פרוטוקול הערכות אלקטרוכימיות ומדינת האבחון הממונה על סוללת חמזור תזרים אורגנית סימטרי
Summary
אנו מציגים פרוטוקולים להערכת אלקטרוכימי סוללת חמזור תזרים סימטרי בלתי מימי אורגני לאבחון מצב הטעינה שלה באמצעות FTIR.
Abstract
תזרים סוללות חיזור כבר נחשב לאחד הפתרונות לאחסון אנרגיה נייח המבטיחים ביותר לשיפור האמינות של רשת החשמל ופריסה של טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת. בין כימיות סוללת זרימה רבות, סוללות זרימה בלתי מימיות יש פוטנציאל להשיג צפיפות אנרגיה גבוהה בגלל חלונות המתח הרחבים של אלקטרוליטים בלתי מימיים. עם זאת, מכשולים טכניים משמעותיים קיימים מגבילים סוללות זרימה בלתי מימיות להפגין את מלוא הפוטנציאל שלהם, כגון ריכוזי חיזור נמוכים, זרמי תפעול נמוכים, תחת-בחנתי ניטור מצב סוללה, וכו 'בניסיון לטפל במגבלות אלה, דיווחנו לאחרונה בלתי מים סוללה בתהליך המבוסס על תרכובת רדיקלית nitroxide nitronyl האורגני מסיסה מאוד, פעיל-חיזור, 2-פניל-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-תחמוצת (PTIO). חומר חיזור זו המוצגים נכס אלקטרוכימיים ambipolar, ולכן יכול לשמש הן anolytדואר וחומרי חיזור catholyte לגבש כימית סוללת זרימה סימטרית. יתר על כן, הראינו כי התמר אינפרא אדום (FTIR) ספקטרוסקופיה יכול למדוד ריכוזי PTIO במהלך הרכיבה על אופני סוללת זרימת PTIO ולהציע זיהוי מדויק למדי של מדינת סוללת תשלום (SOC), כמו צולבות אומתו על ידי תהודת ספין אלקטרון (ESR) מדידות . בזאת אנו מציגים פרוטוקול וידאו לאבחון הערכת SOC אלקטרוכימי של סוללת הזרימה סימטרית PTIO. עם תיאור מפורט, הראינו את המסלול באופן ניסיוני כדי להשיג מטרות כאלה. פרוטוקול זה נועד לעורר יותר אינטרסים ותובנות על הבטיחות והאמינות בתחום תזרים סוללות חיזור בלתי מימיות.
Introduction
חיזור לזרום סוללות אנרגית חנות אלקטרוליטים נוזליים הכלולים במאגרים חיצוניים נשאבים לאלקטרודות פנימית להשלים תגובות אלקטרוכימיים. את האנרגיה האצורה וכוח כך ניתן צימוד המוביל גמישות בעיצוב מעולה, יכולת הרחבה, ומודולריות. יתרונות אלה הופכים סוללות זרימה מותאמות היטב עבור יישומי אחסון אנרגיה נייחים לשילוב אנרגיות מתחדשות לסירוגין נקיות עדיין, ניצול ויעילות נכס רשת להגדיל, ושיפור גמישות וביטחון אנרגיה. 1, 2, 3 סוללות זרימה מימיות מסורתיות סובלות צפיפות אנרגיה מוגבלת, בעיקר בשל חלון המתח הצר להימנע אלקטרוליזה מים. 4, 5, 6, 7, 8 לעומת זאת, אי-aqueאלקטרוליטים מפוקפק מבוססי סוללות זרימה אלה נשאפים נרחב בגלל הפוטנציאל להשגת מתח תא גבוה צפיפות אנרגיה גבוהה. 9, 10 במאמצים אלה, מגוון של כימיות סוללת זרימה נחקר, כולל מתחמי מתכת-תיאום, 11, 12 כל-אורגניים, 13, 14 פולימרי חיזור פעילים, 15 ומערכות זרימה היברידית ליתיום. 16, 17, 18, 19
עם זאת, הפוטנציאל של סוללות זרימה בלתי מימיות טרם הוכיח באופן מלא בשל צוואר הבקבוק הטכני העיקרי של הפגנה מוגבלת בתנאי סוללה רלוונטית זרימה. צוואר בקבוק זה קשור קשר הדוק עם מספר גורמי הגבלת ביצועים. ראשון,המסיסות הקטנה של החומרים ביותר האלקטרו מובילה משלוח צפיפות אנרגיה נמוך ידי תאי זרימה בלתי מימיים. שנית, יכולת שיעור תזרים סוללות בלתי מימיות מוגבלת במידה רבה על ידי צמיגויות התנגדות אלקטרוליט הגבוהות בריכוזי חיזור רלוונטיים. הגורם השלישי הוא חוסר ממברנות בעל ביצועים גבוהים. Nafion וממברנות קרמיקה להראות מוליכות יונית נמוכות עם אלקטרוליטים בלתי מימיים. מפרידים נקבוביים הוכיחו ביצועי תא זרימה הגונים, אבל סובלים פריקה עצמית ניכרת בגלל גודל נקבובי גדול יחסית. 14, 20 בדרך כלל, אלקטרוליטים מעורב מגיב המכילים גם anolyte ו חיזור catholyte חומרים (1: 1 יחס) משמשים להפחתת מוצלב חומרי חיזור, אשר עם זאת מקריב את ריכוזי חיזור היעילים, בדרך כלל בחצי. 14, 21 להתגבר על צוואר הבקבוק הנ"ל דורש שיפורים מאטרהגילוי, סוללת כימית עיצוב ials, ואדריכלות תא הזרימה להשיג אופניים רלוונטיים-סוללה.
ניטור מצב סוללה הוא בעצם חשוב לפעולות אמינות. Off-נורמלי התנאים כולל חיוב יתר, התפתחות גז, ופגיעה בחומר יכול לגרום נזקים ביצועי הסוללה ואפילו כשל הסוללה. במיוחד עבור סוללות זרימה בקנה מידה גדולה המעורבות כמויות גדולות של חומרי סוללה, גורמים אלה יכולים לגרום לבעיות בטיחות חמורות ואובדן השקעה. מדינת תשלום (SOC) המתאר את עומק תשלום או פריק של סוללות זרימה היא אחד פרמטרי מצב סוללה החשובים ביותר. ניטור SOC בזמן יכול לזהות סיכונים פוטנציאליים לפני שהם מגיעים לרמות מאיים. עם זאת, בתחום זה נראה מתחת התייחס עד כה, במיוחד סוללות זרימה בלתי מימיות. שיטות Spectrophotoscopic כגון מדידות אולטרה סגול-גלוי (UV-VIS) מוליכות ספקטרוסקופיה אלקטרוליט הוערכו בעלות מנוע זרימה מימייה ר"י לקביעת SOC. 22, 23, 24
יש לנו הצגתי באחרונה עיצוב סוללת זרימת רומן סימטרי בלתי מימי מבוססת על חומר חיזור ambipolar חדש, 2-פניל-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-תחמוצת (PTIO). 25 זה סוללת זרימה ולפוטנציאל כדי לענות על האתגרים הנ"ל של סוללות זרימה בלתי מימיות. ראשית, PTIO מסיסות גבוהה (2.6 מ ') ממס הסוללה של אצטוניטריל (MeCN) כי הוא מבטיח לאפשר צפיפות אנרגיה גבוהה. שנית, PTIO מפגין שני זוגות חיזור הפיכים כי הם מופרדים באופן מתון ובכך יכול ליצור כימית סוללה סימטרית מעצמו. גם אנחנו הוכחנו כי לשיא PTIO להבחין בספקטרום FTIR יכול להיות מתואם עם הריכוז של PTIO unreacted בתוך תא הזרימה, מה שמוביל ספקטרוסקופיות קביעת SOC, כמו צולבות אומתו על ידי תוצאות ESR.= ילדה "Xref"> 26 כאן אנו מציגים פרוטוקול לפרט נהלי הערכות אלקטרוכימיים מבוסס FTIR אבחון SOC של סוללת הזרימה סימטרית PTIO. עבודה זו צפויה לעורר תובנה יותר בשמירה על הבטיחות ואמינה במהלך פעולות סוללת תזרים לטווח ארוכות, במיוחד ביישומי רשת בעולם האמיתי.
Protocol
Representative Results
Discussion
כפי שהראינו קודם, 25 FTIR מסוגל הלא פולשני באיתור SOC של הסוללה זרימת PTIO. ככלי אבחונים, FTIR יתרון במיוחד בשל נגישותו הקלה, תגובה מהירה, בעלות נמוכה, דרישת שטח קטנה, מתקן עבור התאגדות באינטרנט, לא רוויים גלאי, ואת היכולת לתאם מידע מבני לחקור התפתחויות מולקולריות ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה כלכלית על ידי מרכז משותפת אנרגיה אחסון מחקר (JCESR), Hub של כניסות חדשנות אנרגיה ממומן על ידי משרד האנרגיה האמריקני, משרד המדע, האנרגיה יסוד מדעי. המחברים גם להכיר Journal of כימיה חומרים (א החברה המלכותית של כתב העת לכימיה) עבור במקור פרסום מחקר זה ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL היא מעבדה לאומית רב בתוכנית המופעלת על ידי באטל עבור DOE תחת חוזה DE-AC05-76RL01830.
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 |
References
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334 (6058), 928-935 (2011).
- Yang, Z. G., et al. Electrochemical Energy Storage for Green Grid. Chem. Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).
- Wang, W., Luo, Q., Li, B., Wei, X., Li, L., Yang, Z. Recent Progress in Redox Flow Battery Research and Development. Adv. Funct. Mater. 23 (8), 970-986 (2013).
- Skyllas-Kazacos, M., Chakrabarti, M. H., Hajimolana, S. A., Mjalli, F. S., Saleem, M. Progress in Flow Battery Research and Development. J. Electrochem. Soc. 158 (5), 55-79 (2011).
- Weber, A. Z., et al. Redox Flow Batteries: A Review. J. Appl. Electrochem. 41 (10), 1137-1164 (2011).
- Noack, J., Roznyatovskaya, N., Herr, T., Fischer, P. The Chemistry of Redox-Flow Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (34), 9775-9808 (2015).
- Soloveichik, G. L. Flow Batteries: Current Status and Trends. Chem. Rev. 115 (20), 11533-11558 (2015).
- Leung, P., Li, X., de Leon, C. P., Berlouis, L., Low, C. T. J., Walsh, F. C. Progress in Redox Flow Batteries, Remaining Challenges and Their Applications in Energy Storage. RSC Adv. 2 (27), 10125-10156 (2012).
- Gong, K., Fang, Q., Gu, S., Li, S., Yan, Y. Nonaqueous Redox-Flow Batteries: Organic Solvents, Supporting Electrolytes, and Redox Pairs. Energy Environ. Sci. 8 (12), 3515-3530 (2015).
- Shin, S. H., Yun, S. H., Moon, S. H. A Review of Current Developments in Non-aqueous Redox Flow Batteries: Characterization of Their Membranes for Design Perspective. RSC Adv. 3 (24), 9095-9116 (2013).
- Cappillino, P. J., et al. Application of Redox Non-Innocent Ligands to Non-Aqueous Flow Battery Electrolytes. Adv. Energy Mater. 4 (1), 1300566 (2014).
- Suttil, J. A., et al. Metal Acetylacetonate Complexes for High Energy Density Non-aqueous Redox Flow Batteries. J. Mater. Chem. A. 3 (15), 7929-7938 (2015).
- Brushett, F. R., Vaughey, J. T., Jansen, A. N. An All-Organic Non-aqueous Lithium-Ion Redox Flow Battery. Adv. Energy Mater. 2 (11), 1390-1396 (2012).
- Wei, X., et al. Radical Compatibility with Nonaqueous Electrolytes and Its Impact on an All-Organic Redox Flow Battery. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (30), 8684-8687 (2015).
- Nagarjuna, G., et al. Impact of Redox-Active Polymer Molecular Weight on the Electrochemical Properties and Transport Across Porous Separators in Nonaqueous Solvents. J. Am. Chem. Soc. 136 (46), 16309-16316 (2014).
- Wei, X., et al. TEMPO-Based Catholyte for High-Energy Density Nonaqueous Redox Flow Batteries. Adv. Mater. 26 (45), 7649-7653 (2014).
- Wei, X., et al. Towards High-Performance Nonaqueous Redox Flow Electrolyte Via Ionic Modification of Active Species. Adv. Energy Mater. 5 (1), 1400678 (2015).
- Fan, F. Y., et al. Polysulfide Flow Batteries Enabled by Percolating Nanoscale Conductor Networks. Nano Lett. 14 (4), 2210-2218 (2014).
- Pan, H., et al. On the Way Toward Understanding Solution Chemistry of Lithium Polysulfides for High Energy Li-S Redox Flow Batteries. Adv. Energy Mater. 5 (16), 1500113 (2015).
- Escalante-Garcia, I. L., Wainright, J. S., Thompson, L. T., Savinell, R. F. Performance of a Non-Aqueous Vanadium Acetylacetonate Prototype Redox Flow Battery: Examination of Separators and Capacity Decay. J. Electrochem. Soc. 162 (3), 363-372 (2015).
- Wei, X., et al. Microporous Separators for Fe/V Redox Flow Batteries. J. Power Sources. 218, 39-45 (2012).
- Skyllas-Kazacos, M., Kazacos, M. State of Charge Monitoring Methods for Vanadium Redox Flow Battery Control. J. Power Sources. 196 (20), 8822-8827 (2011).
- Brooker, R. P., Bell, C. J., Bonville, L. J., Kunz, H. R., Fenton, J. M. Determining Vanadium Concentrations Using the UV-Vis Response Method. J. Electrochem. Soc. 162 (4), 608-613 (2015).
- Petchsingh, C., et al. Spectroscopic Measurement of State of Charge in Vanadium Flow Batteries with an Analytical Model of VIV-VV Absorbance. J. Electrochem. Soc. 163 (1), 5068-5083 (2016).
- Duan, W., et al. A Symmetric Organic-Based Nonaqueous Redox Flow Battery and Its State of Charge Diagnostics by FTIR. J. Mater. Chem. A. 4 (15), 5448-5456 (2016).
- Potash, R. A., McKone, J. R., Conte, S., Abruña, H. D. On the Benefits of a Symmetric Redox Flow Battery. J. Electrochem. Soc. 163 (3), 338-344 (2016).
- Kim, H. S., et al. A Tetradentate Ni(II) Complex Cation as a Single Redox Couple for Non-aqueous Flow Batteries. J. Power Sources. 283, 300-304 (2015).
- Shinkle, A. A., Sleightholme, A. E. S., Griffith, L. D., Thompson, L. T., Monroe, C. W. Degradation Mechanisms in The Non-aqueous Vanadium Acetylacetonate Redox Flow Battery. J. Power Sources. 206, 490-496 (2012).
- Li, Z., et al. Electrochemical Properties of an All-Organic Redox Flow Battery Using 2,2,6,6-Tetramethyl-1-Piperidinyloxy and N-Methylphthalimide. Electrochem. Solid-State Lett. 14 (12), 171-173 (2011).
- Schaltin, S., et al. Towards an All-Copper Redox Flow Battery Based on a Copper-Containing Ionic Liquid. Chem. Commun. 52, 414-417 (2016).
- Luo, Q., et al. Capacity Decay and Remediation of Nafion-based All-Vanadium Redox Flow Batteries. ChemSusChem. 6 (2), 268-274 (2013).
