Протокол для гальванических оценок и состояние заряда диагностики Симметричный органических Редокс Flow Батарея
Summary
Мы представляем протоколы для электрохимически оценки симметричного неводного органического батареи редокс-потока и для диагностики его состояния заряда с использованием FTIR.
Abstract
батареи потока Редокс рассматривались в качестве одного из наиболее перспективных стационарных решений хранения энергии для повышения надежности энергосистемы и внедрения технологий использования возобновляемых источников энергии. Среди многочисленных потоков химических батарей, неводные батареи потока имеют потенциал для достижения высокой плотности энергии из-за широких окон напряжения неводных электролитов. Однако значительные технические препятствия существуют в настоящее время ограничивая неводные батареи потока , чтобы продемонстрировать весь свой потенциал, такие как низкие концентрации окислительно – восстановительных, низкие рабочие токи, батареи мониторинга состояния при изученным и т.д. В попытке устранить эти ограничения, мы недавно сообщила неводные батареи потока на основе сильно растворимым, редокс-активные органические nitronyl нитроксильного радикала соединения, 2-фенил-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-оксид-3-оксид (ФТИО). Этот материал имеет окислительно-восстановительный потенциал амбиполяр- электрохимическое свойство, и, следовательно, может служить в качестве как анолитове и католита окислительно-восстановительные материалы, чтобы сформировать симметричный химический состав батареи потока. Более того, мы показали, что преобразование Фурье инфракрасного (FTIR) спектроскопия позволяет измерять концентрации Ptio во время езды на велосипеде батареи ФТИО потока и предлагают достаточно точное определение состояния заряда батареи (SOC), в перекрестной проверке методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) измерений , Здесь мы представляем видео протокол для электрохимической оценки и СОВ диагностики батареи симметричного течения Ptio. С подробным описанием, мы экспериментально показали путь для достижения таких целей. Этот протокол направлен на искру больше интересов и представление о безопасности и надежности в области неводных батарей окислительно-восстановительного потока.
Introduction
Redox Поток батареи сохранять энергию в жидких электролитов, которые содержатся во внешних резервуарах и закачивают внутренних электродов для завершения электрохимических реакций. Накопленная энергия и мощность, таким образом, может быть развязан приводит к превосходной гибкости конструкции, масштабируемости и модульности. Эти преимущества делают батареи потока хорошо подходит для стационарного применения накопителей энергии для интеграции чистых пока прерывистый возобновляемых источников энергии, повышение эффективности использования активов сетки и эффективности, а также повышение энергетической устойчивости и безопасности. 1, 2, 3 Традиционные водные батареи потока страдают от ограниченной плотности энергии, в основном из – за узкого окна напряжения , чтобы избежать электролиз воды. 4, 5, 6, 7, 8 В отличие от этого , не Aqueленные электролиты на основе потока батареи широко преследовали из-за возможности для достижения высокого напряжения ячейки и высокую плотность энергии. 9, 10 В этих усилий, разнообразие потока химических батарей были исследованы, в том числе металл-координационных комплексов, 11, 12 все-органические, 13, 14 редокс – активных полимеров, 15 и гибридных систем потока лития. 16, 17, 18, 19
Тем не менее, потенциал неводных батарей потока до сих пор не в полной мере продемонстрировал в связи с крупной технической узким местом ограниченной демонстрации в потоке аккумуляторных соответствующих условиях. Это узкое место тесно связано с целым рядом характеристик ограничивающих факторов. Первый,малая растворимость большинства электроактивных материалов приводит к доставке низкой плотности энергии по неводных проточных кювет. Во-вторых, способность скорость неводных батарей потока в значительной степени ограничивается высокой вязкостью электролита и удельным сопротивлением при соответствующих концентрациях, окислительно-восстановительными. Третьим фактором является отсутствие высокопроизводительных мембран. Nafion и керамические мембраны демонстрируют низкую ионную проводимость с неводных электролитов. Пористые сепараторы демонстрируют хорошую производительность потока клеток, но страдают значительный саморазряд из-за относительно большого размера пор. 14, 20 Как правило, смешанный-реагирующие электролиты , содержащие как анолита и католита окислительно – восстановительных материалов (соотношение 1: 1) используются для снижения окислительно – восстановительных материалов кроссовер, который , однако , жертвует эффективные концентрации окислительно – восстановительные, как правило , в два раза. 14, 21 Преодоление вышеупомянутого узкое место требует улучшения матерМОГВ открытие, дизайн химии батареи, и проточная ячейка архитектура для достижения батареи релевантных езда на велосипеде.
Контроль состояния батареи принципиально важно для надежной работы. Off-нормальные условия, включая завышенную, газовыделения и деградации материала может причинить вред производительности батареи и даже батареи отказа. Специально для крупномасштабных аккумуляторов потока с участием большого количества аккумуляторных материалов, эти факторы могут вызвать серьезные проблемы безопасности и потери инвестиций. Состояние заряда (SOC), описывающего глубину зарядки или разрядки батарей потока является одним из наиболее важных параметров состояния батареи. Своевременное мониторинг SOC может обнаруживать потенциальные риски, прежде чем они достигают угрожающих уровней. Тем не менее, эта область, как представляется, под адресацией до сих пор, особенно в неводных батарей потока. Spectrophotoscopic методы, такие как ультрафиолетовой и видимой (UV-VIS) Измерения спектроскопии и проводимости электролита были оценены в водном Батт потока гу для определения SOC. 22, 23, 24
Мы недавно ввели новый симметричный неводного конструкции батареи потока на основе новой биполярной окислительно-восстановительного материала, 2-фенил-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-оксид-3-оксид (ФТИО). 25 Данная аккумуляторная батарея поток держит обещание для решения вышеупомянутых проблем неводных батарей потока. Во-первых, ФТИО имеет высокую растворимость (2,6 М) в батарейном растворителе из ацетонитрила (MeCN), который обещает дать высокую плотность энергии. Во-вторых, ФТИО имеет два обратимых окислительно-восстановительные пары, которые умеренно разделены и, таким образом, могут образовывать симметричный химию батареи сама по себе. Мы также показали, что различимый пик ФТИО в спектрах FTIR может коррелировать с концентрацией непрореагировавшего ФТИО в проточную кювету, что приводит к спектроскопическим определение SOC, в качестве перекрестной проверки по результатам СОЭ.деваха = "Xref"> 26 Здесь мы приводим протокол для разработки процедур для электрохимических оценок и SOC диагностики батареи симметричного течения Ptio FTIR основе. Эта работа, как ожидается, чтобы вызвать больше понимания в поддержании безопасности и надежности во время длительных операций батареи потока, особенно в реальных приложениях сетки.
Protocol
Representative Results
Discussion
Как мы показали ранее, 25 ИК – Фурье способна неинвазивно обнаружения СЗ батареи Ptio потока. В качестве диагностического инструмента, ИК-Фурье является особенно предпочтительным из-за его легкой доступности, быстрой реакции, низкая стоимость, компактность, возможность подкл…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была выполнена при финансовой поддержке Объединенного центра энергетических исследований Storage (JCESR), Инновационного энергетического центра, финансируемого Департаментом энергетики США, Управление по науке, основные энергетические наук. Авторы также признают журнал Материалы химии А (Королевского химического общества журнала) для первоначально публикации этого исследования ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b~~HEAD=dobj ). PNNL является национальная лаборатория многопрофильным программа управляется Battelle для Министерства энергетики по контракту 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).
