En protokoll for Elektro Evalueringer og ladetilstand Diagnostikk av en Symmetric Organic Redox Flow Battery

Summary

Vi presenterer protokollene for elektrokjemisk vurdere en symmetrisk ikke-vandig organisk redoks flyt batteri og for å diagnostisere tilstanden omkostninger ved hjelp FTIR.

Abstract

Redox flyt batterier har blitt regnet som en av de mest lovende stasjonære energi lagringsløsninger for å forbedre påliteligheten av kraftnettet og distribusjon av fornybare energiteknologier. Blant de mange strømningsbatterikjemi, ikke-vandige strømnings batterier har potensial til å oppnå høy energitetthet på grunn av de brede spennings Vinduer av ikke-vandige elektrolytter. Men betydelige tekniske hindringer eksisterer i dag begrenser ikke-vandige flyt batterier for å vise sitt fulle potensial, for eksempel lave redoks konsentrasjoner, lave driftsstrømmer, under-utforsket batteristatus overvåking, etc. I et forsøk på å løse disse begrensningene, vi nylig rapportert en ikke-vandige strømnings batteriet på grunnlag av en lett oppløselig, redoks-aktive, organiske nitronyl nitroksid-radikal forbindelse, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksyl-3-oksyd (ptio). Dette redoks materiale oppviser en ambipolar elektrokjemisk egenskap, og derfor kan tjene som både anolyte og katolytten redoks-materialer for å danne en symmetrisk strømnings batteri kjemi. Videre viste vi at Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi kan måle ptio konsentrasjoner under ptio flyten batteri sykling og tilbyr rimelig nøyaktig deteksjon av batteriets ladetilstand (SOC), som cross-validert av elektronspinn resonans (ESR) målinger . Heri presenterer vi en video protokoll for elektrokjemisk evaluering og SOC diagnose av ptio symmetrisk flyten batteri. Med en detaljert beskrivelse, vi eksperimentelt demonstrert rute for å oppnå slike formål. Denne protokollen tar sikte på å vekke flere interesser og innsikt i sikkerhet og pålitelighet innen ikke-vandige redox flyt batterier.

Introduction

Redox flyte batterier lagre energi i flytende elektrolyttene som finnes i ytre reservoarer og pumpes til interne elektroder for å fullføre elektrokjemiske reaksjoner. Den lagrede energien og kraften kan dermed kobles fra fører til god design fleksibilitet, skalerbarhet og modularitet. Disse fordelene gjør flyt batterier godt egnet for stasjonære energilagring applikasjoner for å integrere rene ennå periodiske fornybar energi, øke grid utnyttelse og effektivitet, og forbedre energi fleksibilitet og sikkerhet. ^{1, 2, 3} tradisjonelle vannstrømnings batterier lider av begrenset energitetthet, hovedsakelig på grunn av den smale spenning vinduet for å unngå vannelektrolyse. ^{4, 5, 6, 7, 8} I motsetning til dette, ikke-aquelige elektrolytter basert flyt batterier blir mye forfulgt på grunn av potensialet for å oppnå høy cellespenning og høy energitetthet. ^{9, 10} I dette arbeidet har en rekke strømningsbatterikjemi blitt undersøkt, herunder metall-koordinasjonskomplekser, ^{11, 12} all-organisk, ^{13, 14} redokse polymerer, ¹⁵ og litium hybrid flow systemer. ^{16, 17, 18, 19}

Men potensialet i ikke-vandige flyt batterier har ennå ikke fullt ut demonstrert på grunn av store tekniske flaskehals av begrenset demonstrasjonen etter flytbatteritekniske krav. Denne flaskehals er nært forbundet med et antall ytelsesbegrensende faktorer. Først,den lille oppløselighet av de elektroaktive materialer fører til levering lav energitetthet ved ikke-vandige strømnings celler. For det andre, er satsen evnen til ikke-vandige flyt batterier i stor grad begrenset av den høye elektrolytt viskositet og resistivitet ved relevante redox konsentrasjoner. Den tredje faktoren er mangel på høy ytelse membraner. Nafion og keramiske membraner vis lav ionisk ledningsevne med ikke-vandige elektrolytter. Porøse separatorer har vist bart strømningscelleytelse, men lide betydelig selvutladning på grunn av relativt stor porestørrelse. ^{14, 20} Vanligvis mixed-reaktant elektrolytter som inneholder både anolytt- og katolytt redoks materialer: er (1 1 ratio) brukes for å redusere Redox materialer crossover, som imidlertid ofrer de effektive redoks-konsentrasjoner, typisk med halvparten. ^{14, 21} Vinne den nevnte flaskehals krever forbedringer i materIALS oppdagelse, batteri kjemi design, og flyt celle arkitektur for å oppnå batteri relevant sykling.

Batteristatus overvåking er egentlig viktig for pålitelig drift. Off-normale forhold, inkludert charge, gassutvikling, og materialet degradering kan forårsake skader på batteriytelse og selv batterifeil. Spesielt for store strømnings batterier involverer store mengder batteri materialer, kan disse faktorene føre til alvorlige sikkerhetsproblemer og investeringer tap. Ladningstilstand (SOC) beskriver dybden av ladning eller utladning av strømnings batterier er en av de viktigste batteristatus parametre. Betimelig SOC overvåking kan oppdage potensielle farer før de når truende nivåer. Imidlertid synes dette området til å være under-adressert hittil, spesielt i ikke-vandige strømnings batterier. Spectrophotoscopic metoder som ultrafiolett-synlig (UV-vis) spektroskopi og elektrolyttkonduktivitetsmålinger har blitt evaluert i vandig flyt batte ry for SOC besluttsomhet. ^{22, 23, 24}

Vi har nylig introdusert en ny symmetrisk ikke-vandig strømnings batteri design basert på en ny ambipolar redoks-materiale, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oksyl-3-oksyd (ptio). ²⁵ Denne flyten batteri holder løftet for å løse de nevnte utfordringene i ikke-vandige flyt batterier. For det første har ptio en høy oppløselighet (2,6 M) i batteriløsningsmiddel av acetonitril (MeCN) som er lovende for å muliggjøre en høy energitetthet. For det andre oppviser ptio to reversible redox-par som er moderat separert og således kan danne et symmetrisk batteri kjemi av seg selv. Vi har også vist at en identifiserbar ptio topp i FTIR-spektrene kan korreleres med konsentrasjonen av ureagert ptio i strømningscellen, noe som fører til spektroskopiske bestemmelse av SOC, som tverr validert av ESR resultater.lass = "xref"> 26 Her presenterer vi en protokoll for å utarbeide prosedyrer for elektro evalueringer og FTIR-baserte SOC diagnostikk av ptio symmetrisk flyten batteri. Dette arbeidet forventes å utløse mer innsikt i å opprettholde sikkerhet og pålitelighet under langsiktige flyt batteri drift, spesielt i den virkelige verden grid applikasjoner.

Protocol

Merk: Alle løsningsmidler, syklisk voltametri (CV) tester, og strømningscellesammensetning og tester ble utført i en argon-fylt hanskeboks med vann og O 2 nivåer mindre enn 1 ppm. 1. Elektrokjemisk Evalueringer av ptio Flow Cells CV Test Polere en glassaktig karbon elektrode med 0,05 mikrometer gamma alumina pulver, skylle den med avionisert vann, legg den i under vakuum ved romtemperatur over natten, og overføre den til en hanskerommet. <…

Representative Results

De unike fordelene ved den symmetriske ptio flyt batterisystem er sterkt tilskrives de elektrokjemiske egenskaper ptio, en organisk nitroksydet radikal sammensatte. Ptio kan gjennomgå elektro Disproposjonering reaksjoner for å danne ptio + og ptio – (figur 2a). Disse to redoks-par er moderat adskilt av et gap spenning på ~ 1,7 V (figur 2b), og kan brukes som både anolytt- og katolytt-redoks-materialer i en symmetrisk batteri kje…

Discussion

Som vi vist tidligere, er ²⁵ FTIR stand til ikke-invasiv måte å detektere SOC av ptio strømnings batteriet. Som et diagnostisk verktøy, er FTIR spesielt fordelaktig på grunn av sin lett tilgjengelighet, rask reaksjon, lav pris, lite plassbehov, anlegg for elektronisk inkorporering, ikke detektor metning, og evnen til å korrelere strukturell informasjon for å undersøke molekylvidereutviklinger under strømning batteridrift. Figur 3e illustrerer en foreslått flyt batteri e…

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