विद्युत मूल्यांकन और एक सममित कार्बनिक redox प्रवाह बैटरी का चार्ज निदान के राज्य के लिए एक प्रोटोकॉल
Summary
हम electrochemically एक सममित गैर जलीय जैविक redox प्रवाह बैटरी के मूल्यांकन के लिए और FTIR का उपयोग करते हुए प्रभारी के अपने राज्य के निदान के लिए प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं।
Abstract
रिडॉक्स प्रवाह बैटरी पावर ग्रिड और अक्षय ऊर्जा प्रौद्योगिकियों की तैनाती की विश्वसनीयता में सुधार के लिए सबसे होनहार स्थिर ऊर्जा भंडारण समाधान में से एक के रूप में माना गया है। कई प्रवाह बैटरी chemistries के बीच, गैर जलीय प्रवाह बैटरी संभावित गैर जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स की व्यापक वोल्टेज खिड़कियों की वजह से उच्च ऊर्जा घनत्व को प्राप्त है। बहरहाल, महत्वपूर्ण तकनीकी बाधाओं मौजूद वर्तमान में गैर जलीय प्रवाह बैटरी सीमित इतनी कम redox सांद्रता, कम परिचालन धाराओं, के तहत पता लगाया बैटरी की स्थिति की निगरानी, आदि इन सीमाओं को संबोधित करने के एक प्रयास के रूप में अपनी पूरी क्षमता का प्रदर्शन करने के लिए, हमने हाल ही में सूचना एक गैर जलीय प्रवाह एक अत्यधिक घुलनशील, redox सक्रिय कार्बनिक nitronyl nitroxide कट्टरपंथी परिसर पर आधारित बैटरी, 2-फिनाइल-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-ऑक्साइड (PTIO)। इस redox सामग्री एक ambipolar विद्युत संपत्ति दर्शाती है, और इसलिए दोनों anolyt के रूप में सेवा कर सकते हैंई और catholyte redox सामग्री एक सममित प्रवाह बैटरी रसायन विज्ञान के रूप में। इसके अलावा, हम दिखा दिया है कि फूरियर PTIO प्रवाह बैटरी साइकिल चालन के दौरान बदलना अवरक्त (FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी PTIO सांद्रता उपाय कर सकता है और, प्रभारी (समाज) की बैटरी राज्य की हद तक सही पता लगाने की पेशकश करते हैं इलेक्ट्रॉन स्पिन गूंज (ईएसआर) माप के रूप में मान्य पार । इस के साथ साथ हम PTIO सममित प्रवाह बैटरी की विद्युत मूल्यांकन और समाज के निदान के लिए एक वीडियो प्रोटोकॉल उपस्थित थे। विस्तृत विवरण के साथ, हम प्रयोगात्मक इस तरह के उद्देश्यों को प्राप्त करने के मार्ग का प्रदर्शन किया। इस प्रोटोकॉल अधिक हितों और सुरक्षा और गैर जलीय redox प्रवाह बैटरी के क्षेत्र में विश्वसनीयता पर अंतर्दृष्टि चिंगारी करना है।
Introduction
रिडॉक्स तरल इलेक्ट्रोलाइट्स कि बाहरी जलाशयों में समाहित कर रहे हैं और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को पूरा करने के लिए आंतरिक इलेक्ट्रोड के लिए पंप हैं में प्रवाह बैटरी की दुकान ऊर्जा। संग्रहित ऊर्जा और शक्ति इस प्रकार उत्कृष्ट डिजाइन लचीलापन, scalability, और प्रतिरूपकता के लिए अग्रणी decoupled जा सकता है। ये लाभ प्रवाह बैटरी साफ अभी तक रुक-रुक कर अक्षय ऊर्जा को एकीकृत करने के लिए स्थिर ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए अच्छी तरह से अनुकूल बनाने, बढ़ती ग्रिड संपत्ति के उपयोग और दक्षता, और ऊर्जा लचीलाता और सुरक्षा में सुधार। 1, 2, 3 पारंपरिक जलीय प्रवाह बैटरी ज्यादातर संकीर्ण वोल्टेज खिड़की के कारण सीमित ऊर्जा घनत्व से ग्रस्त पानी इलेक्ट्रोलिसिस से बचने के लिए। 4, 5, 6, 7, 8 इसके विपरीत, गैर aqueous आधारित प्रवाह बैटरी इलेक्ट्रोलाइट्स व्यापक रूप से उच्च सेल वोल्टेज और उच्च ऊर्जा घनत्व को प्राप्त करने के लिए क्षमता की वजह से अपनाई जा रही है। 9, 10 इन प्रयासों में, प्रवाह बैटरी chemistries की एक किस्म धातु समन्वय परिसरों, 11, 12 सब-जैविक, 13, 14 redox सक्रिय पॉलिमर, 15 और लिथियम संकर प्रवाह प्रणाली भी शामिल है, जांच की गई है। 16, 17, 18, 19
हालांकि, गैर जलीय प्रवाह बैटरी की क्षमता का अभी तक पूरी तरह से प्रवाह बैटरी प्रासंगिक शर्तों के तहत सीमित प्रदर्शन की प्रमुख तकनीकी अड़चन के कारण प्रदर्शन किया गया है। इस अड़चन को बारीकी से प्रदर्शन सीमित कारकों में से एक नंबर के साथ जुड़ा हुआ है। प्रथम,सबसे electroactive सामग्री के छोटे घुलनशीलता गैर जलीय प्रवाह कोशिकाओं से कम ऊर्जा घनत्व वितरण होता है। दूसरा, गैर जलीय प्रवाह बैटरी की दर क्षमता काफी हद तक उच्च इलेक्ट्रोलाइट चिपचिपाहट और प्रासंगिक redox सांद्रता में प्रतिरोधकता द्वारा सीमित है। तीसरा पहलू उच्च प्रदर्शन झिल्ली की कमी है। Nafion और चीनी मिट्टी झिल्ली गैर जलीय इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ कम ईओण चालकता दिखा। झरझरा विभाजक अपेक्षाकृत बड़े ध्यान में लीन होना आकार की वजह से सभ्य प्रवाह सेल प्रदर्शन का प्रदर्शन किया है, लेकिन काफी स्वयं निर्वहन पीड़ित हैं। 14, 20 आमतौर पर, मिश्रित अभिकारक दोनों anolyte और catholyte redox सामग्री युक्त इलेक्ट्रोलाइट्स (1: 1 के अनुपात) redox सामग्री विदेशी, जो हालांकि प्रभावी redox सांद्रता बलिदान, आम तौर पर आधे से कम करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। 14, 21 aforementioned टोंटी पर काबू पाने मेटर में सुधार की आवश्यकता हैials खोज, बैटरी रसायन विज्ञान, डिजाइन और वास्तुकला प्रवाह सेल बैटरी प्रासंगिक साइकिल चालन प्राप्त करने के लिए।
बैटरी की स्थिति की निगरानी विश्वसनीय संचालन के लिए अनिवार्य रूप से महत्वपूर्ण है। ऑफ-सामान्य पल्ला झुकना, गैस विकास, और सामग्री गिरावट बैटरी प्रदर्शन और यहां तक कि बैटरी विफलता के लिए नुकसान का कारण बन सकती सहित शर्तों। खास तौर पर बड़े पैमाने पर प्रवाह बैटरी सामग्री की बड़ी मात्रा में शामिल बैटरी के लिए, इन कारकों गंभीर सुरक्षा के मुद्दों और निवेश नुकसान हो सकता है। प्रभारी (समाज) प्रभारी या प्रवाह बैटरी के निर्वहन की गहराई का वर्णन करने का सबसे महत्वपूर्ण राज्य बैटरी की स्थिति मानकों में से एक है। समय पर समाज निगरानी संभावित खतरों का पता लगाने से पहले वे धमकी के स्तर तक पहुंच सकता है। हालांकि, इस क्षेत्र में अब तक अंडर संबोधित करने के लिए, विशेष रूप से गैर जलीय प्रवाह बैटरी में लगता है। जैसे पराबैंगनी दिखाई (यूवी की तुलना) स्पेक्ट्रोस्कोपी और इलेक्ट्रोलाइट चालकता माप जलीय प्रवाह batte में मूल्यांकन किया गया है Spectrophotoscopic तरीकों समाज निर्धारण के लिए ry। 22, 23, 24
हमने हाल ही में एक नया ambipolar redox सामग्री के आधार पर एक उपन्यास सममित गैर जलीय प्रवाह बैटरी डिजाइन पेश किया है, 2-फिनाइल-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-ऑक्साइड (PTIO)। 25 इस प्रवाह बैटरी गैर जलीय प्रवाह बैटरी के ऊपर उल्लिखित चुनौतियों का सामना करने के लिए वादा है। सबसे पहले, PTIO acetonitrile की बैटरी विलायक (MeCN) है कि एक उच्च ऊर्जा घनत्व को सक्षम करने का वादा किया है में एक उच्च घुलनशीलता (2.6 एम) है। दूसरा, PTIO दो प्रतिवर्ती redox जोड़े कि मामूली अलग हो रहे हैं और इस तरह अपने आप में एक सममित बैटरी रसायन विज्ञान के रूप में कर सकते हैं दर्शाती है। हम यह भी दिखा दिया है कि FTIR स्पेक्ट्रा में एक पृथक करने PTIO पीक फ्लो सेल, जो समाज के निर्धारण स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए ईएसआर परिणामों के रूप में पार मान्य होता है में unreacted PTIO की एकाग्रता के साथ जोड़ा जा सकता है।लड़की = "xref"> 26 यहाँ हम विद्युत मूल्यांकन और PTIO सममित प्रवाह बैटरी की FTIR आधारित समाज के निदान के लिए प्रक्रियाओं विस्तृत करने के लिए एक प्रोटोकॉल उपस्थित थे। इस काम के लिए लंबी अवधि के प्रवाह बैटरी अभियानों के दौरान सुरक्षा और विश्वसनीयता को बनाए रखने, विशेष रूप से वास्तविक दुनिया ग्रिड अनुप्रयोगों में अधिक अंतर्दृष्टि को गति प्रदान करने की उम्मीद है।
Protocol
Representative Results
Discussion
जैसा कि हम पहले प्रदर्शन, 25 FTIR गैर invasively PTIO प्रवाह बैटरी की समाज का पता लगाने में सक्षम है। एक नैदानिक उपकरण के रूप में, FTIR इसकी आसान पहुंच, तेजी से प्रतिक्रिया, कम लागत, छोटी सी जगह की आवश्यकता है, ऑ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के लिए आर्थिक रूप से ऊर्जा संग्रहण अनुसंधान के लिए संयुक्त केंद्र (JCESR), एक ऊर्जा अभिनव हब ऊर्जा, विज्ञान के कार्यालय, मूल ऊर्जा विज्ञान विभाग के अमेरिका द्वारा वित्त पोषित द्वारा समर्थित किया गया। लेखकों को भी मूल रूप से इस अनुसंधान (प्रकाशित करने के लिए सामग्री रसायन विज्ञान एक (रसायन विज्ञान जर्नल की एक रॉयल सोसाइटी) के जर्नल को स्वीकार करते हैं http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b )। PNNL एक बहु कार्यक्रम राष्ट्रीय अनुबंध डे-AC05-76RL01830 तहत डो लिए Battelle द्वारा संचालित प्रयोगशाला है।
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 |
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