Ultraljud Velocity Mätning i en flytande metallelektrod

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

Ett växande antal elektrokemiska tekniker beroende av vätskeflöde, och ofta att vätskan är ogenomskinlig. Mätning av flödet av en opak vätska är i sig svårare än att mäta flödet av en transparent fluid, eftersom optiska metoder inte är tillämpliga. Ultraljud kan användas för att mäta hastigheten hos en opak vätska, inte bara på isolerade punkter, men på hundratals eller tusentals punkter grupperade längs linjer, med god temporal upplösning. När den appliceras på en flytande metallelektrod, ultraljud Velocimetry innebär ytterligare utmaningar: hög temperatur, kemiska aktivitet och elektrisk ledningsförmåga. Här beskriver vi den experimentella apparater och metoder som övervinner dessa utmaningar och möjliggör mätning av flödet i en flytande metallelektrod, som det leder ström, vid driftstemperatur. Temperaturen regleras inom ± 2 ° C med en proportional-integral-derivata (PID) regulator som driver en specialbyggd ugn. Kemisk aktivitet är människanåldern genom att välja fartygs material noggrant och omsluter experimentuppställning i en argon-fylld handskfacket. Slutligen är oavsiktliga elektriska vägar noggrant förhindras. Ett automatiserat system loggar kontrollinställningarna och experimentella mätningar, med hjälp av hårdvara utlösarsignaler för att synkronisera enheter. Denna apparat och dessa metoder kan producera mätningar som är omöjligt med andra tekniker och tillåta optimering och styrning av elektrokemiska tekniker som flytande batterier metall.

Introduction

Flytande metall batterier är en lovande teknik för att tillhandahålla storskalig energilagring på världsomspännande elnät ^1. Dessa batterier har hög energitäthet, hög effekttäthet, lång livslängd, och låg kostnad, vilket gör dem idealiska för grid-skala energilagring ^3. Presentation flytande batterier metall till energinät skulle tillåta topp rakning, förbättra stabilisering av elnät, och göra det möjligt för mycket mer utbredd användning av intermittenta förnybara energikällor som sol, vind och tidvattenkraft. Flytande metallbatterier består av två flytande elektroder metall åtskilda av en elektrolyt av smält salt, såsom beskrivs mer i detalj i tidigare arbete ^ett. Även om många olika kombinationer av metaller och elektrolyt kan resultera i ett arbets flytande metall batteri, principerna för drift förblir desamma. Metallerna väljs så att den är energimässigt gynnsamt för dem att bilda en legering; vilket legerings utsläpp batteriet, och de-legerings avgifter det. Sa-lt skiktet väljs så att det tillåter metalljoner att passera mellan de två elektroderna, men blockerar transport av neutrala specier, därigenom ge elektrokemisk styrning av systemet.

Detta arbete kommer att öka flytande metall batteriteknik genom att kvantifiera och styra masseffekter transport. De metoder som beskrivs här informeras av elektrokemiska metoder som utvecklats för flytande metallbatterier från Sadoway et al. ^1-4 liksom tidigare flytande metall batteri arbete på Argonne National Laboratory ^5,6, och arbetet med den bredare elektro samhället (Bard och Faulkner ⁷ ger många relevanta referenser). De metoder som beskrivs här bygger också på tidigare fluiddynamik studier. Ultraljud Velocimetry utvecklades och användes först i vatten ^8,9 och har sedan dess använts för flytande metaller inklusive gallium ^10,11, natrium ^12,13, kvicksilver ^14, bly-vismut ^15, koppar-tenn ^{15 <}/ Sup>, och bly-litium ^16, bland annat. Eckert et al. Ger en användbar genomgång av Velocimetry i flytande metaller ^17.

Senaste arbete med hjälp av metoder som liknar de som beskrivs här ¹⁸ har visat att batteriström kan förbättra masstransport i flytande elektroder metall. Eftersom masstransport i den positiva elektroden är det hastighetsbegränsande steget i laddning och urladdning av flytande batterier metall, därför blandning ger snabbare laddning och urladdning än vad som annars skulle vara möjligt. Dessutom blandning hindrar lokala inhomogeniteter i elektroden, som kan bilda fasta ämnen som begränsar livslängd på ett batteri. I det pågående arbetet fortsätter vi att studera betydelsen av vätskeflödet i den positiva elektroden av den flytande metallen batteri, som uppstår på grund av termiska och elektromagnetiska krafter. Värmegradienter driva konvektivt flöde genom flytkraft, och batteriströmmar driva flödet genom att interagera med de magnetiska fälten inducerade av smeteny strömmar själva. I experiment med de metoder som beskrivs nedan, har vi observerat flöden med Reynolds tal 50 <Re <200, räknat från elektrod djup och root-mean-square hastighet. En grundlig experimentella karakterisering genomförs och kommer att använda den resulterande datamängden för att bygga prediktiva batterityper. Fokus i detta manuskript är på experimentell design och procedurer som krävs för att producera sådana uppgifter. Ultraljud Velocimetry innehåller det mesta av mätningarna, och experimentella betingelser måste kontrolleras noggrant för att kunna använda ultraljuds framgångsrikt i flytande metall. Hög temperatur, kemisk aktivitet och elektrisk ledningsförmåga måste alla hanteras varsamt.

Först, flytande batterier metall nödvändigtvis arbeta vid hög temperatur, eftersom både metaller och saltet som separerar dem måste vara smält. Ett lovande val av material, som använder litium som den negativa elektroden, bly-antimon som den positiva electrampade, och en eutektisk blandning av litiumsalter som elektrolyten, kräver temperaturer runt 550 ° C. Mätning av flödet av en opak fluid vid sådana höga temperaturer är ganska svårt. Hög temperatur ultraljudstransduktorer, som åtskiljer de känsliga elektro-akustiska komponenter från testvätskan med en akustisk vågledare, har visats ¹⁵ och kommersialiseras. Emellertid, eftersom omvandlarna har inlänkningsdämpning nära 40 dB, och på grund av den allmänna svårigheten att arbeta vid sådana temperaturer, ett surrogat systemet har bedrivits för initial studie: en flytande metall batteri kan också göras med användning av natrium som den negativa elektroden, eutektisk 44% bly 56% vismut (härefter, ePbBi) som den positiva elektroden, och en trippel eutektisk blandning av natriumsalterna (10% natriumjodid, 38% natriumhydroxid, 52% natrium-amid) som elektrolyt. Ett sådant batteri är helt smält över 127 ° C, vilket gör det mycket mer mottaglig för laboratoriestudie. Eftersom den består av tre flytandeskikt åtskilda av densitet, är det föremål för samma fysik som andra flytande batterier metall. Och det är förenligt med lättillgängliga ultraljudstransduktorer, som är klassade till 230 ° C, innebär inga vågledare förluster, och kostar mycket mindre än hög temperatur givare. Dessa experiment brukar äga rum vid 150 ° C. Vid denna temperatur har ePbBi viskositet ν = 2,79 x 10 ^-7 m ² / sek, termisk diffusivitet κ = 6,15 x 10 ^{-6 m2} / sekund, och magnetisk diffusivitet η = 0,8591 m ² / sek, så att dess Prandtl-tal är Pr = ν / κ = 4,53 x 10 ^-2 och dess magnetiska Prandtl-tal är Pm = ν / η = 3,24 x 10 ^-7.

Även om detta låg temperatur flytande metall batterikemi gör flödesstudier mycket lättare än de skulle vara i varmare batterier, måste temperaturen ändå hanteras varsamt. Att vara känsliga elektro-akustiska anordningar, ultraljudsgivare är susceptible för att skada genom termisk chock, och därför måste upphettas gradvis. Högkvalitativ ultraljudsmätningar kräver också reglering noggrann temperatur. Ultraljud Velocimetry fungerar som ekolod, som visas i figur 1: transduktorn piper (här, är frekvensen 8 MHz), lyssnar sedan för ekon. Genom att mäta flygtiden av ekot, kan avståndet till den ekande kroppen beräknas, och genom att mäta dopplerförskjutning av ekot, kan en komponent i kroppens hastighet också beräknas. I vatten, måste spår partiklar tillsättas för att producera ekon, men inga tracerpartiklar krävs i flytande metaller, ett faktum som inte förstås i detalj, men är typiskt tillskrivas närvaron av små metalloxidpartiklar. Varje mätning är ett genomsnitt över alla spårpartiklar i ett förhör volym; i detta arbete, är dess minsta diameter 2 mm, på ett avstånd 30 mm från sonden. Även oxidation kan så småningom begränsa giltighetstiden för experiment, med hjälp av the metoder som beskrivs nedan, vi har gjort mätningar kontinuerligt så länge som 8 timmar.

Beräkning antingen avstånd eller hastighet behöver veta ljudets hastighet i testvätskan, och att hastigheten varierar med temperaturen. Det arbete som beskrivs här fokuserar på flödet i ePbBi negativa elektroden, där ljudhastigheten är 1766 m / s vid 150 ° C, 1765 m / s vid 160 ° C och 1767 m / sek vid 140 ° C ^19. Således skulle otillräcklig temperaturreglering införa systematiska fel i mätningarna ultraljud. En anordning konstruerades för att mäta ljudhastigheten i ePbBi, hitta värden som är förenliga med de som publicerats och som godtagits av Nuclear Energy Agency ¹⁹ (se nedan). Slutligen, eftersom termisk konvektion är en primär drivkraft för flödet i flytande batterier metall, både medeltemperaturen och temperaturskillnaden mellan toppen och botten av ePbBi elektroden direkt påverkar observationer. För konsekventa resultat, exakt termiskvärdena är nödvändig.

Följaktligen är temperaturen mäts kontinuerligt med åtminstone tre K-typ termoelement, logga sina mätningar elektroniskt med ett datorbaserat ackvisitionsanordningen och en anpassad skrivna LabView program. Programmet styr även strömförsörjningen som ger batteriström via en USB-anslutning; loggar batteri ström och spänning; och sänder triggpulser till ultraljudsinstrument, så att dess data kan synkroniseras med de andra mätningarna. Ett systemdiagram visas i fig 2. Värme tillhandahålls av en specialbyggd ugn (även visad i fig 2), som innehåller två 500-W industriella motstånd som drivs med ett relä omkopplas av en proportional-integral-differential (PID) styrenhet. Bottenplattan som stöder battericeller är gjord av solid aluminium; eftersom dess värmeledningsförmåga är en storleksordning högre än den termiska konduktiviteten hos det rostfria stål battericell kärlet och ePbBi det innehåller ^19, är temperaturen hos ugnsgolvet approximativt enhetlig. Dessutom aluminiumbasen fungerar som en bana för de elektriska strömmar som passerar genom elektroden. Dess elektriska ledningsförmåga är också en storleksordning högre än den för rostfritt stål eller ePbBi, så att spänningen hos ugnen golvet är också ungefär likformig. Isolerings ben separera basen från bänk nedan förhindra brännskador och shorts. Sidorna av batterikärlet är isolerade med kiseldioxid keramisk isolering, kapas för att passa kärlet tätt men lämna utrymme för åtkomst till cellens ultraljudsport. Slutligen isolerar en polytetrafluoreten (PTFE) locket cellen från ovan och håller den negativa strömavtagaren och termoelement på plats. Även kommersiellt tillgängliga kokplattor kan uppnå de temperaturer som krävs för dessa experiment, vår specialbyggda ugnen bibehåller temperaturen med en storleksordning mindre variation, ennd också ger oss möjlighet att mäta värmeeffekt direkt.

Utöver utmaningarna i samband med temperatur, det finns utmaningar i samband med kemiska aktivitet. Vid 150 ° C är en ePbBi positiv elektrod kemiskt kompatibelt med många vanliga material. En natrium negativ elektrod, men korroderar många material, oxiderar lätt och reagerar häftigt med fukt. En litium negativa elektroden är också aggressiva, särskilt eftersom litiumbaserade flytande batterier metall brukar köra vid mycket högre temperaturer. Även de högre temperatur system är utanför ramen för detta arbete, många av samma åtgärder för att hantera kemiska aktivitet används här som i dessa system. Alla experiment som beskrivs här ske i en argon-fylld handskbox innehållande endast spårmängder av syre eller fukt. Batterikärlet är tillverkad av legering 304 rostfritt stål, som korroderar minimalt även med litium vid 550 ° C. De termoelement och negativ strömsamlare är också tillverkade av rostfritt stål. Fartyget geometri väljs för att matcha fartyg som används för elektrokemisk testning av flytande batterier metall, för att modellera så nära som möjligt de system som håller på att kommersialiseras. Kärlet, som visas i fig 2, är cylindrisk, med en 88,9 mm innerdiameter och en 67 mm djup. Alla kärlväggar är 6,4 mm tjock. Kärlet skiljer sig från de som används för tidigare experiment, emellertid, genom att den har en ultraljudssport. Porten passerar genom sidoväggen längs en horisontell diameter hos cylindern, och centrum av porten är 6,6 mm ovanför kärlets golv. Hamnen är 8 mm i diameter för att rymma en 8 mm ultraljudsomvandlare, och tätningar runt givaren med en stamp. I dessa experiment är den flytande metallen elektroden precis tillräckligt djup för att täcka ultraljudsomvandlaren, typiskt 13 mm.

För att uppnå en stark ultraljudssignaler, kräver en god akustisk transmissionmellan ultraljudsomvandlaren och vätske det sonder (ePbBi). Maximal akustisk effekt överförs när den akustiska impedansen hos omvandlaren materialet och testvätskan är identiska; när impedanserna skiljer signalerna lida. Att placera en ultraljudsomvandlare i direkt kontakt med rent ePbBi (som möjliggjorts genom porten beskrivits ovan) ger gott signal, ofta i timmar åt gången. Metalloxider har emellertid mycket olika impedans, och kan också störa vätning genom att förändra ytspänningen. Om ePbBi är väsentligen oxiderad, ultraljudssignaler bryts ner och försvinner snart. Återigen är en inert atmosfär väsentlig. Om spårmängder av syre orsaka viss oxidation ändå är ytan av metalloxidskum innan överföring ePbBi i batterikärlet.

Slutligen dessa experiment innebär utmaningar på grund av närvaron av elektriska strömmar. Även om strömmarna är vårt centrala vetenskapliga och tekniska interest, de är tillräckligt (30 A) stor för att orsaka skada om felaktigt dragna. Ojordade termo se till att skadliga elektriska strömmar inte passera genom datainsamlingsenhet eller datorn som stöder det, eftersom ojordade termoelement har ingen intern elektrisk anslutning från skyddshöljet till antingen signalledning. Likaså är det viktigt att använda ojordade ultraljudstransduktorer (signalbehandlings SA, TR0805LTH) för att förhindra läckström från att skada värdefulla ultraljud instrument (signalbehandlande SA, DOP 3010). Såsom tidigare nämnts, basen av ugnen tjänar till att leda elektrisk ström, och måste också vara elektriskt isolerad från dess omgivningar.

I ePbBi elektroden, ström orsakar ohmsk uppvärmning, potentiellt störa temperaturen. Sålunda måste den automatiserade termiska styrsystemet kunna anpassa sig till förändringar i värmetillförseln. Figur 3 visar hur temperaturen hos ePbBi elektroden varierar såsom curhyra rinner genom det, och hur PID-regulatorn justerar för att kompensera. Att upprätthålla jämn temperatur med stora strömmar (50 A = 800 mA / cm) skulle kräva ytterligare kylning, men på lägre strömmar mer realistiska för flytande batterier metall i industriella tillämpningar (typiskt 17 A = 275 mA / cm ^1), är den registeransvarige kan för att kompensera för ohmsk uppvärmning och håller temperaturvariation till 2 ° C.

Protocol

1. Systeminställningar och montering Rengör ultraljudsomvandlare med isopropanol. Fyll handskfacket. Ladda nödvändig utrustning och material (inklusive ultraljudsomvandlare, ePbBi, uppståndelse pinne, och termoelement) i handskfacket, följa instruktionerna från handskfacket tillverkaren för att minimera inträngning av syre och fukt. Håll porösa material under vakuum i handskfacket förrum för 12 timmar före inträdet i handskfacket. Tune PID-regula…

Representative Results

Förfarandet för mätning av ljudhastigheten (beskriven i detalj ovan) anpassades från metoder som används av signalbehandlings SA. I princip kan ljudhastighet lätt erhållas genom mätning av flygtiden för ett eko från en vägg på kända intervallet. Men exakt mäta den effektiva placeringen av givarhuvudet är svårt, så i stället kan man mäta flygtiden två gånger, med användning av en mikrometer för att förskjuta väggen genom ett känt avstånd mellan mätningarna. Det förskjutningssträckan, och ski…

Discussion

Ultraljudstekniker kan producera hastighetsmätningar på hundratals eller tusentals platser i en transparent eller opak vätska, många gånger per sekund. Tillämpas på en flytande metallelektrod, ultraljudstekniker möter utmaningar med hög temperatur, kemisk aktivitet, och elektrisk ledningsförmåga. Metoderna för att övervinna dessa utmaningar och mäta flödet i aktiva flytande elektroder metall har beskrivits. Först ett elektrodmaterial omfattas av samma fysik som hög temperatur flytande metall batterielek…

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/