Un protocole pour électrochimiques Evaluations et État de diagnostic charge d'une batterie de flux Redox Symmetric organique

Summary

Nous présentons les protocoles d'évaluation électrochimique d'une batterie non aqueuse symétrique flux redox organique et pour le diagnostic de son état de charge en utilisant FTIR.

Abstract

batteries à flux redox ont été considérés comme l'une des solutions les plus prometteuses de stockage d'énergie fixes pour améliorer la fiabilité du réseau électrique et le déploiement de technologies d'énergie renouvelable. Parmi les nombreux types de batteries d'écoulement, des batteries d'écoulement non aqueux ont le potentiel pour obtenir une densité énergétique élevée en raison des grandes fenêtres de tension des accumulateurs à électrolyte non aqueux. Toutefois, d' importants obstacles techniques existent limitant actuellement les batteries d'écoulement non-aqueux pour démontrer leur plein potentiel, tels que de faibles concentrations d'oxydo – réduction, les courants d'exploitation faibles, sous-explorée batterie surveillance de l' état, etc. Dans une tentative de remédier à ces limitations, nous avons récemment signalé une batterie d'écoulement non aqueux à base d'un, nitronyl nitroxyde composé organique radical ayant une activité rédox hautement soluble, le 2-phényl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxyde (RITP). Ce matériau redox présente une propriété électrochimique ambipolaire, et ne peut donc servir à la fois anolyte et du catholyte matériaux rédox pour former une composition chimique de la batterie d'écoulement symétrique. De plus, nous avons démontré que la transformée de Fourier infrarouge (FTIR) pourrait mesurer les concentrations PTIO pendant le cycle de la batterie de flux PTIO et offrent une détection assez précise de l'état de charge (SOC) de la batterie, comme une validation croisée par résonance de spin électronique (ESR) de mesures . Ici, nous présentons un protocole vidéo pour l'évaluation électrochimique et le diagnostic SOC de la batterie d'écoulement symétrique RITP. Avec une description détaillée, nous avons démontré expérimentalement la route pour atteindre ces objectifs. Ce protocole vise à susciter plus d'intérêts et des idées sur la sécurité et la fiabilité dans le domaine des batteries à flux redox non aqueux.

Introduction

Redox batteries flux stocker de l'énergie dans les électrolytes liquides qui sont contenus dans les réservoirs externes et sont pompés à des électrodes internes pour compléter les réactions électrochimiques. L'énergie et l'énergie stockée peut ainsi être découplées conduisant à une excellente flexibilité de conception, d'évolutivité et de modularité. Ces avantages font batteries d'écoulement bien adaptés pour les applications de stockage d'énergie fixes pour l'intégration des énergies renouvelables intermittentes encore propres, l'augmentation de la grille utilisation et l'efficacité actif, et l'amélioration de la résilience et la sécurité énergétique. ^{1, 2, 3} batteries aqueuses traditionnelles d'écoulement souffrent de densité d'énergie limitée, principalement en raison de la fenêtre de tension étroite pour éviter l' électrolyse de l' eau. ^{4, 5, 6, 7, 8} En revanche, la non-aqueélectrolytes UO batteries de flux à base sont largement poursuivis en raison du potentiel pour atteindre la tension de la cellule haute et haute densité d'énergie. ^{9, 10} Dans ces efforts, une variété de types de batteries d'écoulement ont été étudiés, y compris les complexes de métaux de coordination, ^{11, 12} tout-organique, ^13, les polymères actifs ¹⁴ redox, ¹⁵ et les systèmes d'écoulement hybride au lithium. ^{16, 17, 18, 19}

Cependant, le potentiel des batteries d'écoulement non-aqueux n'a pas encore été pleinement démontrée en raison du grand goulot d'étranglement technique de la démonstration limitée dans des conditions de batterie pertinentes flux. Ce goulot d'étranglement est étroitement associé à un certain nombre de facteurs de performance de limitation. Premier,la faible solubilité de la plupart des matériaux électroactifs conduit à la distribution de densité faible consommation d'énergie par les cellules d'écoulement non aqueux. En second lieu, la capacité de débit d'écoulement des piles non aqueuses est largement limitée par la viscosité élevée de l'électrolyte et de la résistivité à des concentrations appropriées d'oxydo-réduction. Le troisième facteur est le manque de membranes haute performance. Nafion et les membranes céramiques présentent une faible conductivité ionique des électrolytes non aqueux. séparateurs poreux ont démontré les performances de la cellule d'écoulement décent, mais souffrent d'auto-décharge considérable en raison de relativement grande taille des pores. ^{14 20} En général, les électrolytes réactifs mixtes contenant à la fois le catholyte et l' anolyte d' oxydo – réduction des matériaux (1: 1) sont utilisés pour réduire les matériaux de recouvrement d' oxydo – réduction, qui sacrifie cependant , les concentrations efficaces d'oxydo – réduction, typiquement de moitié. ^{14, 21} Surmonter le goulot d' étranglement précité exige des améliorations dans materEIAA découverte, la conception de la chimie de la batterie, et de l'architecture de la cellule d'écoulement pour atteindre le cyclisme de la batterie pertinente.

Batterie surveillance de l'état est essentiellement important pour un fonctionnement fiable. Off-normales, y compris les conditions de surcharge, le dégagement de gaz, et la dégradation des matériaux peut causer des dommages à la performance de la batterie et même l'échec batterie. Surtout pour les batteries à flux à grande échelle impliquant de grandes quantités de matériaux de batterie, ces facteurs peuvent causer des graves problèmes de sécurité et de la perte d'investissement. État de charge (SOC) décrivant la profondeur de charge ou de décharge des batteries d'écoulement est l'un des paramètres les plus importants de l'état de la batterie. Surveillance du SOC en temps opportun peut détecter les risques potentiels avant qu'ils atteignent des niveaux menaçants. Cependant, ce domaine semble être sous-traitées à ce jour, en particulier dans les batteries d'écoulement non-aqueux. méthodes Spectrophotoscopic tels que ultraviolet-visible (UV-vis) et la spectroscopie électrolyte conductivité des mesures ont été évaluées dans Batte de flux aqueux ry pour la détermination du SOC. ^{22, 23, 24}

Nous avons récemment introduit une conception de la batterie d'écoulement roman symétrique non-aqueux à base d'un nouveau matériau redox ambipolaire, 2-phényl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxyde (PTIO). ²⁵ Cette batterie de flux tient la promesse de relever les défis susmentionnés de batteries d'écoulement non-aqueux. Tout d'abord, PTIO a une solubilité élevée (2,6 M) dans le solvant de la batterie de l'acétonitrile (MeCN) qui est prometteur pour permettre à une densité d'énergie élevée. En second lieu, RITP présente deux couples redox réversibles qui sont modérément séparés et peut donc former une chimie de pile symétrique par lui-même. Nous avons également démontré qu'un pic RITP distinguable dans les spectres FTIR peut être corrélée à la concentration de RITP qui n'a pas réagi dans la cellule d'écoulement, ce qui conduit à la détermination spectroscopique de l'état de charge, comme une validation croisée de résultats ESR.lass = "xref"> 26 Nous présentons ici un protocole d'élaborer des procédures pour les évaluations électrochimiques et diagnostics SOC base-FTIR de la batterie de débit symétrique PTIO. Ce travail devrait déclencher plus d'idées dans le maintien de la sécurité et de fiabilité lors des opérations de la batterie d'écoulement à long terme, en particulier dans les applications de réseau du monde réel.

Protocol

Remarque: Toutes les préparations de solution, voltamétrie cyclique des tests (CV) et le flux assemblage de cellules et les tests ont été effectués dans une boîte à gants remplie d' argon avec de l' eau et de O 2 niveaux inférieurs à 1 ppm. 1. Electrochemical Evaluations des cellules PTIO débit CV test Polonais une électrode de carbone vitreux avec 0,05 um gamma alumine en poudre, rincer avec de l'eau déminéralisée, le…

Representative Results

Les avantages uniques du système de batterie de débit symétrique PTIO sont fortement attribués aux propriétés électrochimiques des PTIO, un composé radical nitroxyde organique. RITP peut subir des réactions de dismutation électrochimique pour former RITP RITP + et – (figure 2a). Ces deux paires redox sont modérément séparées par un intervalle de tension d' approximativement 1,7 V (figure 2b) et peut être utilisé …

Discussion

Comme nous l' avons montré précédemment, ²⁵ FTIR est capable de détecter de manière non invasive l'état de charge de la batterie d'écoulement RITP. Comme un outil de diagnostic, FTIR est particulièrement avantageux en raison de sa facilité d'accès, une réponse rapide, à faible coût, faible encombrement, facilité d'incorporation en ligne, pas de saturation du détecteur, et la capacité de mettre en corrélation des informations structurelles pour étudier les év…

Materials

PTIO	TCI America	A5440	>98.0%
Tetrabutylammonium hexafluorophosphate	Sigma-Aldrich	86879	electrochemical grade, ≥99.0%
MeCN	BASF	50325685	Battery grade
Silver nitrate	Sigma-Aldrich	204390	99.9999% trace metals basis
Gamma alumina powder	CH Instruments	CHI120
Graphite felt	SGL	GFD3	Vacuum-dry at 70°C for 24 h
Porous separator	Daramic	AA800	Vacuum-dry at 70°C for 24 h
Battery Tester	Wuhan LAND electronics Co., Ltd.	Lanhe	1A current range
Electrochemical Workstation	Solartron Analytical	ModuLab
glove box	MBRAUN	Labmaster SP	oxygen and water levels <1 ppm
ESR spectrometer	Bruker	Elexsys 580	Equipped with an SHQE resonator with microwave frequency ~9.85 GHz (X band) at 2 mW power, with 100 kHz field modulation