Att förlänga livslängden på löslig bly flöde batterier med en natrium acetat tillsats
Summary
Ett protokoll för byggandet av en löslig bly flöde batteri med en utökad livslängd, i vilken natrium acetat levereras i methanesulfonic elektrolyten som tillsats, presenteras.
Abstract
I denna rapport presenterar vi en metod för byggande av en löslig bly flöde batteri (SLFB) med en utökad livslängd. Genom att leverera en tillräcklig mängd natriumacetat (NaOAc) till elektrolyten, demonstreras en cykel livsförlängning av över 50% för SLFBs via långsiktiga galvanostatic laddning/urladdning experiment. En högre kvalitet på den PbO2 electrodeposit vid den positiva elektroden är kvantitativt validerad för NaOAc-lade elektrolyt genom att kasta index (TI) mätningar. Bilder som förvärvats av svepelektronmikroskopi (SEM) uppvisar också mer integrerad PbO2 ytan morfologi när SLFB drivs med NaOAc-lade till elektrolyten. Detta arbete visar att elektrolyten modifiering kan vara en trolig rutt till ekonomiskt aktivera SLFBs för storskalig energilagring.
Introduction
Förnybar energi inklusive sol och vind har utvecklats under decennier, men deras intermittenta natur utgör stora utmaningar. För en framtida elnätet med förnybara energikällor som ingår, grid stabilisering och last utjämning är kritiska och kan uppnås genom att integrera energilagring. Redox flöde batterier (RFBs) är en av de lovande alternativen för grid-skala energilagring. Traditionella RFBs innehåller jonselektiva membran skiljer Anolyt och Katolyt; exempelvis all-vanadin RFB har visat sig fungera med hög effektivitet och en lång cykel liv1,2. Deras marknadsandel som energilagring är dock mycket begränsad delvis på grund av de dyra bestående av material och ineffektiva jonselektiva membran. Däremot, presenteras en single-flow löslig bly flöde batteri (SLFB) av Plectcher et al. 1 , 2 , 3 , 4 , 5. the SLFB är membran-mindre eftersom den har endast en aktiv arter, Pb(II) joner. PB(II) joner är elektropläteras vid den positiva elektroden som PbO2 och den negativa elektroden som Pb samtidigt under laddning, och konvertera tillbaka till Pb(II) under urladdning. En SLFB måste därför en Cirkulationspump och en elektrolyt ackumulatortank på bara, som i sin tur kan leda till minskad kapital och operativ kostnad jämfört med konventionella RFBs. SLFBs, publicerade livscykel är dock hittills begränsad till mindre än 200 cykler enligt normala villkor6,7,8,9,10.
Faktorer som leder till en kort SLFB livslängd är preliminärt associerad med avsättning/upplösning av PbO2 vid den positiva elektroden. Under laddning/urladdning processer, elektrolyt surhetsgraden finns för att öka över djupa eller upprepade cykler11och protoner föreslås för att inducera generering av en passivering lager av icke-stökiometriska PbOx12, 13. avgivande av PbO2 är ett annat fenomen relaterade till SLFB nedbrytning. Skjul PbO2 partiklar är oåterkalleliga och inte längre kan utnyttjas. SLFBs coulombic effektivitet (CE) minskar bildpunkter på grund av obalanserad elektrokemiska reaktioner samt ackumulerade electrodeposits på båda elektroderna. För att förlänga livscykel SLFBs, stabilisera pH är svängningar och electrodeposit struktur kritiska. En nyligen papper visar en förbättrad prestanda och längre livslängd av SLFBs med tillägg av natriumacetat (NaOAc) i methanesulfonic elektrolyt11.
Här beskrivs ett detaljerat protokoll för att anställa NaOAc som tillsats till methanesulfonic elektrolyten i SLFBs. SLFB prestanda visas att förbättras och livslängd kan förlängas med över 50% i jämförelse med SLFBs utan NaOAc tillsatser. Förfaranden för att kasta index (TI) mätning illustreras dessutom för kvantitativ jämförelse av additiva effekterna på elektroavsättning. Slutligen beskrivs en scanning electron microscopy (SEM) prov förberedelse metod för electrodeposit på SLFB elektroder och en additiv effekt på electrodeposit manifesteras i förvärvade bilder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta dokument beskriver en ekonomisk metod för att förlänga SLFBs livscykel: genom att använda NaOAc agent som en elektrolyt som är additiv. Ett parti av färska grafitelektroder och nickel plattor är preprocessed som ovannämnda i steg 1 före långsiktig cykling experiment. Eftersom inkonsekvens bland kommersiella Kolelektroder kan orsaka prestanda avvikelse av SLFBs, är fysikaliska och kemiska förbehandling i steg 1.4 avgörande för att ta bort ytan rester. Den andra delen av steg 1.4 anställer elektrokemis…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete fick stöd av ministeriet för vetenskap och teknik, R.O.C., under finansiering antalet NSC 102-2221-E-002 – 146-, de flesta 103-2221-E-002 – 233- och de flesta 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 |
Referências
- 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).
