액체 금속 전극의 초음파 속도 측정
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
전기 기술의 증가는 유체의 흐름에 따라, 종종 그 유체는 불투명하다. 광학적 방법을 적용하지 않기 때문에 불투명 한 유체의 흐름을 측정하는 것은, 투명한 액체의 흐름을 측정하는보다 본질적으로 더 어렵다. 초음파뿐만 아니라, 고립 점에서 불투명 유체의 속도를 측정하는데 사용될 수 있지만, 양호한 시간 해상도와, 선을 따라 배열 된 점 수백 또는 수천. 고온, 화학적 활성과 전기 전도도 : 액체 금속 전극에인가하면, 초음파 유속계 추가적인 어려움을 포함한다. 여기서 우리는 실험 장치 및 이러한 과제를 극복하고 작동 온도에서, 전류를 전도 같이, 액체 금속 전극에서의 흐름을 허용 측정 방법을 설명한다. 온도는 그 힘 맞춤형로 비례 – 적분 – 미분 (PID) 컨트롤러를 사용하여 ± 2 ℃ 내에서 조절된다. 화학 활성은 사람이다조심스럽게 용기 재료를 선택하고 아르곤 가득한 글로브 박스에있는 실험 장치를 둘러싸 세. 마지막으로, 의도하지 않은 전기적 경로는 신중하게 방지된다. 자동화 시스템은 디바이스를 동기화 하드웨어 트리거 신호를 이용하여, 제어 설정 및 실험 측정치를 기록. 이러한 장치 및 이러한 방법은 다른 방법으로 불가능 측정을 생성 및 최적화와 액체 금속 전지와 같은 전기 화학 기술의 제어를 허용 할 수있다.
Introduction
액체 금속 전지는 세계적인 전기 그리드 (1) 상에 대규모 에너지 저장을 제공하기위한 유망한 기술이다. 이 배터리는 그리드 스케일 에너지 저장 3 이상적, 높은 에너지 밀도, 높은 출력 밀도, 긴 수명, 및 낮은 비용을 제공한다. 피크 면도을 허용 그리드의 안정성을 향상시키고, 태양 광, 풍력 및 조력 발전과 같은 간헐적 신 재생 에너지 원의 훨씬 더 광범위한 사용을 가능하게 할 에너지 그리드에 액체 금속 배터리를 소개합니다. 이전 작업 1에서 더 상세히 설명한 바와 같이 액체 금속 전지, 용융 염 전해에 의해 분리 된 두 개의 액체 금속 전극으로 구성되어있다. 금속과 전해액의 많은 상이한 조합이 작동 액체 금속 전지 초래할 수 있지만, 동작 원리는 동일하게 유지. 금속은 그들 합금을 형성하기 위해 에너지 적으로 유리한 것으로 선택된다; 따라서, 합금은 배터리를 배출하고, 탈 합금화 전하 그것. SA그것이하여 전기 제어 시스템을 수득 금속 이온이 두 개의 전극 사이를 통과하도록 허용하지만, 중성 종의 블록 전송되도록 LT 층이 선택된다.
이 작품은 정량화 및 물질 전달 효과를 제어하여 액체 금속 배터리 기술을 진출하게됩니다. 여기에 설명 된 방법은 Sadoway 등으로 액체 금속 배터리 개발 전기 화학적 방법으로 통보한다. 1-4뿐만 아니라 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 5,6에서 이전 액체 금속 배터리 작업, 그리고 광범위한 전기 공동체의 일 (바드와 포크너를 7) 많은 관련 참조를 제공합니다. 여기서 설명하는 방법은 이전에 유체 역학 연구에 구축 할 수 있습니다. 초음파 유속계 개발과 처음으로 물 8, 9에 사용 된 이후 갈륨 10, 11, 12, 13 나트륨, 수은 (14)를 포함하는 액체 금속에 적용되었습니다했다, 구리 – 주석 (15) (15) <납 – 비스무스/ SUP>, 납 – 리튬 다른 사람의 사이에서 (16). 커트 등. 액체 금속 (17)에 속도계의 유용한 리뷰를 제공합니다.
여기에 18 설명한 것과 유사한 최근 작업 사용 방법은 배터리 전류가 액체 금속 전극에 대량 전송을 향상시킬 수 있음을 보여 주었다. 정극 대량 수송이 액체 금속 배터리 충 방전에서 속도 제한 단계이기 때문에, 혼합 따라서 달리 가능한 것보다 더 빠른 충전 및 방전을 허용한다. 또한, 혼합은 전지의 사이클 수명을 제한 고형물을 형성 할 수있는 전극, 로컬 불균일성을 방지한다. 진행중인 연구에서는 때문에 열적 전자기력 발생 액체 금속 전지의 양극에서의 유체 유동의 역할을 연구하는 것을 계속한다. 열 구배는 부력을 통한 대류 흐름을 이용시, 배터리 전류는 반죽에 의한 자계와의 상호 작용에 의해 유동을 이용시Y 전류 자체. 후술하는 방법을 사용하여 실험에서는 전극 깊이 제곱 평균 속도로부터 산출 레이놀즈 수 50 <재 <200으로 흐름을 관찰했다. 철저한 실험 특성화 수행되는 예측 배터리 모델을 구축하기 위해 생성 된 데이터 세트를 사용한다. 이 원고의 포커스는 실험 디자인과 같은 데이터를 생성하기 위해 필요한 절차에있다. 초음파 유속계는 측정의 벌크를 제공하고, 실험 조건은 신중 액체 금속에서 초음파를 성공적으로 사용하기 위해 제어되어야한다. 고온, 화학 활동 및 전기 전도도는 모든 신중하게 관리해야합니다.
첫째, 액체 금속 배터리는 반드시 고온에서 작동 금속 및 그 용융해야 분리 소금 모두 있기 때문이다. 긍정적 인 ELEC과 음극으로 리튬을 사용하는 재료 중 하나는 유망한 선택은, 납, 안티몬trode 및 전해질로서 리튬 염의 공융 혼합물은, 550 ° C의 주위 온도를 요구한다. 이러한 높은 온도에서 불투명 유체의 흐름을 측정하는 것은 매우 곤란하다. 음향 도파로 시험액으로부터 섬세 전기 음향 부품을 분리 고온 초음파 트랜스 듀서 (15)를 증명 및 상용화되고있다. 트랜스 듀서는 40dB 근처 때문에 이러한 온도에서 작업의 일반적인 어려움의 삽입 손실을 가지고 있기 때문에, 대리 시스템은 초기의 연구를 위해 선택되었다 : 액체 금속 전지는 음극, 공융으로 나트륨을 사용하여 제조 될 수있다 44 % 56 정극 %에 비스무트 (이하, ePbBi) 및 전해질로서 나트륨 염 (10 % 요오드화 나트륨, 38 % 수산화 나트륨, 52 % 나트륨 아미드)의 트리플 공융 혼합물 리드. 이러한 배터리는 실험실 연구에 훨씬 더 순종하고, 127 ° C 이상 완전히 용융입니다. 그것은 세 가지 액체로 구성되어 있기 때문에밀도에 의해 분리 된 층은, 다른 액체 금속 배터리와 같은 물리학이 적용됩니다. 그리고 어떠한 도파로 손실을 수반하지 않고, 고온 센서보다 훨씬 적은 비용으로, 230 ° C로 평가하고 쉽게 구할 초음파 트랜스 듀서와 호환된다. 이 실험은 일반적으로 150 ℃에서 이루어집니다. 그 프란 틀 수가되도록 상기 온도에서, ePbBi는 점도 ν를 갖는다 = 2.79 X 10-7 m 2 / 초, 열 확산율의 κ = 6.15 × 10 -4 m 2 / 초, 자기 확산 η = 0.8591 m 2 / 초, PR = ν / κ = 4.53 × 10 -2과 자기 프란 틀 수는 오후 = ν / η = 3.24 × 10 -7입니다.
이 저온 액체 금속 배터리 화학 그들이 뜨거운 배터리의 것보다 흐름 연구 훨씬 쉽게하지만, 온도는 그럼에도 불구하고 신중하게 관리해야합니다. 민감한 전기 음향 장치이기 때문에, 초음파 트랜스 듀서이다 susceptibl전자는 열 충격에 의해 손상하기 때문에 점차적으로 가열해야합니다. 고품질 초음파 측정은 또한 조심 온도 조정을 필요로한다. 그림 1과 같이 초음파 유속계는, 수중 음파 탐지기처럼 작동 : 변환기는 다음 에코를 수신 (여기서, 주파수 8 MHz의 경우)에서 경고음이 발생합니다. 에코의 비행 시간을 측정함으로써, 반향 체까지의 거리를 산출 할 수있어, 에코의 도플러 이동을 측정함으로써, 인체의 속도 성분 중 하나는 계산 될 수있다. 물에서, 트레이서 입자 에코를 생성하기 위해 추가되어야하지만 트레이서 입자는 액체 금속 않고 상세히 이해 되나 통상적으로 작은 금속 산화물 입자의 존재에 기인 사실 요구되지 않는다. 각각의 측정은 심문 볼륨의 모든 추적 입자에 비해 평균; 이 연구에서, 최소 직경은 프로브으로부터의 거리 30mm에서 2 mm이다. 비록 산화 결국 제를 사용하여, 실험 기간을 제한 할 수있다전자의 방법은 우리는 긴 팔과 같은 시간 동안 연속 측정을 한, 아래에 설명.
거리 또는 속도를 계산하는 시험 유체의 소리의 속도를 알고 있어야하고, 그 속도는 온도에 따라 달라진다. 여기에 설명 된 작품은 140 ° C (19) 160 ° C에서 1,765m / 초, 그리고 1,767m / 초, 소리의 속도는 150 ° C에서 1,766m / 초이다 ePbBi 음극의 흐름에 초점을 맞추고 있습니다. 따라서 불충분 한 온도 제어가 초음파 측정 체계적인 에러를 도입한다. 장치 (아래 참조) 원자력 에너지기구 (19)에 의해 출판이를 수락와 일치 값을 찾는 ePbBi에서 소리의 속도를 측정하기 위해 건설되었다. 열대 류는 액체 금속 전지의 흐름의 기본 드라이버 모두 평균 온도 및 ePbBi 전극의 상부 및 하부 사이의 온도차 때문에 마지막으로, 직접 관찰에 영향을 미친다. 일관된 결과를 들어, 정확한 열제어는 필수적이다.
따라서, 온도가 컴퓨터 기반의 획득 장치 및 맞춤 기록 LabVIEW 프로그램과 전자적 측정 로깅, 적어도 세 K 형 열전대 계속 측정된다. 프로그램은 또한 USB 접속을 통해, 배터리 전류를 제공하는 전원을 제어한다; 배터리 전류와 전압을 기록; 그 데이터는 다른 측정치와 동기화 될 수 있도록하고, 초음파 장비에 트리거 펄스를 전송한다. 시스템도가도 2에 도시되어있다. 열은 비례 – 적분 – 미분에 의해 전환 릴레이에 의해 구동 두 500-W 산업용 가열 요소를 포함한다 (PID) (또한,도 2에 도시 됨) 맞춤형 노에 의해 제공된다 컨트롤러. 전지 셀을 지원하는베이스 플레이트 고체 알루미늄으로 제조되고; 열전도율은 크기 순서는 스테인레스 명세서의 열전도율보다 높기 때문에장어 전지 셀 용기 (19)가 포함 ePbBi는 노 바닥의 온도가 대략 균일하다. 또한 알루미늄베이스 전극을 통과하는 전기 전류 경로 두배. 그 전기 전도도는 스테인리스 스틸 또는 ePbBi보다 높은 크기의 순서이므로, 노 바닥의 전위는 대략 균일하다. 절연 다리 화상과 반바지를 방지 맨 아래 벤치에서 받침대를 분리합니다. 전지 용기의 측면 밀접 용기 적합하지만 세포의 초음파 포트에 액세스하기위한 공간을 확보하기 위해 절단 실리카 세라믹 절연체로 절연된다. 마지막으로, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 뚜껑 위에서 세포를 단열 제자리에 음의 전류 집 전체 및 열전대를 보유하고있다. 시판 핫 플레이트는이 실험에 필요한 온도를 달성 할 수 있지만, 우리의 맞춤형로는 크기가 작은 변화,의 순서로 온도를 유지ND는 우리가 직접 열 전력을 측정 할 수 있습니다.
온도와 관련된 문제뿐만 아니라, 화학적 활성과 관련된 문제점들이있다. 150 ° C에서 ePbBi 양극 많은 일반적인 물질과 화학적으로 호환 가능하다. 음극은 나트륨, 그러나, 많은 재료를 부식 쉽게 산화 및 수분과 격렬하게 반응한다. 리튬 계 액체 금속 전지는 일반적으로 훨씬 더 높은 온도를 실행하기 때문에, 특히 리튬 음극, 공격적이다. 이러한 높은 온도 시스템이 일의 범위 밖에 있지만, 화학적 활성을 관리하기위한 동일한 수단의 대부분은 이들 시스템에서와 같이 여기에 사용된다. 여기에 기재된 모든 실험은 산소 또는 수분의 미량 함유 아르곤 충진 글로브 박스에서 일어난다. 배터리 용기 합금 최소라도 550 ℃에서 리튬과 부식 304 스테인레스 스틸, 이루어진다. 열전대 및 음의 전류콜렉터는 스테인레스 스틸로 만들어집니다. 용기의 형상은, 액체 금속의 전기 화학 전지에 사용되는 시험 용기에 맞게 최대한 가깝게 상용화되고있는 시스템을 모델링하기 위해 선택된다. 도 2에 도시 된 용기는 88.9 mm, 내경 67mm의 깊이와, 원통형이다. 모든 용기의 벽 두께는 6.4 mm이다. 용기는 초음파 포트를 갖는 것을 그러나, 이전 실험에서 사용 된 것과 상이하다. 포트 실린더의 직경을 따라 수평 측벽을 통과하여 포트의 중심은 용기 바닥 위에 6.6 mm이다. 포트는 스웨이지와 변환기 약 8 8mm 초음파 변환기를 수용 mm 직경, 및 밀봉된다. 이들 실험에서, 액체 금속 전극은 초음파 변환기 전형적 13mm 다루 단지 충분히 깊다.
강한 초음파 신호를 달성하기 위해, 하나의 양호한 음향 전송해야초음파 변환기 및이를 유체 프로브 (ePbBi) 사이. 변환기 재료의 음향 임피던스 및 시험 유체가 동일한 경우 탄성 최대 전력 송신된다; 임피던스가 다른 경우, 신호는 고통. (상술 한 포트에 의해 가능해진 바와 같이) 깨끗한 ePbBi 직접 접촉 초음파 변환기를 배치하는 것은 종종 시간에 시간, 충분한 신호를 제공한다. 금속 산화물은, 그러나, 매우 다른 임피던스를 가지며, 또한 표면 장력을 변화시켜 습윤성을 방해 할 수있다. ePbBi가 실질적으로 산화되는 경우, 초음파 신호가 저하 곧 사라. 또, 불활성 분위기는 필수적이다. 산소의 미량 그럼에도 일부 산화를 야기하는 경우, 금속 산화물의 표면은 전지 용기에 ePbBi 전송하기 전에 탈지된다.
마지막으로 인해 전기 전류의 존재의 실험 본 과제. 전류는 우리의 중앙 과학 기술 간 비록EST, 그들은 잘못 전달하면 손상을 일으킬 수있을만큼 (30) 크다. 접지되지 열전대 접지 열전대 중 하나를 신호선에 보호 덮개로부터 내부의 전기적 연결이 없기 때문에 그 유해한 전기 전류가, 데이터 수집 장치 또는 지원하는 컴퓨터를 통과하지 않도록. 마찬가지로 그것은 유용한 초음파 장비 (신호 처리 SA, DOP 3010)를 손상 표유 전류를 방지하기 위해 접지 초음파 트랜스 듀서 (신호 처리 SA, TR0805LTH)를 사용하는 것이 필수적이다. 앞서 언급 한 바와 같이, 용광로의 바닥은 전류를 전도하는 역할을하고, 또한 그 주변으로부터 전기적으로 분리되어야한다.
ePbBi 전극에서 전류는 잠재적으로 온도를 방해, 저항 가열이 발생합니다. 따라서 자동화 열 제어 시스템은 열 입력의 변화에 적응할 수 있어야한다.도 3은 ePbBi 전극의 온도가 어떻게 변하는지를로서 CUR임대가 흐르는 방법과 PID 제어기는 보상을 조정합니다. 대전류 (50 A = 800mA / cm)와 일정한 온도를 유지하는 것은 추가의 냉각을 필요로하지만, 산업용 액체 금속 전지보다 현실적인 낮은 전류에서 (일반적으로 (17)은 = 275mA / cm 1), 제어기 수 것 저항 가열에 대한 보상과 2 ℃로 온도 변화를 개최합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
초음파 기술은 투명 또는 불투명 한 액체에 수백 또는 위치의 수천, 초당 여러 번에서 속도 측정을 생성 할 수 있습니다. 액체 금속 전극에인가, 초음파 기술은 높은 온도, 화학적 활성 및 전기 전도성의 문제가 발생. 이러한 문제점을 극복하고 활성화 된 액체 금속 전극의 흐름을 측정하기위한 방법이 설명되었다. 첫째, 동일한 물리학 고온 액체 금속 전지 전극 (550 ° C)에서 작동하지만, 훨씬 낮은…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We are grateful for the design and fabrication assistance of D. De La Cruz, for equipment borrowed from M. Zahn, and for insightful discussions with D. R. Sadoway and the talented electrochemists of his group.
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/ |
References
- Kim, H., et al. Liquid metal batteries: Past, present, and future. Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).
- Bradwell, D. J., Kim, H., Sirk, A. H. C., Sadoway, D. R. Magnesium-antimony liquid metal battery for stationary energy storage. J. Am. Chem. Soc. 134, 1895-1897 (2012).
- Kim, H., et al. Thermodynamic properties of calcium–bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 60, 154-162 (2012).
- Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. Calcium–bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries). J. Power Sources. 241, 239-248 (2013).
- Cairns, E. J., Crouthamel, C. E., Foster, A. K., Foster, M. S., Hesson, J. C. Galvanic cells with fused salts. Technical Report ANL-7316. , (1967).
- Cairns, E. J., Shimotake, H. High-temperature batteries. Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).
- Bard, A., Faulkner, L. . Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , (2001).
- Takeda, Y. Development of an ultrasound velocity profile monitor. Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).
- Takeda, Y. Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method. Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).
- Brito, D., Nataf, H. -. C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -. P. Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium. Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).
- Yanagisawa, T., Yamagishi, Y., Takeda, Y. Structure of large-scale flows and their oscillation in the thermal convection of liquid gallium. Phys. Rev. E. 82, 016320 (2010).
- Eckert, S., Gerbeth, G. Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry. Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).
- Brawn, B. E., Joshi, K., Lathrop, D. P., Mujica, N., Sisan, D. R. Visualizing the invisible: Ultrasound velocimetry in liquid sodium. Chaos. 15, 041104 (2005).
- Takeda, Y., Kikura, H. Flow mapping of the mercury flow. Exp. Fluids. 32 (2), 161-169 (2002).
- Eckert, S., Gerbeth, G., Melnikov, V. I. Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide. Exp. Fluids. 35, 381-388 (2003).
- Ueki, Y., Yao, T., et al. High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows. Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. , 267-272 (2012).
- Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. Magnetohydrodynamics. , 275-294 (2007).
- Kelley, D. H., Sadoway, D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids. 26 (5), (2005).
- NEA. . Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , (2007).
- Fauve, S., Laroche, C., Libchaber, A. Effect of a horizontal magnetic field on convective instabilities in mercury. J. Physique Lett. 42 (21), 455-457 (1981).
- Cioni, S., Ciliberto, S., Sommeria, J. Strongly turbulent Rayleigh-Bénard convection in mercury: Comparison with results at moderate Prandtl number. J. Fluid Mech. 335, 111-140 (1997).
- Burr, U., Müller, U. Rayleigh-Bénard convection in liquid metal layers under the influence of a horizontal magnetic field. J. Fluid Mech. 453, 345-369 (1997).
- Bojarevičs, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. . Electrically induced vortical flows. , (1989).
- Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).
- Kelley, D. H., & Ouellette, N. T. Using particle tracking to measure flow instabilities in an undergraduate laboratory experiment. Am. J. Phys. 79, 267-273 (2011).
