הארכת תוחלת החיים של זרימה מסיסים עופרת סוללות עם תוסף סודיום אצטט

Summary

פרוטוקול לבנייה של עופרת מסיסים זרימה סוללה עם תוחלת החיים מורחב, נתרן אשר מסופק אצטט האלקטרוליט methanesulfonic כתוסף, מוצג.

Abstract

בדו ח זה, אנו מציגים שיטה לבנייה של סוללה הזרימה הראשי מסיסים (SLFB) עם חיים מחזור מורחבת. על ידי אספקת כמות מספקת של סודיום אצטט (NaOAc) כדי האלקטרוליט, סיומת החיים מחזור של מעל 50% הוא הפגין לניסויים SLFBs ויה לטווח ארוך galvanostatic טעינה/פריקה. איכות גבוהה יותר של electrodeposit₂ PbO על האלקטרודה החיובית מאומתת באופן כמותי עבור אלקטרוליט NaOAc-נוסף על ידי זריקת מדידות אינדקס (TI). תמונות נרכשה על-ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) גם התערוכה משולב יותר PbO מורפולוגיה₂ משטח כאשר SLFB מופעל עם האלקטרוליט NaOAc-נוסף. עבודה זו מציינת כי השינוי אלקטרוליט ניתן מסלול סביר מבחינה כלכלית לאפשר SLFBs לאחסון אנרגיה בקנה מידה גדול.

Introduction

מקורות אנרגיה מתחדשים כולל שמש ורוח פותחו במשך עשרות שנים, אך טבעם לסירוגין מציב אתגרים גדולים. עבור רשת החשמל העתידי עם מקורות אנרגיה מתחדשים, שילב, טען איזון וייצוב רשת קריטיות, יכולה להיות מושגת באמצעות שילוב אחסון אנרגיה. חמצון-חיזור זרימה סוללות (RFBs) הם אחת מהאפשרויות מבטיח לאחסון אנרגיה סרגל רשת. RFBs מסורתית מכילים יון סלקטיבי ממברנות הפרדת anolyte catholyte; לדוגמה, כל ונדיום RFB הראה לפעול עם יעילות גבוהה, הרבה זמן מחזור חיים^1,2. עם זאת, את נתח השוק שלהם כמו אחסון אנרגיה מצומצמת מאוד בחלקו עקב הכולל בחומרים יקרים ממברנות יון בררניים יעילים. מצד שני, סוללה זרימה עופרת מסיסים יחיד-זרימה (SLFB) מוצג על-ידי. Plectcher et al. ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5}. SLFB ה היא ממברנה-פחות מאחר שהוא כולל מינים פעילה אחת בלבד, Pb(II) יונים. Pb(II) יונים הן electroplated על האלקטרודה החיובית PbO₂ ו האלקטרודה השלילית כמו חמאת בוטנים בו זמנית במהלך טעינה, להמיר חזרה ל- Pb(II) במהלך פריקה. SLFB ובכך צריך משאבה מחזור אחד אלקטרוליט אחד אחסון טנקים בלבד, אשר בתורו יכול העלול להוביל את הבירה מופחת ועלות מבצעית לעומת RFBs המקובלת. שפורסם מחזור החיים של SLFBs, זאת, עד כה מוגבל לפחות מ 200 מחזורים תחת זרימה תקינה תנאים^6,7,8,9,10.

גורמים מובילים SLFB מחזור חיים קצר קשורה preliminarily התצהיר/פירוק PbO₂ בבית האלקטרודה החיובית. במהלך תהליכי טעינה/פריקה, החומציות אלקטרוליט הוא נמצא כדי להגדיל את מחזורי עמוק או חוזרות ונשנות¹¹, פרוטונים מוצעים כדי לגרום את הדור של שכבת פסיבציה של הלא-stoichiometric PbO_x^{12, 13}. שפיכת PbO₂ הוא תופעה אחרת הקשורה SLFB השפלה. לשפוך PbO חלקיקי₂ הן בלתי הפיכות, כבר לא יכול להיות מנוצל. יעילות coulombic (CE) SLFBs consequentially מסרב בגלל תגובות אלקטרוכימיות מאוזנת, כמו גם electrodeposits שהצטברו אצל שתי אלקטרודות. כדי להאריך את מחזור החיים של SLFBs, ייצוב ה-pH תנודות ומבנה electrodeposit הם קריטיים. עיתון האחרונות מפגינה ביצועים משופרים, ו מחזור מורחבת החיים של SLFBs עם תוספת של סודיום אצטט (NaOAc) methanesulfonic אלקטרוליט¹¹.

. הנה, מתואר פרוטוקול מפורט על העסקת NaOAc כתוסף כדי אלקטרוליט methanesulfonic SLFBs. ההופעה SLFB מוצג כדי להיות משופרת, ניתן להאריך את תוחלת החיים על ידי למעלה מ- 50% בהשוואה SLFBs ללא תוספים NaOAc. בנוסף, נהלי לזרוק אינדקס (TI) מדידה מומחשים לצורך השוואה כמותית של השפעות מוספים על electrodeposition. לבסוף מתוארת שיטה הכנה מדגם מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) סריקה עבור electrodeposit על SLFB אלקטרודות, ההשפעה מוספים על electrodeposit באה לידי ביטוי בתמונות הנרכש.

Protocol

1. בניית תא גביע SLFB עם תוסף סודיום אצטט

הערה: סעיף זה מתאר את ההליך כדי לבנות תא גביע SLFB עם תוסף לניסוי אופניים לטווח ארוך. הפרוטוקול כולל הכנת אלקטרוליט עם ובלי תוסף, רעלני אלקטרודה, הרכבה תא והחישובים יעילות.

1. הכנת methanesulfonate עופרת (1 ליטר, 1 מ' בתור דוגמה)
   1. בשכונה fume, להוסיף 274.6 גר' methanesulfonic חומצה (למתקן, 70%) תוך ערבוב עם בר מערבבים גביע. להמיס את למתקן עם 300 מ ל מים (DI) יונים.
   2. להכין 223.2 גר' תחמוצת עופרת (II) (98%) ולהוסיף בתוספות כשהספל הנ ל עד תחמוצת עופרת מוכן היא התפרקה לחלוטין.
   3. לסנן דרך למשפך ביכנר עם 70 מ"מ תאית נייר סינון כדי להפריד כל תחמוצת עופרת undissolved.
   4. חזור על הליך זה עבור 3 פעמים. מוסיפים מים DI להגיע 1 ליטר בהנפח הכולל.
2. הכנת אלקטרוליט ללא תוסף (300 מ)
   1. להוסיף 20.595 גר' למתקן (70%) גביע. להוסיף 150 מ ל מוכן 1 מ' עופרת methanesulfonate כשהספל אותו.
   2. מוסיפים מים די כדי להגיע 300 מ ל הנפח הכולל ומערבבים האלקטרוליט עד מעורב בצורה אחידה, אשר תוצאות בריכוז 0.5 M עופרת methanesulfonate מעורבב עם 0.5 M למתקן.
3. הכנה של אלקטרוליט עם סודיום אצטט (300 מ)
   1. להוסיף 20.595 גר' למתקן (70%) גביע. להוסיף 150 מ ל מוכן 1 מ' עופרת methanesulfonate כשהספל אותו.
   2. להוסיף 1.23 גר' NaOAc (98%) כשהספל כסוכן מוספים.
   3. מוסיפים מים די כדי להגיע 300 מ ל הנפח הכולל ומערבבים האלקטרוליט עד מעורב בצורה אחידה, שתוצאתה פתרון של 0.5 M עופרת methanesulfonate, חומצה methanesulfonic 0.5 M ו- 50 מ מ סודיום אצטט.
4. רעלני של האלקטרודות חיוביים ושליליים
   1. שוב ושוב פולנית החיובי (מסחרי פחמן מרוכבים), שלילית (ניקל) אלקטרודות עם נייר זכוכית (תחמוצת אלומיניום, P100) עד אין זיהומים גלוי נותרו ולשטוף לאחר מכן אלקטרודות במים DI.
   2. להוסיף 20.83 g של מימן כלורי (35%) ב- 200 מ ל די מים ומערבבים את הפתרון עד כל מימן כלורי התפרקה.
   3. לטבול את האלקטרודה החיובית כולו בפתרון מוכן 1 מ' מימן כלורי בן לילה כדי להסיר זיהומים על פני האלקטרודה.
   4. שוטפים את האלקטרודה החיובית ביסודיות עם מים DI ומייבשים האלקטרודה עם המשימה העדינה המגבים. הקלטת צד אחד של כל אלקטרודה באמצעות קלטות טפלון (PTFE) תוך חשיפת בצד השני של האלקטרודות.
   5. להכין פתרון אחר עם g 3.03 של חנקת אשלגן (99%) ו- 300 מ ל די מים, כשהתוצאה היא פתרון של חנקת אשלגן 0.1 M.
   6. לטבול האלקטרודות חיוביים ושליליים של חנקת אשלגן 0.1 M עם השטח חשוף בפני כל אלקטרודה.
   7. פוטנציאל של 1.80 V לעומת Ag/AgCl חלות על האלקטרודה החיובית במשך 5 דקות. לאחר מכן, החל פוטנציאל של-1.0 V לעומת Ag/AgCl אל האלקטרודה החיובית למשך 2 דקות.
5. להרכיב את SLFB גביע תא
   1. לצרף האלקטרודות חיוביים ושליליים pretreated לוח מיקום האלקטרודות תוצרת בית למרחק האלקטרודה קבוע. הנח את לוח מיקום יחד עם אלקטרודות בתוך כמו סכמטי מאויר באיור 1 ולהוסיף אלקטרוליט כשהספל עד רמת המיועד של טבילה.
   2. למקם הספל של פגים, מקם את הספל על פלטה חמה ולשלוט קצב סיבוב בחישה. להתחבר הבודק הסוללה האלקטרודות ולכסות את התא גביע בניילון נצמד כדי למנוע אידוי.
6. לחשב את יעילות הסוללות
   1. לאחר galvanostatic טעינה ופריקה, לחשב את היעילות של הסוללה כדלהלן:
      יעילות coulombic:
      יעילות מתח:
      יעילות אנרגיה:
      . הנה, Q מציין תליונים של אלקטרונים המקביל טעונה/משוחררים, V המתח החל/פלט ו- E את האנרגיה הכוללת המאוחסנת/נצרך.

2. לזרוק אינדקס מדידה

הערה: סעיף זה מתאר את ההליך כדי למדוד את זריקת מדד (TI) electrodeposit-אלקטרודות חיובי בתאים SLFB. היפוך את התפקיד של אלקטרודות חיוביים ושליליים מספק את הסט השני של TI תוצאות. . הנה, TI ייחקר על-ידי שימוש תא הרינג-בלום תוצרת בית כמו סכמטי מתואר באיור2.

1. מדידה
   1. שוקל והקלטה של שתי אלקטרודות חיוביות בהתאמה לפני הניסויים.
   2. מקם את האלקטרודה השלילית במרכז תא הרינג-בלום, אחד אלקטרודה חיובית ביחס למרחק של 1 מ האלקטרודה השלילית. מקם את האלקטרודה החיובית השנייה יחס אחר מרחק של האלקטרודה השלילית (קח 6 כדוגמא באיור2).
   3. לטבול את שתי אלקטרודות חיובית, האלקטרודה השלילית אחד עם אותו שקוע שטח (2 ס מ² כאן) בתא הרינג-בלום עם האלקטרוליט עניין.
   4. החל על צפיפות זרם מבוקר (20 mA·cm^-2 כאן)-האלקטרודות באמצעות כבודק הסוללה. לבצע את הטעינה galvanostatic למשך תקופה מסוימת (30 דקות כאן).
   5. לאחר ציפוי, לשטוף את שתי אלקטרודות חיובית עם מים DI, לייבש אותם בטמפרטורת החדר למשך הלילה.
   6. שוקל להקליט שתי אלקטרודות חיובי שוב בהתאמה, לחשב את יחס הפצה מתכת (MDR) לפי המשוואה המפורטים להלן.
   7. חזור על הניסויים הנ על-ידי הצבת את האלקטרודה החיובית השנייה-מרחק ליניארי שונים יחסי (LR) לרכוש את הדיאגרמה TI (מגוונות 6 ל-1 כאן).
2. חישוב
   1. לדוגמה, לשקול האנודה כמו האלקטרודה עניין ולאחר לקבוע כל הנתונים בדיאגרמה TI מאת נמדד MDR לעומת LR, אשר יחושבו כפי שמוצג להלן:
      
      

3. הכנת הדוגמא SEM

1. שוטפים את גרפיט אלקטרודה עם מים DI ומייבשים בטמפרטורת החדר לאחר electroplating.
2. אלקטרודות גרפיט פרוסה לתוך גודל המדגם הרצוי על ידי יהלום ראה בזהירות. קר הר המדגם אלקטרודה ולהבריק ואז מכנית אותו עם 14, 8, 3 μm סיליקון קרביד חול ניירות, לאחר מכן.
3. בהמשך פולנית הדגימות עם הבולם יהלום μm 1, 0.05 μm אל₂O₃. להפקיד המדגם רכוב קר עם פלטינה ולחבר אותו עם קלטות נחושת כדי להבטיח מוליכות עבור SEM תצפית.

תוצאות

כדי להאריך את מחזור החיים של SLFBs, NaOAc מסופק בתור אלקטרוליט מוספים. רכיבה על אופניים הביצועים של SLFBs עם או בלי NaOAc מוספים נבחנות במקביל, התוצאות מוצגות באיור3. עבור קל השוואה כמותית של מחזור החיים, אנו מגדירים "מותו" של SLFB כמו כאשר CE שלה הוא נמוך מ- 80% תחת galvanostatic ...

Discussion

מאמר זה מתאר שיטה חסכונית כדי להאריך את מחזור החיים של SLFBs: על ידי העסקת סוכן NaOAc בתור אלקטרוליט מוספים. אוסף של אלקטרודות גרפיט טריים וצלחות ניקל הם בקובייה כמו הנ ל. בשלב 1 לפני ניסויים אופניים לטווח ארוך. בגלל חוסר עקביות בין אלקטרודות פחמן מסחרי עלול לגרום ביצועים חריגה של SLFBs, רעלני פיזיק...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
70 mm cellulose filter paper	Advance
Autolab	Metrohm	PGSTA302N
BT-Lab	BioLogic	BCS-810
commercial carbon composite electrode	Homy Tech,Taiwan		Density 1.75 g cm-3, and electrical conductivity 330 S cm-1
Diamond saw	Buehler
Hydrochloric Acid	SHOWA	0812-0150-000-69SW	35%
Lead (II) Oxide	SHOWA	1209-0250-000-23SW	98%
Lutropur MSA	BASF	50707525	70%
nickel plate	Lien Hung Alloy Trading Co., LTD., Taiwan,		99%
Potassium Nitrate	Scharlab	28703-95	99%
Scanning electron microscopy	JEOL	JSM-7800F	at accelerating voltage of 15 kV
Sodium Acetate	SHOWA	1922-5250-000-23SW	98%
water purification system	Barnstead MicroPure		18.2 MΩ • cm