We are grateful for the design and fabrication assistance of D. De La Cruz, for equipment borrowed from M. Zahn, and for insightful discussions with D. R. Sadoway and the talented electrochemists of his group.

הגדרת מערכת 1. ועצרת <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נקה את מתמר אולטרסאונד עם isopropanol. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את תא הכפפות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ציוד עומס הנדרש וחומרים (כולל מתמר אולטרסאונד, ePbBi, מערבבים מקל, וצמדים) לתא הכפפות, בעקבות ההוראות של יצרן תא הכפפות כדי למזער חדירת החמצן והלחות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמור חומרים נקבוביים תחת ואקום בחדר קבלת תא הכפפות עבור שעות 12 לפני הכניסה לתא הכפפות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מנגינת בקר PID (הפעם הראשונה בלבד). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את אותה הכמות של ePbBi המוצק לתוך כלי הסוללה שישמש בניסויים (840 גר &#39;). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את הבידוד סביב תנור כלי הסוללה אם זה לא כבר שם, והנח את המכסה על גבי כלי הסוללה, יחד עם האספן הנוכחי השלילי וצמדים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפוך את כל חיבורי החשמל עבור צמדים תרמיים וכוח התנור, כפי שמוצג באיור <strong&gt; יור 2B. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליזום כוונון אוטומטי של בקר PID, באמצעות 150 מעלות צלזיוס כנקודת הסט. הערה: הפרטים של צעד זה יהיה שונה, בהתאם ליצרן בקר PID ומודל. בקר משמש כאן אוטומטי מנגינות על ידי שליטה ארבעה מחזורים תרמיים מלאים, מRT לטמפרטורת הפעלה, על מסלול של שעות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במקשי החצים כדי להתאים את נקודת הסט (המוצגת כברירת מחדל לאחר כוונון בקר) 150 ° C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחצו לחיצה ארוכה על כפתור הלולאה במשך 3 שניות כדי להיכנס ללולאה הנסתרת. לאחר מכן לחץ על כפתור הלולאה שוב ושוב עד שמסך הבקר מראה &quot;מנגינה&quot;. השתמש במקשי החצים כדי לשנות את זה כן. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס תרמי ולהשתמש בתחנת העבודה כדי לפקח והיכנס טמפרטורה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע אוטומטי מנגינה היא מלאה, להקליט פרמטרים פרופורציונליים, אינטגרליים, ונגזרים שבקר PID שנבחר באופן אוטומטי על ידי שימוש בממשק בקר, לפי to הוראות היצרן. </li></ol></li></ol> מדידת 2. קול המהיר <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתנור כדי להמס מספיק ePbBi לניסוי, לפחות 400 גרם. הערה: הסכום הנדרש ישתנה לציוד שונה, וePbBi נמס ב 125 מעלות צלזיוס. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במידת צורך, להסיר תחמוצת עודפת ברפרוף אותו מהמשטח העליון של ePbBi באמצעות מערבבים מקל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס מתמר אולטרסאונד למכשיר מדידת מהירות קול ולהדק את קשר swage כדי למנוע הדלפות, לאחר מכן הכנס תרמי ולהשתמש בתחנת העבודה כדי לפקח והיכנס טמפרטורה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העבר את המתכת מותכת למכשיר מדידת מהירות הקול. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מכשיר מדידת מהירות קול על בסיס התנור ולהשאיר אותו שם למשך 2 דקות כדי להגדיל בהדרגה את הטמפרטורה ולמנוע הלם תרמי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתכונן להעברה בטוחה על ידי הסרת ציוד רגיש לחום או חומרים מהאזור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיף בבוקר קטןounts של מתכת מותכת בכל פעם, כי הלם תרמי יכול לגרום נזק למתמר אולטרסאונד. להוסיף ePbBi עד הפנים מתמר וראש מיקרומטר שניהם שקועים לחלוטין. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חכה עד שהטמפרטורה נשארת יציבה בתוך 1 מעלות צלזיוס במשך לפחות 5 דקות לפני תחילת מדידות, מאז מהירות קול תלויה בטמפרטורה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אולטרסאונד המידה מהדהד בשני מקומות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את קצה מיקרומטר למיקום שרירותי אבל ידוע. מדידות שיא הד אולטרסאונד, ביצוע ההוראות הניתנות על ידי יצרן המכשיר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש בחיוג מיקרומטר, להזיז את קצה מיקרומטר על ידי מרחק ידוע. מדידות הד השיא אולטרסאונד. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את המתכת המותכת ממכשיר מדידת מהירות קול ולאחסן אותו במכל חום-סובלני. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לקבוע את מהירות קול, משרעת הד עלילה כפונקציה של זמן הד לכל אחד משתי המדידות. אתר את ההדים על ידי התאמת עקומת גאוסלכל הד שיא, כמו ביור איור 4. לחשב את מהירות קול על ידי חלוקת מרחק עקירה על ידי ההבדל בזמני שיא הד. </li></ol> 3. מדידת מהירות אולטראסאונד <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממסים מספיק ePbBi לניסוי (840 גר &#39;), הסרת תחמוצת עודפת במידת צורך. הערה: לקבלת התוצאות הטובות ביותר, השתמשו באותה הכמות של ePbBi ששימשה למנגינת בקר PID. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס מתמר אולטרסאונד לכלי הסוללה ולהדק את קשר swage כדי למנוע הדלפות, להבטיח כי בסיס התנור הוא ברמה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העבר את המתכת מותכת לכלי שיט הסוללה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים כלי סוללה על בסיס תנור ולהשאיר אותו שם למשך 5 דקות כדי להגביר בהדרגה את הטמפרטורה ולמנוע הלם תרמי. להתכונן להעברה בטוחה על ידי הסרת ציוד רגיש לחום או חומרים מהאזור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיף כמויות קטנות של מתכת מותכת בכל פעם, כי הלם תרמי יכול לגרום נזק לulמתמר trasound. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חכה עד שהטמפרטורה מגיעה 150 מעלות צלזיוס לפני מדידות מתחילות, מאז מהירות קול תלויה בטמפרטורה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לסיים הרכבת המנגנון. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את הבידוד סביב תנור כלי הסוללה אם זה לא כבר שם. מניחים את המכסה על גבי כלי הסוללה, יחד עם האספן הנוכחי השלילי וצמדים. להיות בטוח שכולם ממוקמים בדיוק וrepeatably; פיר צווארונים לעבוד גם עבור זה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפוך את כל חיבורי החשמל עבור חשמל ואותות, כפי שמוצג באיור 2 ב יור. השתמש מד התנגדות כדי לוודא שאין נתיבים חשמליים לא מכוון נוכחים, כלומר, לבדוק שההתנגדות החשמלית בין האספן הנוכחי השלילי וכל האות היא מוביל MΩ לפחות 1. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין ביצוע מדידות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין רישום וטמפרטורת ניטור, כוח דוד, מתח סוללה, וסוללהנוכחי. שים לב: כאן, קוד מותאם אישית LabView תחנת עבודה פועלת שימש כדי להתחבר כל המדידות, עם חותמות זמן מתאים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את הגדרות מכשיר אולטרסאונד בהתאם לצורך. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקפד להגדיר את מהירות קול, באמצעות הטמפרטורה המתאימה, על פי מודל מקובל 19. לePbBi ב 150 מעלות צלזיוס כפי שלהלן, לקבוע את המהירות ל1,760 מ &#39;/ שנייה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את תדירות החזרה הדופק (בדרך כלל 0.25 מ&quot;מ) שמעמקי הדו צפופים כזה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את ספירת השער כזה שההד החזק מהקיר המרוחק של כלי השיט מופיע בכמה השערים האחרונים; הוא מספק בדיקת שפיות שימושית בנושאי עוצמת אות פתרון בעיות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש בהוראות הניתנות על ידי היצרן, להגדיר את המכשיר לחומרה מפעילה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין רישום וניטור מהירות עם מכשיר אולטרסאונד על ידי ייזום מפעילה מתחנת העבודה. שיא מהירות ארבעה פרופילים לשנייה עבור 30דקות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הסוללה הנוכחית עד 5, לחכות 5 דקות לזרימה לייצב, ולאחר מכן להקליט ארבעה מהירות פרופילים לשנייה למשך 30 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלב 3.5 עבור 10, 15, 20, 25, ו -30 א הערה: תוכניות ניסיוניות רבות אחרות גם אפשריות, כוללים וריאציות טמפרטורה ושינויים חלקים בנוכחי. נמוך אווירה בחמצן ולחות מאפשר ניסויים עם איכות אות טובה לשעות או יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע שהניסויים הושלמו, להפסיק לרשום נתונים ולכבות את התנור. נתק חיבורי חשמל והסר את מכסה התנור. הסר את המתכת המותכת מספינת הסוללה, באמצעות אותם ההליכים להעברה בטוחה ששמשו בעת מילוי כלי השיט. אחסן את ePbBi המותך במכל חום-סובלני. הוסף ארגון נוסף לתא הכפפות; הלחץ שלה יירד כמו האטמוספרה שלו מתקררת. </li></ol>

<ol>
	<li>Kim, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+metal+batteries:+Past,+present,+and+future.">Liquid metal batteries: Past, present, and future.</a> Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).</li><li>Bradwell, D. J., Kim, H., Sirk, A. H. C., Sadoway, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnesium-antimony+liquid+metal+battery+for+stationary+energy+storage.">Magnesium-antimony liquid metal battery for stationary energy storage.</a> J. Am. Chem. Soc. 134, 1895-1897 (2012).</li><li>Kim, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermodynamic+properties+of+calcium&#8211;bismuth+alloys+determined+by+emf+measurements.">Thermodynamic properties of calcium&#8211;bismuth alloys determined by emf measurements.</a> Electrochim. Acta. 60, 154-162 (2012).</li><li>Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calcium&#8211;bismuth+electrodes+for+large-scale+energy+storage+(liquid+metal+batteries).">Calcium&#8211;bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries).</a> J. Power Sources. 241, 239-248 (2013).</li><li>Cairns, E. J., Crouthamel, C. E., Foster, A. K., Foster, M. S., Hesson, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Galvanic+cells+with+fused+salts.">Galvanic cells with fused salts.</a> Technical Report ANL-7316. , (1967).</li><li>Cairns, E. J., Shimotake, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-temperature+batteries.">High-temperature batteries.</a> Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).</li><li>Bard, A., Faulkner, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , (2001).</li><li>Takeda, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+an+ultrasound+velocity+profile+monitor.">Development of an ultrasound velocity profile monitor.</a> Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).</li><li>Takeda, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+profile+measurement+by+ultrasonic+Doppler+method.">Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method.</a> Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).</li><li>Brito, D., Nataf, H. -. C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+Doppler+velocimetry+in+liquid+gallium.">Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium.</a> Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).</li><li>Yanagisawa, T., Yamagishi, Y., Takeda, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+of+large-scale+flows+and+their+oscillation+in+the+thermal+convection+of+liquid+gallium.">Structure of large-scale flows and their oscillation in the thermal convection of liquid gallium.</a> Phys. Rev. E. 82, 016320 (2010).</li><li>Eckert, S., Gerbeth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+measurements+in+liquid+sodium+by+means+of+ultrasound+Doppler+velocimetry.">Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry.</a> Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).</li><li>Brawn, B. E., Joshi, K., Lathrop, D. P., Mujica, N., Sisan, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+the+invisible:+Ultrasound+velocimetry+in+liquid+sodium.">Visualizing the invisible: Ultrasound velocimetry in liquid sodium.</a> Chaos. 15, 041104 (2005).</li><li>Takeda, Y., Kikura, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+mapping+of+the+mercury+flow.">Flow mapping of the mercury flow.</a> Exp. Fluids. 32 (2), 161-169 (2002).</li><li>Eckert, S., Gerbeth, G., Melnikov, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+measurements+at+high+temperatures+by+ultrasound+Doppler+velocimetry+using+an+acoustic+wave+guide.">Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide.</a> Exp. Fluids. 35, 381-388 (2003).</li><li>Ueki, Y., Yao, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-temperature+ultrasonic+Doppler+velocimetry+for+lead-lithium+flows.">High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows.</a> Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. , 267-272 (2012).</li><li>Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+measurement+techniques+for+liquid+metal+flows.">Velocity measurement techniques for liquid metal flows.</a> Magnetohydrodynamics. , 275-294 (2007).</li><li>Kelley, D. H., Sadoway, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mixing+in+a+liquid+metal+electrode.">Mixing in a liquid metal electrode.</a> Phys. Fluids. 26 (5), (2005).</li><li>NEA. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , (2007).</li><li>Fauve, S., Laroche, C., Libchaber, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+a+horizontal+magnetic+field+on+convective+instabilities+in+mercury.">Effect of a horizontal magnetic field on convective instabilities in mercury.</a> J. Physique Lett. 42 (21), 455-457 (1981).</li><li>Cioni, S., Ciliberto, S., Sommeria, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strongly+turbulent+Rayleigh-B&#233;nard+convection+in+mercury:+Comparison+with+results+at+moderate+Prandtl+number.">Strongly turbulent Rayleigh-B&#233;nard convection in mercury: Comparison with results at moderate Prandtl number.</a> J. Fluid Mech. 335, 111-140 (1997).</li><li>Burr, U., M&#252;ller, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-B&#233;nard+convection+in+liquid+metal+layers+under+the+influence+of+a+horizontal+magnetic+field.">Rayleigh-B&#233;nard convection in liquid metal layers under the influence of a horizontal magnetic field.</a> J. Fluid Mech. 453, 345-369 (1997).</li><li>Bojarevi&#269;s, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electrically induced vortical flows. , (1989).</li><li>Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+quantitative+study+of+three-dimensional+Lagrangian+particle+tracking+algorithms.">A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms.</a> Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).</li><li>Kelley, D. H., &amp; Ouellette, N. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+particle+tracking+to+measure+flow+instabilities+in+an+undergraduate+laboratory+experiment.">Using particle tracking to measure flow instabilities in an undergraduate laboratory experiment.</a> Am. J. Phys. 79, 267-273 (2011).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

טכניקות אולטראסאונד יכולות לייצר מדידות מהירות במאות או אלפי מקומות בנוזל שקוף או אטום, פעמים רבות בשנייה. מוחל על האלקטרודה מתכת נוזלית, טכניקות אולטרסאונד נתקלות באתגרים של טמפרטורה גבוהה, פעילות כימית, ומוליכות חשמלית. השיטות להתגברות על האתגרים אלה ומדידת זרימה...

סוללות מתכת נוזלית הן טכנולוגיה מבטיחה למתן אחסון אנרגיה בקנה מידה גדולה על רשתות חשמל בעולם 1. סוללות אלו מציעות צפיפות אנרגיה גבוהה, צפיפות הספק גבוהה, מחזור חיים ארוכים, ועלות נמוכה, מה שהופך אותם אידיאליים לאחסון אנרגיית רשת בקנה מידה 3. היכרות עם סוללות מתכת נוזלית לרשת האנרגיה יאפשר גילוח שיא, לשפר את יציבות רשת, ומאפשר שימוש הרבה יותר נרחב של מקורות מתחדשים לסירוגין כמו שמש, רוח, וכוח של גאות ושפל. סוללות מתכת נוזלית מורכבות משתי אלקטרודות מתכת נוזלית מופרדות על ידי אלקטרוליט מלח מותך, כפי שתוארו בפירוט רב יותר בעבודה לפני 1. למרות ששילובים שונים של מתכות ואלקטרוליטים יכולים לגרום לסוללת מתכת נוזלית עבודה, עקרונות פעולה נשארים אותו הדבר. המתכות נבחרות כך שזה לטובה במרץ עבורם ליצירת סגסוגת; כך נתוך פורע את הסוללה, וחיובים נתוך-דה. Saשכבת LT נבחרה כך שהוא מאפשר יוני מתכת לעבור בין שתי אלקטרודות, אבל תחבורה בלוקים של מינים ניטראליים, ובכך מעניק שליטה אלקטרוכימי של המערכת. עבודה זו תקדם טכנולוגיית סוללה מתכת נוזלית על ידי כימות ושליטה אפקטי תחבורה המוניים. השיטות שתוארו כאן הם הודיעו על ידי שיטות אלקטרוכימיים שפותחו עבור סוללות מתכת נוזלית על ידי Sadoway et al. 1-4, כמו גם עבודת סוללה מתכת נוזלית קודם לכן במעבדה הלאומית Argonne 5,6, ועבודתה של הקהילה אלקטרוכימיים הרחבה יותר (בארד ופוקנר 7 לספק רב אזכור רלוונטי). השיטות שתוארו כאן גם לבנות על מחקרי דינמיקה של נוזלים לפני. velocimetry אולטראסאונד פותח וראשון בשימוש במים 8,9 ומאז הוחל מתכות נוזליים כוללים גליום 10,11, נתרן 12,13, 14 כספית, עופרת-ביסמוט 15, נחושת, בדיל 15 &lt;/ Sup&gt;, ולהוביל-ליתיום 16, בין יתר. אקרט et al. לספק סקירה שימושית של velocimetry במתכות נוזליים 17. שיטות עבודה באמצעות אחרונים דומות לאלה שתוארו כאן 18 הוכיחו כי זרמי סוללה יכולים לשפר תחבורה המונית באלקטרודות מתכת נוזלית. בגלל תחבורה המונית בהאלקטרודה החיובית הוא צעד שער הגבלה בטעינה ופריקה של סוללות מתכת נוזלית, ערבוב לכן מאפשר תשלום מהיר ופריקה מאשר היה להיות אחר אפשרי. יתר על כן ערבוב מונע inhomogeneities המקומי באלקטרודה, שיכול ליצור את מוצקים המגבילים את מחזור החיים של סוללה. בעבודה שוטפת, אנו ממשיכים ללמוד את התפקיד של זרימת נוזל בהאלקטרודה החיובית של הסוללה מתכת הנוזלית, אשר נגרם כתוצאה של כוחות תרמיים ואלקטרומגנטים. שינויי טמפרטורה לנהוג זרימת הסעה באמצעות ציפה, וזרמי סוללה לנהוג זרימה על ידי אינטראקציה עם השדות המגנטיים הנגרמים על ידי הבלילהזרמים עצמם y. בניסויים באמצעות השיטות מתוארות להלן, שראינו זורם עם מספר ריינולדס 50 &lt;Re &lt;200, מחושב מעומק אלקטרודה ומהירות שורש ממוצע מרובע. אפיון ניסיוני יסודי התבצע וישתמש בערכת הנתונים וכתוצאה מכך לבנות מודלים סוללה חזוי. המיקוד של כתב היד הזה הוא על העיצוב והנהלים הנדרשים כדי לייצר נתונים כגון ניסיוניים. velocimetry אולטראסאונד מספק את חלק הארי של המדידות, ותנאי ניסוי חייבים להיות מבוקרים בקפידה על מנת להשתמש באולטרסאונד בהצלחה במתכת נוזלית. טמפרטורה גבוהה, פעילות כימית, ומוליכות חשמלית חייבת להיות מנוהלים בזהירות. ראשית, סוללות מתכת נוזלית פועלות בהכרח בטמפרטורה גבוהה, כי הן מתכות והמלח שמפריד ביניהם חייב להיות מותכים. בחירה אחת מבטיחה של חומרים, אשר עושה שימוש בליתיום כמו האלקטרודה השלילית, תוביל-אנטימון כELEC החיוביtrode, ותערובת של מלחי ליתיום eutectic כאלקטרוליט, דורשים טמפרטורות סביב 550 מעלות צלזיוס. מדידת זרימת נוזל אטום בטמפרטורות גבוהות כזה היא די קשה. מתמרים אולטרסאונד בטמפרטורה גבוהה, המפרידים את רכיבי אלקטרו-אקוסטי העדינים מנוזל הבדיקה עם מוליך גל אקוסטי, הוכח 15 וממוסחרים. עם זאת, בגלל שיש לי מתמרים אובדן הכנסה קרובה 40 dB, ובגלל הקושי הכללי של עבודה בטמפרטורות כאלה, מערכת פונדקאית נבחרה למחקר ראשוני: סוללה מתכת נוזלית יכולה גם להתבצע באמצעות נתרן כמו האלקטרודה, eutectic השלילית 44% יובילו ביסמוט 56% (להלן, ePbBi) כמו האלקטרודה החיובית, ותמהיל eutectic משולש של מלחי נתרן (10% יודיד נתרן, 38% סודיום הידרוקסיד, 52% אמידי נתרן) כמו אלקטרוליט. כגון סוללה היא לגמרי מותכת מעל 127 מעלות צלזיוס, מה שהופך את זה הרבה יותר נוח למחקר במעבדה. כי זה מורכב משלושה נוזלישכבות מופרדות בצפיפות, הוא כפוף לאותה הפיזיקה סוללות מתכת נוזלית אחרות. והוא תואם עם מתמרים אולטרסאונד זמין, שמדורגים 230 ° C, כרוך לא הפסדי מוליך גל, ועולה הרבה פחות ממתמר טמפרטורה גבוהה. ניסויים אלה בדרך כלל יתקיימו ב 150 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה ש, יש ePbBi ν צמיגות = 2.79 x 10 -7 מ &#39;2 / sec, κ תרמית diffusivity = 6.15 x 10 -6 2 / sec מ&#39;, וdiffusivity המגנטי η = .8591 מ &#39;2 / sec, כך שמספר Prandtl שלה הוא Pr = ν / κ = 4.53 x 10 -2 ומספר Prandtl המגנטי שלו מנותק = ν / η = 3.24 x 10 -7. למרות כימיה סוללה מתכת זו בטמפרטורה נמוכה נוזל הופכת זרימת מחקרים הרבה יותר קלה ממה שהם יהיו בסוללות חמה, הטמפרטורה חייבת בכל זאת להיות מנוהלת בזהירות. להיות מכשירי אלקטרו-אקוסטי עדינים, מתמרים אולטרסאונד הם susceptiblדואר לפגוע בהלם תרמי, ולכן חייב להיות מחומם בהדרגה. מדידות אולטרסאונד באיכות גבוהה דורשות גם ויסות טמפרטורה זהירה. velocimetry אולטראסאונד עובד כמו סונאר, כפי שמוצג באיור 1: מתמר משמיע צפצוף (כאן, התדירות היא 8 מגה-הרץ), ואז מקשיב להדים. על ידי מדידת הזמן של טיסה של ההד, המרחק לגוף מהדהד ניתן לחשב, ועל ידי מדידת היסט דופלר של ההד, רכיב אחד של המהירות של הגוף יכול גם להיות מחושב. במים, חלקיקים נותב יש להוסיף לייצר הדים, אך לא חלקיקים נותב נדרשים במתכות נוזלית, עובדה שאינו מובן בפירוט אבל מיוחסת בדרך כלל לנוכחות של חלקיקי תחמוצת מתכת קטנים. כל מדידה היא ממוצעת על כל החלקיקים נותב בחקירה נפח; בעבודה זו, בקוטר המינימאלי שלה הוא 2 מ&quot;מ, במרחק 30 מ&quot;מ מהבדיקה. למרות חמצון עשוי סופו של דבר מגביל את משך הניסויים, באמצעות השיטות דואר מתוארות להלן, עשינו מדידות ברציפות במשך זמן רב ככל 8 שעות. חישוב או מרחק או מהירות דורש לדעת את מהירות הקול בנוזל הבדיקה, ומהירות שמשתנית עם טמפרטורה. העבודה המתוארת כאן מתמקדת בזרימה בהאלקטרודה השלילית ePbBi, שבו מהירות הקול היא 1,766 מ &#39;/ שנייה ב 150 מעלות צלזיוס, 1,765 מ&#39; / שנייה על 160 מעלות צלזיוס, ו1,767 מ &#39;/ שנייה ב 140 מעלות צלזיוס 19. לפיכך בקרת טמפרטורה לקויה הייתה להציג את הטעויות שיטתיות במדידות אולטרסאונד. מכשיר נבנה כדי למדוד את מהירות הקול בePbBi, מציאת ערכים בקנה אחד עם אלה שפורסמו והתקבלו על ידי הסוכנות לאנרגיה הגרעינית 19 (ראה להלן). לבסוף, מאז הסעה התרמית הוא נהג עיקרי של זרימה בסוללות מתכת נוזלית, שניהם הטמפרטורה הממוצעת והבדלי הטמפרטורה בין החלק העליון והתחתון של האלקטרודה ePbBi משפיע ישירות על תצפיות. לקבלת תוצאות עקביות, תרמית מדויקתהשליטה היא חיונית. בהתאם לכך, טמפרטורה נמדדת הרף עם לפחות שלושה צמדים K-סוג, כניסה המדידות שלהם באופן אלקטרוני עם מכשיר רכישה מבוסס מחשב ותכנית LabView אישית בכתב. התכנית גם שולטת באספקת החשמל שמספקת נוכחי סוללה, באמצעות חיבור USB; יומנים נוכחי הסוללה ומתח; ושולח פולסים הדק למכשיר אולטרסאונד, כך שניתן לסנכרן את הנתונים שלו עם מדידות האחרות. תרשים מערכת מוצג באיור 2. החום מסופק על ידי תנור בנוי מותאם אישית (גם מוצג באיור 2), המכיל שני גופי חימום תעשייתי 500-W מופעל על ידי ממסר עבר על ידי נפרד-ההפרש יחסי (PID) בקר. צלחת הבסיס התומכת בתאי סוללה עשויה מאלומיניום מוצק; בגלל מוליכות התרמית שלה היא בסדר גודל גבוה יותר מאשר מוליכות תרמית של רח חלדכלי תא סוללה הצלופח וePbBi הוא מכיל 19, הטמפרטורה של רצפת התנור הוא כ אחידה. יתר על כן בסיס האלומיניום משמש גם כדרך לזרמים החשמליים עוברים דרך אלקטרודה. מוליכות החשמלית שלה היא גם בסדר גודל גבוה יותר מזה של פלדת אל-חלד או ePbBi, כך המתח של רצפת התנור הוא גם כ אחיד. רגלי בידוד להפריד את הבסיס מהספסל עליון למטה, מניעת כוויות ומכנסיים קצרים. הצדדים של כלי שיט הסוללה מבודדים עם בידוד הקרמיקה סיליקה, לחתוך כדי להתאים את הכלי באופן הדוק אך משאיר מקום לגישה נמל אולטרסאונד של התא. לבסוף, מכסה polytetrafluoroethylene (PTFE) מבודד את התא מלמעלה ומחזיק אספן השלילי הנוכחי וצמדים במקום. למרות צלחות חמות, זמינות מסחרי יכולות להשיג את הטמפרטורות דרושות לניסויים אלה, התנור בנוי המותאם אישית שלנו שומר על טמפרטורה עם סדר וריאציה פחות גודל,גם ND מאפשר לנו למדוד את כוח חום ישירות. בנוסף לאתגרים הקשורים בטמפרטורה, יש אתגרים הקשורים בפעילות כימית. ב 150 מעלות צלזיוס, האלקטרודה חיובית ePbBi כימית תואמת עם חומרים רבים משותפים. האלקטרודה שלילית נתרן, לעומת זאת, corrodes חומרים רבים, מתחמצנת בקלות, ומגיבה בתקיפות עם לחות. האלקטרודה שלילית ליתיום היא גם אגרסיבית, בעיקר בגלל סוללות מתכת נוזלית מבוסס ליתיום פועלות בדרך כלל טמפרטורות גבוהות בהרבה. למרות שהמערכות גבוהה יותר בטמפרטורה אלה הן מחוץ לתחום של עבודה זו, רב מאותו האמצעים לניהול פעילות כימית המשמשים כאן כבמערכות אלה. כל הניסויים שתוארו כאן מתרחשים בתא כפפות מלא ארגון המכילים כמויות זעירות בלבד של חמצן או לחות. כלי הסוללה עשויים מסגסוגת 304 נירוסטה, שcorrodes אפילו מינימאלי עם ליתיום ב 550 מעלות צלזיוס. צמדים ונוכחיים שלילייםאספן גם עשוי נירוסטה. הגיאומטריה הכלי נבחרה כדי להתאים כלי המשמשים לבדיקות אלקטרוכימי של סוללות מתכת נוזלית, לדגמן קרוב ככל האפשר המערכות שבן להיות ממוסחרים. הכלי, שמוצג באיור 2, הוא גלילי, עם קוטר פנימי 88.9 מ&quot;מ ועומק 67 מ&quot;מ. כל דפנות הכולים הם 6.4 מ&quot;מ עובי. הכלי שונה מאלו המשמשים לניסויים קודמים, עם זאת, כי יש לו יציאת אולטרסאונד. הנמל עובר דרך הקיר הצדדי לאורך קוטר אופקי של הגליל, והמרכז של הנמל הוא 6.6 מ&quot;מ מעל רצפת הספינה. הנמל הוא 8 מ&quot;מ קוטר כדי להתאים מתמר אולטרסאונד 8 מ&quot;מ, וחותמות סביב מתמר עם swage. בניסויים אלה, את האלקטרודה המתכת הנוזלית היא פשוט עמוקה מספיק כדי לכסות את מתמר אולטרסאונד, בדרך כלל 13 מ&quot;מ. על מנת להשיג אותות אולטרסאונד חזקים, אחד דורש שידור אקוסטי טובבין מתמר אולטרסאונד ובדיקות נוזל זה (ePbBi). כוח אקוסטית מרבי מועבר כאשר העכבה האקוסטית של החומר רגשי ונוזל הבדיקה זהות; כאשר העכבות שונות, אותות סובלים. הצבה מתמר אולטרסאונד במגע ישיר עם ePbBi הנקי (כמתאפשר על ידי הנמל שתואר לעיל) מספקת אות בשפע, לעתים קרובות במשך שעות בכל פעם. תחמוצות מתכת, לעומת זאת, יש לי עכבה שונה מאוד, וגם עלולה להפריע להרטבה על ידי שינוי מתח הפנים. אם ePbBi הוא מתחמצן באופן משמעותי, אותות אולטרסאונד לבזות ובקרוב ייעלמו. שוב, אווירת אינרטי היא חיונית. אם כמויות זעירות של חמצן לגרום לחמצון בכל זאת, את פני השטח של תחמוצת המתכת ברפרוף לפני העברת ePbBi לתוך כלי הסוללה. לבסוף, אתגרי ניסויים אלה הנוכחיים בגלל הנוכחות של זרמים חשמליים. למרות זרמי היתר המדעי וטכנולוגי המרכזי שלנוest, הם גדולים מספיק (30) לגרום נזק אם מנותב באופן שגוי. צמדים חסרי בסיס להבטיח שהזרמים החשמליים מזיקים לא עוברים דרך מכשיר רכישת נתונים או המחשב שתומך בו, כי יש לי צמדים חסרי בסיס אין קשר חשמלי פנימי מנדן מגן לאו חוט אות. כמו כן הוא חיוני להשתמש מתמרים אולטרסאונד חסר בסיס (אות-העיבוד SA, TR0805LTH) כדי למנוע נוכחי תועה מפגיעה במכשיר אולטרסאונד היקר (אות-העיבוד SA, DOP 3010). כאמור, הבסיס של התנור משמש להוליך זרם חשמלי, וגם חייב להיות מבודד חשמלי מסביבתו. באלקטרודה ePbBi, נוכחי גורם לחימום ohmic, שעלול לשבש את הטמפרטורה. כך מערכת בקרת תרמית האוטומטית חייבת להיות מסוגלת להסתגל לשינויים בקלט חום. איור 3 מראה כיצד הטמפרטורה של האלקטרודה ePbBi משתנה נוכ כהשכרה זורמת דרכו, וכיצד בקר PID מתאים לפיצוי. שמירה על טמפרטורה יציבה עם זרמים גדולים (50 = 800 mA / סנטימטר) היה דורשת קירור נוסף, אבל בזרמים הנמוכים יותר מציאותיים לסוללות מתכת נוזלית ביישומים תעשייתיים (בדרך כלל 17 = 275 mA / 1 סנטימטר), בקר הוא מסוגל כדי לפצות על חימום ohmic ולהחזיק וריאציה טמפרטורה עד 2 מעלות צלזיוס.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>K Type Thermocouple Probe</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>3856K83</td>
			<td><a href="http://www.mcmaster.com/">http://www.mcmaster.com/</a></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Red Lion PID Controller</td>
			<td>Red Lion</td>
			<td>P1610000</td>
			<td>http://store.redlion.net/store/p16.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Measurement Computing Data Acquisition Device</td>
			<td>Measurement Computing Corporation</td>
			<td>USB-2408</td>
			<td>http://www.mccdaq.com/index.aspx</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Supply</td>
			<td>TDK-Lambda</td>
			<td>GEN 8-90-USB-U</td>
			<td>http://us.tdk-lambda.com/hp/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound Instrument</td>
			<td>Signal Processing SA</td>
			<td>DOP3010</td>
			<td>http://www.signal-processing.com/index.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound Transducer</td>
			<td>Signal Processing SA</td>
			<td>TR0805LTH</td>
			<td>http://www.signal-processing.com/index.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bismuth-Lead Eutectic</td>
			<td>VWR</td>
			<td>AA40949-P2</td>
			<td>https://us.vwr.com/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ultrasound velocity measurement in a liquid metal electrode

מספר הולך וגדל של טכנולוגיות אלקטרוכימיים תלוי בזרימת נוזל, ולעתים קרובות שהנוזל הוא אטום. מדידת זרימת נוזל אטום היא מטבעו יותר קשה מאשר מדידת זרימת נוזל שקוף, שכן שיטות אופטיות אינן ישימות. אולטראסאונד יכול לשמש כדי למדוד את המהירות של נוזל אטום, לא רק בנקודות בודדות, אבל במאות או אלפי נקודות ערוכות לאורך קווים, עם רזולוציה של זמן טוב. כאשר מוחל על האלקטרודה מתכת נוזלית, velocimetry אולטרסאונד כרוך אתגרים נוספים: טמפרטורה גבוהה, פעילות כימית, ומוליכות חשמלית. כאן אנו מתארים את המנגנון ושיטות שלהתגבר על אתגרים אלה ויאפשר המדידה של זרימה באלקטרודה מתכת נוזלית, כפי שהוא מקיים נוכחי, בטמפרטורת הפעלה הניסיוניים. טמפרטורה מוסדרת בתוך ± 2 מעלות צלזיוס באמצעות בקר פרופורציונלי-אינטגרלי נגזרים (PID) שסמכויות תנור בנוי מותאם אישית. פעילות כימית היא אישגילאים על ידי בחירת חומרי כלי בזהירות ולסגור את ההתקנה הניסיונית בתא כפפות מלא ארגון. לבסוף, נתיבים חשמליים לא מכוון מנועים בזהירות. מערכת אוטומטית יומני הגדרות בקרה ומדידה ניסיונית, באמצעות אותות הדק החומרה לסנכרן מכשירים. מנגנון זה ושיטות אלה יכולים לייצר מדידות שבלתי אפשריים עם טכניקות אחרות, ולאפשר אופטימיזציה ובקרה של טכנולוגיות אלקטרוכימיים כמו סוללות מתכת נוזלית.

ההליך למדידת מהירות קול (שתוארה בפירוט לעיל) הותאם משיטות המשמשות אות-עיבוד SA. בעיקרון, ניתן להשיג בקלות במהירות קול על ידי מדידת הזמן של טיסה של הד מקיר במגוון ידוע. אבל דווקא מדידת המיקום האפקטיבי של הפנים המתמר היא קשה, אז במקום ניתן למדוד זמן של טיסה פעמיים, באמצעות...

Watch this Scientific Journal Video about Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode at JoVE.com

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

אולטראסאונד מהירות מדידה במתכת נוזלית אלקטרודה

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

ultrasound-velocity-measurement-in-a-liquid-metal-electrode

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Sound

SCIENTISTS IN ACTION

11.6K Views.  University of Rochester. Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Video: Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen 1-7. The performance of SOFCs and the rates of many chemical and energy transformation processes in energy storage and conversion devices in general are limited primarily by charge and mass transfer along electrode surfaces and across interfaces. Unfortunately, the mechanistic understanding of these processes is still lacking, due largely to the difficulty of characterizing these processes under in situ conditions. This knowledge gap is a chief obstacle to SOFC commercialization. The development of tools for probing and mapping surface chemistries relevant to electrode reactions is vital to unraveling the mechanisms of surface processes and to achieving rational design of new electrode materials for more efficient energy storage and conversion2. Among the relatively few in situ surface analysis methods, Raman spectroscopy can be performed even with high temperatures and harsh atmospheres, making it ideal for characterizing chemical processes relevant to SOFC anode performance and degradation8-12. It can also be used alongside electrochemical measurements, potentially allowing direct correlation of electrochemistry to surface chemistry in an operating cell. Proper in situ Raman mapping measurements would be useful for pin-pointing important anode reaction mechanisms because of its sensitivity to the relevant species, including anode performance degradation through carbon deposition8, 10, 13, 14 ("coking") and sulfur poisoning11, 15 and the manner in which surface modifications stave off this degradation16. The current work demonstrates significant progress towards this capability. In addition, the family of scanning probe microscopy (SPM) techniques provides a special approach to interrogate the electrode surface with nanoscale resolution. Besides the surface topography that is routinely collected by AFM and STM, other properties such as local electronic states, ion diffusion coefficient and surface potential can also be investigated17-22. In this work, electrochemical measurements, Raman spectroscopy, and SPM were used in conjunction with a novel test electrode platform that consists of a Ni mesh electrode embedded in an yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte. Cell performance testing and impedance spectroscopy under fuel containing H2S was characterized, and Raman mapping was used to further elucidate the nature of sulfur poisoning. In situ Raman monitoring was used to investigate coking behavior. Finally, atomic force microscopy (AFM) and electrostatic force microscopy (EFM) were used to further visualize carbon deposition on the nanoscale. From this research, we desire to produce a more complete picture of the SOFC anode.

We present a unique platform for characterizing electrode surfaces in solid oxide fuel cells (SOFCs) that allows simultaneous performance of multiple characterization techniques (e.g. in situ Raman spectroscopy and scanning probe microscopy alongside electrochemical measurements). Complementary information from these analyses may help to advance toward a more profound understanding of electrode reaction and degradation mechanisms, providing insights into rational design of better materials for SOFCs.

חיטוט ומיפוי משטחי אלקטרודה דלק תאי תחמוצת מוצקות

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Experimental Measurement of Settling Velocity of Spherical Particles in Unconfined and Confined Surfactant-based Shear Thinning Viscoelastic Fluids

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic (VES) fluids. The measurements are made for particles settling in unbounded fluids&#160;and fluids between parallel walls. VES fluids over a wide range of rheological properties are prepared and rheologically characterized. The rheological characterization involves steady shear-viscosity and dynamic oscillatory-shear measurements to quantify the viscous and elastic properties respectively. The settling velocities under unbounded conditions are measured in beakers having diameters at least 25x the diameter of particles. For measuring settling velocities between parallel walls, two experimental cells with different wall spacing are constructed. Spherical particles of varying sizes are gently dropped in the fluids and allowed to settle. The process is recorded with a high resolution video camera and the trajectory of the particle is recorded using image analysis software. Terminal settling velocities are calculated from the data.
The impact of elasticity on settling velocity in unbounded fluids is quantified by comparing the experimental settling velocity to the settling velocity calculated by the inelastic drag predictions of Renaud et al.1&#160;Results show that elasticity of fluids can increase or decrease the settling velocity. The magnitude of reduction/increase is a function of the rheological properties of the fluids and properties of particles. Confining walls are observed to cause a retardation effect on settling and the retardation is measured in terms of wall factors.

This paper demonstrates the experimental procedure to measure terminal settling velocities of spherical particles in surfactant-based shear thinning viscoelastic fluids. Fluids over a wide range of rheological properties are prepared and settling velocities are measured for a range of particle sizes in unbounded fluids and fluids between parallel walls.

מדידה ניסיונית של מהירות יישוב של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים לא מכופתרים ומרותקים על בסיס חומרים פעילי שטח

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic ...

Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The protocol details the procedures to construct a versatile, reusable, multiple layer, laminated dielectrophoresis chamber. Specifically, six layers of 50 &#181;m x&#160;0.7 cm x&#160;2 cm graphene paper and five layers of double sided tape were alternately stacked together, then clamped to a glass slide. Then a 700 &#956;m diameter micro-well was drilled through the laminated structure using a computer-controlled micro drilling machine. Insulating properties of the tape layer between adjacent graphene layers were assured by resistance tests. Silver conductive epoxy connected alternate layers of graphene paper and formed stable connections between the graphene paper and external copper wire electrodes. The finished device was then clamped and sealed to a glass slide. The electric field gradient was modeled within the multi-layer device. Dielectrophoretic behaviors of 6 &#956;m polystyrene beads were demonstrated in the 1 mm deep micro-well, with medium conductivities ranging from 0.0001 S/m to 1.3 S/m, and applied signal frequencies from 100 Hz to 10 MHz. Negative dielectrophoretic responses were observed in three dimensions over most of the conductivity-frequency space and cross-over frequency values are consistent with previously reported literature values. The device did not prevent AC electroosmosis and electrothermal flows, which occurred in the low and high frequency regions, respectively. The graphene paper utilized in this device is versatile and could subsequently function as a biosensor after dielectrophoretic characterizations are complete.

A microdevice with high throughput potential is used to demonstrate three-dimensional (3D) dielectrophoresis (DEP) with novel materials. Graphene nanoplatelet paper and double sided tape were alternately stacked; a 700 &#956;m micro-well was drilled transverse to the layers. DEP behavior of polystyrene beads was demonstrated in the micro-well.

פיתוח של התקנים 3D גראפן אלקטרודה dielectrophoretic

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

עיבוד בלתי מימי אלקטרודה ובנייה של תאי ליתיום-יון מטבע

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

Preparation of Liquid-exfoliated Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets with Controlled Size and Thickness: A State of the Art Protocol

We summarize recent advances in the production of liquid-exfoliated transition metal dichalcogenide (TMD) nanosheets with controlled size and thickness. Layered crystals of molybdenum disulphide (MoS2) and tungsten disulphide (WS2) are exfoliated in aqueous surfactant solution by sonication. This yields highly polydisperse mixtures containing nanosheets with broad size and thickness distributions. However, for most purposes, specific sizes (in terms of both lateral dimension and thickness) are required. For example, large and thin nanosheets are desired for (opto) electronic applications, while laterally small nanosheets are interesting for catalytic applications. Therefore, post-exfoliation size selection is an important step that we address here. We provide a detailed protocol on the efficient size selection in large quantities by liquid cascade centrifugation and the size and thickness quantification by statistical microscopic analysis (atomic force microscopy and transmission electron microscopy). The comparison of MoS2 and WS2 shows that both materials are size-selected in a similar way by the same procedure. Importantly, the dispersions of size-selected nanosheets show systematic changes in their optical extinction spectra with size due to edge and confinement effects. We show how these optical changes are related quantitatively to the nanosheets dimensions and describe how mean nanosheets length and layer number can be extracted reliably from the extinction spectra. The exfoliation and size selection protocol can be applied to a broad range of layered crystals as we have previously demonstrated for graphene, gallium sulphide (GaS) and black phosphorus.

A protocol for the liquid exfoliation of layered materials to nanosheets, their size selection and size measurement by microscopic and spectroscopic techniques is presented.

הכנת Nanosheets Dichalcogenide מתכות מעבר נוזלי-מודבק עם גודל מבוקרת עובי: מדינה לפרוטוקול אמנות

We summarize recent advances in the production of liquid-exfoliated transition metal dichalcogenide (TMD) nanosheets with controlled size and thickness. ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

טוען מלכודת אופטית של דיאלקטרי microparticles באוויר

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit manipulation, and integrated single-photon detectors. Here, we present the key aspects of preparing and testing a silicon photonic quantum chip with an integrated photon source and two-photon interferometer. The most important aspect of an integrated quantum circuit is minimizing loss so that all of the generated photons are detected with the highest possible fidelity. Here, we describe how to perform low-loss edge coupling by using an ultra-high numerical aperture fiber to closely match the mode of the silicon waveguides. By using an optimized fusion splicing recipe, the UHNA fiber is seamlessly interfaced with a standard single-mode fiber. This low-loss coupling allows the measurement of high-fidelity photon production in an integrated silicon ring resonator and the subsequent two-photon interference of the produced photons in a closely integrated Mach-Zehnder interferometer. This paper describes the essential procedures for the preparation and characterization of high-performance and scalable silicon quantum photonic circuits.

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum systems. Presented here is a method for preparing and testing a silicon photonic chip for quantum measurements.

מדידה של Quantum הפרעות מקור פוטון מהוד טבעת הסיליקון

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Standardized Method for Measuring Collection Efficiency from Wipe-sampling of Trace Explosives

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common procedure for collecting traces of explosives, and standardized measurements of collection efficiency are needed to evaluate and optimize sampling protocols. The approach described here is designed to provide this measurement infrastructure, and controls most of the factors known to be relevant to wipe-sampling. Three critical factors (the applied force, travel distance, and travel speed) are controlled using an automated device. Test surfaces are chosen based on similarity to the screening environment, and the wipes can be made from any material considered for use in wipe-sampling. Particle samples of the explosive 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX) are applied in a fixed location on the surface using a dry-transfer technique. The particle samples, recently developed to simulate residues made after handling explosives, are produced by inkjet printing of RDX solutions onto polytetrafluoroethylene (PTFE) substrates. Collection efficiency is measured by extracting collected explosive from the wipe, and then related to critical sampling factors and the selection of wipe material and test surface. These measurements are meant to guide the development of sampling protocols at screening venues, where speed and throughput are primary considerations.

Optimized sampling protocols and the development of new wipe materials can be facilitated by standardized measurements of collection efficiency from wipe-sampling. Our approach for sampling trace explosives uses an automated device to control speed, force, and distance during wipe-sampling followed by extraction of collected explosives.

שיטה סטנדרטית למדידת יעילות גבייה נגב-דגימה של חומרי נפץ Trace

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and subsequent safety issues becomes increasingly important. In a Li-ion cell setup, the voltage measurement across the positive and negative terminals inherently includes the effect of the cathode and anode which are coupled and sum to the total cell performance. Accordingly, the ability to monitor the degradation aspects associated with a specific electrode is extremely difficult because the electrodes are fundamentally coupled. A three-electrode setup can overcome this problem. By introducing a third (reference) electrode, the influence of each electrode can be decoupled, and the electrochemical properties can be measured independently. The reference electrode (RE) must have a stable potential that can then be calibrated against a known reference, for example, lithium metal. The three-electrode cell can be used to run electrochemical tests such as cycling, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three-electrode cell EIS measurements can elucidate the contribution of individual electrode impedance to the full cell. In addition, monitoring the anode potential allows the detection of electrodeposition due to lithium plating, which can cause safety concerns. This is especially important for the fast charging of Li-ion batteries in electric vehicles. In order to monitor and characterize the safety and degradation aspects of an electrochemical cell, a three-electrode setup can prove invaluable. This paper aims to provide a guide to constructing a three-electrode coin cell setup using the 2032-coin cell architecture, which is easy to produce, reliable, and cost-effective.

Three-electrode cells are useful in studying the electrochemistry of lithium-ion batteries. Such an electrochemical setup allows the phenomena associated with the cathode and anode to be decoupled and examined independently. Here, we present a guide for construction and use of a three-electrode coin cell with emphasis on lithium plating analytics.

3-אלקטרודה מטבע תא הכנה וניתוח Electrodeposition עבור סוללות ליתיום

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of data that can be obtained from an individual sample and renders it difficult to produce statistically relevant data for unique and rare materials. Resonant cavity dielectric spectroscopy is a non-destructive, contactless technique which can simultaneously interrogate both sides of a sheeted material and provide measurements which are suitable for statistical interpretations. This offers analysts the ability to quickly discriminate between sheeted materials based on composition and storage history. In this methodology article, we demonstrate how contactless resonant cavity dielectric spectroscopy may be used to differentiate between paper analytes of varying fiber species compositions, to determine the relative age of the paper, and to detect and quantify the amount of post-consumer waste (PCW) recycled fiber content in manufactured office paper.

A protocol for the non-destructive analysis of the fiber content and relative age of paper.

פיתוח שיטה עבור מדעי החלל ללא מגע מכשירים ספקטרוסקופיים הדיאלקטרי של הנייר תאית

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...