislantes separan la base del banco superior abajo, evitando quemaduras y pantalones cortos. Los lados de la nave de la batería están aislados con aislamiento cerámico de sílice, cortar para ajustarse a la vasija de cerca sino dejad lugar a acceder a puerto ecografía de la célula. Finalmente, un politetrafluoroetileno (PTFE) tapa aísla la célula desde arriba y mantiene el colector de corriente negativo y termopares en su lugar. Aunque placas calientes disponibles comercialmente pueden alcanzar las temperaturas requeridas para estos experimentos, nuestro horno construido a medida mantiene la temperatura con un orden de magnitud menor variación, unaTambién nd nos permite medir la energía de calor directamente.

Además de los retos asociados con la temperatura, hay desafíos asociados con la actividad química. A 150 ° C, un electrodo positivo ePbBi es químicamente compatible con muchos materiales comunes. Un electrodo negativo de sodio, sin embargo, se corroe muchos materiales, se oxida fácilmente, y reacciona vigorosamente con la humedad. Un electrodo negativo de litio también es agresivo, sobre todo porque las baterías de metal líquido a base de litio funcionan típicamente a temperaturas mucho más altas. Aunque los sistemas de mayor temperatura están fuera del alcance de este trabajo, muchas de las mismas medidas para la gestión de la actividad química se utilizan aquí como en esos sistemas. Todos los experimentos descritos aquí se llevan a cabo en una caja de guantes llena de argón que contiene sólo trazas de oxígeno o humedad. El recipiente de la batería está hecha de aleación de acero inoxidable 304, que corroe mínimamente incluso con litio a 550 ° C. Los termopares y corriente negativacolector también están hechos de acero inoxidable. La geometría buque se elige para que coincida con los buques utilizados para la prueba electroquímica de baterías de metal líquido, para modelar lo más cerca posible de los sistemas que están siendo comercializados. El recipiente, que se muestra en la Figura 2, es cilíndrica, con un diámetro interior 88,9 mm y una profundidad de 67 mm. Todas las paredes de los vasos son de 6,4 mm de espesor. El recipiente difiere de los utilizados para los experimentos anteriores, sin embargo, en que tiene un puerto de ultrasonido. El puerto pasa a través de la pared lateral a lo largo de un diámetro horizontal del cilindro, y el centro del puerto es 6,6 mm por encima del suelo del vaso. El puerto es de 8 mm de diámetro para dar cabida a un transductor de ultrasonidos 8 mm, y los sellos de todo el transductor con una estampación. En estos experimentos, el electrodo de metal líquido es sólo lo suficientemente profundo para cubrir el transductor de ultrasonidos, típicamente 13 mm.

A fin de lograr fuertes señales de ultrasonido, se requiere una buena transmisión acústicaentre el transductor de ultrasonido y las sondas de TI de fluido (ePbBi). La potencia máxima acústica se transmite cuando la impedancia acústica del material transductor y el fluido de ensayo son idénticos; cuando las impedancias difieren, las señales sufren. La colocación de un transductor de ultrasonido en contacto directo con la limpieza ePbBi (como se hizo posible por el puerto se ha descrito anteriormente) proporciona un amplio señal, a menudo durante horas a la vez. Óxidos de metal, sin embargo, tienen muy diferente impedancia, y también pueden interferir con la humectación mediante la alteración de la tensión superficial. Si el ePbBi se oxida sustancialmente, las señales de ultrasonido se degradan y pronto desaparecen. Una vez más, una atmósfera inerte es esencial. Si trazas de oxígeno causan algo de oxidación, sin embargo, la superficie del óxido metálico es desnatada antes de transferir ePbBi en el recipiente de la batería.

Finalmente, estos experimentos desafíos presentes debido a la presencia de corrientes eléctricas. Aunque las corrientes son nuestra inter científica y tecnológica centroest, que son suficientes (30 A) grande como para causar daño si enrutado incorrectamente. Termopares sin conexión a tierra a asegurar que las corrientes eléctricas dañinas no pase a través del dispositivo de adquisición de datos o el equipo que lo apoya, porque termopares sin conexión a tierra no tienen conexión eléctrica interna de la funda protectora para cualquiera de los cables de señal. Asimismo es imprescindible el uso de transductores de ultrasonido sin conexión a tierra (de procesamiento de señal SA, TR0805LTH) para evitar corrientes parásitas de dañar el instrumento de ultrasonido valioso (Signal-Processing SA, DOP 3010). Como se mencionó anteriormente, la base del horno sirve para conducir la corriente eléctrica, y también debe ser eléctricamente aislado de su entorno.

En el electrodo ePbBi, corriente hace que el calentamiento óhmico, lo que podría alterar la temperatura. Así, el sistema de control térmico automatizado debe ser capaz de adaptarse a los cambios en la entrada de calor. La Figura 3 muestra cómo la temperatura del electrodo ePbBi varía como curalquiler fluye a través de él, y cómo el controlador PID ajusta para compensar. Mantener la temperatura constante con grandes corrientes (50 A = 800 mA / cm) requeriría una refrigeración adicional, pero en las corrientes más bajas más realistas para las baterías de metal líquido en aplicaciones industriales (típicamente 17 A = 275 mA / cm ^1), el controlador es capaz para compensar el calentamiento óhmico y mantenga variación de la temperatura a 2 ° C.

Protocol

1. Configuración del sistema y de la Asamblea Limpiar el transductor de ultrasonidos con isopropanol. Cargue la guantera. Cargar el equipo necesario y los materiales (incluyendo transductor de ultrasonido, ePbBi, varilla agitadora y termopares) en la guantera, siguiendo las instrucciones del fabricante guantera para minimizar la entrada de oxígeno y la humedad. Mantenga los materiales porosos en vacío en la antecámara guantera durante 12 horas antes de entrar en la guantera. <…

Representative Results

El procedimiento para medir la velocidad del sonido (descrito en detalle anteriormente) fue adaptado de métodos utilizados por los de procesamiento de señal SA. En principio, la velocidad del sonido se puede obtener fácilmente mediante la medición del tiempo de vuelo de un eco desde una pared en la gama conocida. Pero medir con precisión la localización efectiva de la cara del transductor es difícil, así que en vez se puede medir el tiempo de vuelo en dos ocasiones, con un micrómetro para desplazar la pared por…

Discussion

Técnicas de ultrasonido pueden producir mediciones de velocidad en cientos o miles de ubicaciones en un fluido transparente u opaco, muchas veces por segundo. Aplicado a un electrodo de metal líquido, técnicas de ultrasonido se encuentran con desafíos de alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica. Se han descrito los métodos para superar esos desafíos y medición de flujo en electrodos metálicos líquidos activos. En primer lugar, un material de electrodo sujeto a la misma física como de …

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/