Estendendo a vida útil das baterias de fluxo chumbo solúvel com um aditivo de acetato de sódio

Resumo

Um protocolo para a construção de uma bateria de fluxo de chumbo solúvel com uma vida útil prolongada, no qual sódio acetato é fornecido no eletrólito metanossulfônico como aditivo, é apresentado.

Resumo

Neste relatório, nós apresentamos um método para a construção de uma bateria de fluxo de chumbo solúvel (SLFB) com uma ciclo prolongado de vida. Fornecendo uma quantidade adequada de acetato de sódio (NaOAc) para o eletrólito, uma extensão de ciclo de vida de mais de 50% é demonstrada por SLFBs através de galvanostatic a longo prazo, carga/descarga e experimentos. Uma maior qualidade da eletrodeposição de₂ PbO para o eletrodo positivo é validada quantitativamente para eletrólito NaOAc-adicionado lançando medições de índice (TI). Imagens adquiridas por microscopia eletrônica (SEM) também apresentam mais integrada PbO₂ morfologia superficial quando o SLFB é operado com o eletrólito de NaOAc-adicionado. Este trabalho indica que a modificação do eletrólito pode ser um caminho plausível para habilitar economicamente SLFBs para armazenamento de energia em grande escala.

Introdução

Vento e fontes de energia renováveis, incluindo solar foram desenvolvidos há décadas, mas sua natureza intermitente coloca grandes desafios. Para uma rede de energia futura com fontes de energia renováveis incorporada, estabilização de grade e redistribuição de carga são críticas e podem ser alcançados através da integração de armazenamento de energia. Baterias de fluxo redox (RFBs) são uma das opções promissoras para o armazenamento de energia de grade escala. RFBs tradicionais contêm íon-seletivo membranas separando anolito e catholyte; por exemplo, a RFB tudo-vanádio tem mostrado para operar com alta eficiência e um longo ciclo de vida^1,2. No entanto, a sua quota de mercado, como o armazenamento de energia é muito limitada em parte devido à composta de materiais caros e ineficazes membranas íon-seletivo. Por outro lado, uma bateria de fluxo único fluxo chumbo solúvel (SLFB) é apresentada por Plectcher et al . ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5}. the SLFB é membrana menos porque tem apenas uma espécie de ativa, íons Pb(II). PB(II) íons são galvanizadas para o eletrodo positivo como PbO₂ e o elétrodo negativo como Pb simultaneamente durante o carregamento e converter de volta para Pb(II) durante o descarregamento. Um SLFB, portanto, precisa de um circulador e um eletrólito tanque de armazenamento, que por sua vez pode potencialmente levar a redução de capital e custos operacionais em relação ao convencionais RFBs. A vida de ciclo publicado de SLFBs, no entanto, até agora é limitada a menos de 200 ciclos sob fluxo normal condições^6,7,8,9,10.

Fatores que conduzem a uma vida de ciclo curta SLFB são preliminarmente associadas com deposição/dissolução de PbO₂ para o eletrodo positivo. Durante os processos de carga/descarga, encontra-se a acidez do eletrólito aumento profundo ou repetidos ciclos¹¹e prótons são sugeridos para induzir a geração de uma camada de passivação de não-estequiométricos PbO_x^{12, 13}. o derramamento de PbO₂ é um outro fenômeno relacionado à degradação SLFB. Galpão de PbO₂ partículas são irreversíveis e já não podem ser utilizadas. A eficiência de coulombic (CE) do SLFBs consequentemente declina por causa de reações eletroquímicas desequilibradas, bem como electrodeposits acumuladas em ambos os eletrodos. Para estender o ciclo de vida de SLFBs, estabilizando o pH flutuação e estrutura de eletrodeposição são críticos. Um estudo recente demonstra um desempenho aprimorado e prolongado ciclo de vida de SLFBs com adição de acetato de sódio (NaOAc) em metanossulfônico eletrólito¹¹.

Aqui, um protocolo detalhado para empregar NaOAc como um aditivo para o eletrólito metanossulfônico em SLFBs é descrito. O desempenho de SLFB é mostrado para ser aprimorado e a expectativa de vida pode ser estendida por mais de 50% em comparação com SLFBs sem aditivos de NaOAc. Além disso, os procedimentos para atirar a medição do índice (TI) são ilustrados para efeitos de comparação quantitativa dos efeitos aditivos na eletrodeposição. Finalmente, é descrito um varredura microscopia eletrônica de varredura (MEV) método de preparação de amostra para eletrodeposição em eletrodos SLFB e o aditivo impacto sobre eletrodeposição manifesta-se em imagens adquiridas.

Protocolo

1. construção de uma célula de copo SLFB com um aditivo de acetato de sódio

Nota: Esta seção descreve o procedimento para construir uma célula de copo SLFB com um aditivo para o experimento de ciclismo a longo prazo. O protocolo inclui a preparação do eletrólito com e sem aditivo, pré-tratamento do eletrodo, montagem de célula e cálculos de eficiência.

1. Preparação de Metanossulfonato de chumbo (1 L, 1 M, por exemplo)
   1. Na coifa, adicione 274,6 g de ácido metanossulfônico (MSA, 70%) para uma proveta, agitando com uma barra de agitação. Dissolva o MSA com 300 mL de água desionizada (DI).
   2. Prepare 223,2 g de óxido de chumbo (II) (98%) e adicionar em incrementos para o copo acima mencionado, até que o óxido de chumbo preparado é completamente dissolvido.
   3. Filtrar através do funil de Büchner com papel de filtro de celulose de 70 mm para separar qualquer óxido de chumbo não dissolvido.
   4. Repita este procedimento por 3 vezes. Adicione água DI para atingir 1 L de volume total.
2. Preparação do eletrólito sem aditivo (300ml)
   1. Adicione 20,595 g de MSA (70%) para um béquer. Adicione 150 mL de Metanossulfonato de chumbo de 1 M preparada para o mesmo copo.
   2. Adicione água para chegar a 300 mL de volume total e mexa o eletrólito até uniformemente misturado, que resulta em uma solução de 0,5 M Metanossulfonato de chumbo misturada com 0,5 M MSA.
3. Preparação do eletrólito com acetato de sódio (300 mL)
   1. Adicione 20,595 g de MSA (70%) para um béquer. Adicione 150 mL de Metanossulfonato de chumbo de 1 M preparada para o mesmo copo.
   2. Adicione 1,23 g de NaOAc (98%) para o copo como um agente aditivo.
   3. Adicione água para chegar a 300 mL de volume total e mexa o eletrólito até uniformemente misturado, que resulta em uma solução de acetato de sódio 50 mM, ácido metanossulfônico de 0,5 M e Metanossulfonato de chumbo de 0,5 M.
4. Pré-tratamento de eletrodos positivos e negativos
   1. Repetidamente, polir o positivo (composto de carbono comercial) e negativo (níquel) eletrodos com uma lixa (óxido de alumínio, P100) até sem impurezas visíveis estão à esquerda e em seguida enxaguar os eletrodos com água.
   2. Adicionar 20,83 g de cloreto de hidrogênio (35%) em DI de 200 mL de água e agitar a solução até que todo o cloreto de hidrogênio é dissolvido.
   3. Mergulhe o eletrodo positivo inteiro na 1 M cloreto de hidrogênio solução preparada durante a noite para remover as impurezas da superfície do eletrodo.
   4. Enxaguar o eletrodo positivo cuidadosamente com água e secar o eletrodo com limpadores de tarefa delicada. Fita de um lado de cada eletrodo usando fita de politetrafluoretileno (PTFE) ao expor o outro lado dos eletrodos.
   5. Preparar outra solução com 3,03 g de nitrato de potássio (99%) e água de 300 mL DI, o que resulta em uma solução de nitrato de potássio 0,1 M.
   6. Mergulhe os eléctrodos positivos e negativos em nitrato de potássio 0,1 M com a superfície exposta, enfrentando cada eletrodo.
   7. Aplica um potencial de 1.80 V vs Ag/AgCl o elétrodo positivo por 5 min. Posteriormente, aplicar um potencial de -1,0 V vs Ag/AgCl para o eletrodo positivo por 2 min.
5. Montar o Célula de copo SLFB
   1. Anexe os eletrodos positivos e negativos pré-tratados para um Conselho de posicionamento caseiras eletrodo para uma distância fixa do eletrodo. Coloque a placa posicionamento juntamente com eletrodos numa proveta conforme ilustrado esquematicamente na Figura 1 e adicione eletrólito para o copo até o nível designado de imersão.
   2. Coloque um agitador magnético para o copo, coloque o copo sobre um prato quente e controlar a taxa de rotação do agitador. Conectar o testador de bateria aos eletrodos e cobrir a célula béquer com filme plástico para evitar a evaporação.
6. Calcular a eficiência da bateria
   1. Depois de galvanostatic de carga e descarga, calcule a eficiência da bateria como a seguir:
      Coulombic eficiência:
      Eficiência de tensão:
      Eficiência energética:
      Aqui, Q denota coulombs de elétrons equivalentes carregado/descarregado, V a tensão de saída/aplicar e E a energia total consumida/armazenados.

2. jogando a medição do índice

Nota: Esta seção descreve o procedimento para medir o índice de arremesso (TI) da eletrodeposição em eletrodos positivos nas células SLFB. Inverter o papel de eletrodos positivos e negativos entrega o outro conjunto de resultados de TI. Aqui, a TI é investigado por meio de uma célula de Haring-Blum caseiras como esquematicamente representada na Figura 2.

1. Medição
   1. Pesar e gravar dois eletrodos positivos respectivamente antes dos experimentos.
   2. Coloque o elétrodo negativo no centro de uma célula de Haring-Blum e um eletrodo positivo em uma relação de distância de 1 do elétrodo negativo. Coloque o eletrodo positivo segundo a outra relação de distância do elétrodo negativo (take 6 como um exemplo na Figura 2).
   3. Mergulhe os dois eléctrodos positivos e um elétrodo negativo com o mesmo imerso superfície (2cm² aqui) na célula Haring-Blum com o eletrólito de interesse.
   4. Aplica uma densidade de corrente controlada (20 mA·cm^-2 aqui) para os eletrodos, usando um testador de bateria. Realize a carga de galvanostatic para uma determinada duração (30 min aqui).
   5. Depois de chapeamento, enxágue os dois eléctrodos positivos com água e secá-las à temperatura ambiente durante a noite.
   6. Pesar e gravar dois eletrodos positivos novamente respectivamente e calcular a taxa de distribuição de metal (MDR) de acordo com a equação abaixo.
   7. Repeti os experimentos acima mencionados, colocando o segundo elétrodo positivo em várias relações de distância linear (LR) para adquirir o diagrama de TI (variado de 6 a 1 aqui).
2. Cálculo
   1. Como exemplo, considere o ânodo como o eletrodo de interesse e determinar cada dados no diagrama de TI pela medida MDR contra LR, que são calculados como o seguinte:
      
      

3. preparação da amostra SEM

1. Enxaguar o eletrodo de grafite com água e secar em temperatura ambiente após a galvanização.
2. Eletrodos de grafite de fatia para o tamanho da amostra desejada pelo diamante viram com cuidado. Frio montar a amostra de eletrodo e depois mecanicamente lustrá-la com 14, 8 e 3 papéis de carboneto de silício areia μm, posteriormente.
3. Mais polonês as amostras com suspensão de diamante 1 μm e 0,05 μm Al₂O₃. Deposite a amostra fria-montado com platina e anexá-lo com fitas de cobre para garantir a condutividade para observação SEM.

Resultados

Para estender o ciclo de vida de SLFBs, NaOAc é fornecido como um aditivo de eletrólito. Desempenho de SLFBs com e sem aditivo de NaOAc de ciclismo são examinados em paralelo, e os resultados são mostrados na Figura 3. Para mais fácil quantitativa comparação do ciclo de vida, nós definimos a "morte" de um SLFB como quando seu CE for inferior a 80% sob galvanostatic contínua de carga/descarga. Figura 3a e 3b

Discussão

Este artigo descreve um método econômico para estender a ciclo de vida de SLFBs: empregando NaOAc agente como um aditivo de eletrólito. Um lote de eletrodos de grafite fresco e placas de níquel são pré-processados como acima mencionado na etapa 1 antes experimentos de ciclismo a longo prazo. Porque inconsistência entre os elétrodos do carbono comercial pode causar desvio de desempenho dos SLFBs, o pré-tratamento físico-químicas na etapa 1.4 é fundamental para remover os resíduos de superfície. A segunda par...

Materiais

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