Расширение срок службы батарей растворимых поток свинца с добавкой ацетат натрия

Резюме

Протокол для строительства растворимых свинцовый аккумулятор потока с увеличенный срок службы, в котором натрия ацетата поставляется в methanesulfonic электролите как добавка, представлен.

Аннотация

В настоящем докладе мы представляем метод для строительства растворимых свинцовый аккумулятор потока (SLFB) с расширенной цикла жизни. Предоставляя достаточное количество натрия ацетата (NaOAc) в электролит, расширением цикла жизни свыше 50% показана для SLFBs через долгосрочные гальваностатического заряда/разряда экспериментов. Более высокое качество гальванопокрытия₂ ОПО на положительный электрод количественно проверяется для NaOAc добавлена электролита, бросая измерения индекса (TI). Изображения, полученные путем растровая электронная микроскопия (SEM) демонстрируют более комплексной PbO₂ поверхности морфологии работано SLFB с NaOAc добавлена электролита. Эта работа показывает, что модификация электролита может быть правдоподобным маршрут экономически включить SLFBs для хранения крупномасштабных энергии.

Введение

На протяжении десятилетий были разработаны источники возобновляемых источников энергии, включая солнечную и ветер, но их прерывистый характер создает большие проблемы. Для будущего энергосистемы с возобновляемыми источниками энергии включены стабилизации сетки и выравнивания нагрузки имеют решающее значение и может быть достигнуто путем включения хранения энергии. Редокс потока батареи (РРЛО) являются одним из перспективных вариантов для хранения энергии сетке масштаба. Традиционные РРЛО содержат ионоселективного мембраны, отделяя анолита и католита; Например все ванадиевой RFB показал работать с высокой эффективностью и длительного цикла жизни^1,2. Однако их доля рынка как хранения энергии является весьма ограниченным, отчасти благодаря состоит из дорогих материалов и неэффективной ионоселективного мембраны. С другой стороны однопоточный растворимых свинцовый аккумулятор потока (SLFB) представлена Plectcher и др. ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5}. SLFB мембраны менее, потому что он имеет только один из активных видов, ю.а.Овчинникова ионов. Ю.а.Овчинникова ионы являются гальваническим на положительный электрод PbO₂ и отрицательный электрод как Pb одновременно во время зарядки и преобразовать обратно в ю.а.Овчинникова во время выполнения. SLFB таким образом нуждается один циркуляционный насос и один электролит бак для хранения только, который в свою очередь, может привести к сокращению столица и эксплуатационные расходы по сравнению с обычными Рор. Опубликованные цикла жизни SLFBs, однако, ограничивается пока менее 200 циклов под нормального потока условия^6,,78,9,10.

Факторы, ведущие к короткой жизни цикла SLFB предварительно ассоциируется с осаждения/растворение₂ ОПО на положительного электрода. Во время процесса заряда/разряда электролит кислотность найден увеличить над глубокой или повторяющиеся циклы¹¹, и протонов, предлагается стимулировать поколения пассивации слоя не стехиометрическим PbO_x^{12, 13}. пролития PbO₂ является еще одним явлением, относящиеся к деградации SLFB. Шед PbO₂ частицы являются необратимыми и больше не могут быть использованы. Кулоновских эффективности (CE) SLFBs последовательно снижается из-за несбалансированной электрохимических реакций, а также накопленный electrodeposits на обоих электродов. Чтобы продлить жизнь цикла SLFBs, стабилизации рН колебаний и гальванопокрытия структуры являются критическими. Недавний документ демонстрирует повышенную производительность и расширенные цикла жизни SLFBs с добавлением натрия ацетата (NaOAc) в methanesulfonic электролите¹¹.

Здесь описан подробный протокол для использования NaOAc в качестве добавки к methanesulfonic электролита в SLFBs. Производительность SLFB показано, необходимо усилить и срок может быть продлен более чем на 50% по сравнению с SLFBs без NaOAc добавок. Кроме того для целей количественного сравнения аддитивные эффекты на Электроосаждение проиллюстрированы процедуры для бросания измерения индекса (TI). Наконец описан сканирования метод подготовки образца электронная микроскопия (SEM) для гальванопокрытия на SLFB электродов и аддитивные влияние на гальванопокрытия проявляется в полученных изображений.

протокол

1. Строительство SLFB стакан ячейки с добавкой ацетат натрия

Примечание: В этом разделе описывается процедура построить ячейку SLFB стакан с добавкой для долгосрочного Велоспорт эксперимента. Протокол включает в себя подготовку электролита с и без добавок, электрод предварительной обработки, cell Ассамблеи и расчетов эффективности.

1. Подготовка Метансульфонат свинца (1 Л, 1 M в качестве примера)
   1. В Зонта Добавьте стакан перемешивания с баром перемешать 274.6 г methanesulfonic кислоты (MSA, 70%). Растворите сум с 300 мл деонизированной воды (DI).
   2. Подготовить 223.2 г окиси свинца (II) (98%) и добавьте к вышеупомянутым стакан до полного растворения оксида свинца подготовленный.
   3. Фильтрация через воронка Бюхнера с 70 мм целлюлозная фильтра отделить любой нерастворенных свинца оксид.
   4. Повторите эту процедуру 3 раза. Добавьте ди водой до 1 Л в общем объеме.
2. Подготовка электролита без добавки (300 мл)
   1. Добавьте стакан 20.595 g сум (70%). Добавьте 150 мл подготовленных Метансульфонат свинца 1 М же стакан.
   2. Добавьте воду ди достигают 300 мл в общем объеме и перемешать электролит до тех пор, пока равномерно смешанные, который неоднозначные результаты в решении Метансульфонат свинца 0.5 М с 0,5 М суточных участников миссии.
3. Подготовка электролита с ацетат натрия (300 мл)
   1. Добавьте стакан 20.595 g сум (70%). Добавьте 150 мл подготовленных Метансульфонат свинца 1 М же стакан.
   2. Добавьте 1.23 g NaOAc (98%) в стакан как вспомогательное средство.
   3. Добавьте воду ди достигают 300 мл в общем объеме и перемешать электролит до тех пор, пока равномерно смешанные, какие результаты в решении Метансульфонат свинца 0.5 М, 0,5 М methanesulfonic кислоты и ацетат натрия 50 мм.
4. Предварительная обработка положительных и отрицательных электродов
   1. Неоднократно польский положительные (коммерческие Углекомпозит) и отрицательные (никель) электродов с наждачной бумагой (оксид алюминия, P100) до без видимых примесей, остаются и затем ополосните электроды с ди водой.
   2. Добавьте 20,83 г хлористого водорода (35%) в 200 мл ди воды и перемешать раствор, пока все хлористого водорода не растворится.
   3. Погрузите весь положительный электрод в приготовленный 1 M хлористого водорода раствор на ночь для удаления загрязнений на поверхности электрода.
   4. Положительного электрода с ди водой тщательно сполосните и высушите электрод с деликатной задачей дворники. Лента с одной стороны каждый электрод с помощью лента из политетрафторэтилена (ПТФЭ) во время предоставления другой стороне электродов.
   5. Подготовить еще один раствор с 3.03 г нитрата калия (99%) и 300 мл ди воды, что приводит в растворе нитрата калия 0,1 М.
   6. Погружайте положительные и отрицательные электроды в нитрат калия 0,1 М с открытыми контактами каждый электрод.
   7. Применить потенциал 1,80 V против Ag/AgCl положительного электрода на 5 мин. Впоследствии, применить потенциал -1,0 V против Ag/AgCl положительный электрод на 2 мин.
5. Соберите SLFB стакан ячейки
   1. Прикрепите предварительно обработанные положительные и отрицательные электроды доску позиционирования домашний электрода для фиксированного электрода расстояние. Место позиционирования Совет вместе с электродами в стакан как схематически показано на рис. 1 и добавить электролита в стакан до указанного уровня погружения.
   2. Поместите магнитной мешалкой в стакан, поместите стакан на горячей плите и контролировать уровень Вращающиеся мешалки. Подключите батарейный тестер к электродам и охватывают стакан ячейки с полиэтиленовой пленкой для предотвращения испарения.
6. Расчет эффективности батареи
   1. После гальваностатического заряда и разряда Рассчитайте эффективность батареи следующим образом:
      Кулоновских эффективность:
      Эффективность напряжения:
      Энергетическая эффективность:
      Здесь Q обозначает Кулоны заряженного/разряженного эквивалент электронов, V применить/выходное напряжение и E всего хранится/потребляемой энергии.

2. бросать индекса измерения

Примечание: В этом разделе описана процедура измерения бросая индекс (TI) гальванопокрытия на положительные электроды в SLFB клетках. Вспять роль положительных и отрицательных электродов обеспечивает другой набор результатов TI. Здесь TI исследуется с помощью домашнего Haring-Блюм ячейки как схематически изображен на рисунке 2.

1. Измерение
   1. Весят и записывать два положительных электродов соответственно до экспериментов.
   2. Поместите отрицательный электрод в центре ячейки Haring-Блюм и один положительный электрод в соотношении расстояние 1 из отрицательном электроде. Разместите второй положительный электрод на другой коэффициент расстояния от отрицательных электродов (take 6 в качестве примера на рис. 2).
   3. Погружайте два положительных электродов и один отрицательный электрод с же погруженный площади поверхности (2 см-здесь² ) в ячейке Haring-Blum с электролитом интерес.
   4. Примените контролируемых плотность тока (20 mA·cm^-2 здесь) на электродах, используя тестер аккумулятора. Осуществляют гальваностатического заряда на определенный срок (30 мин здесь).
   5. После обшивки, промыть два положительных электродов с ди водой и высушите их при комнатной температуре на ночь.
   6. Весят и записывать два положительных электродов снова соответственно и рассчитать коэффициент распределения металла (МЛУ) по уравнению, перечисленных ниже.
   7. Повторите вышеупомянутые эксперименты, поместив второй положительный электрод в различных соотношениях линейное расстояние (LR) приобрести диаграмме TI (колебалась от 6 до 1 здесь).
2. Расчет
   1. В качестве примера, рассмотреть анода как электрод интерес и определить каждый данных на схеме TI, измеренной МЛУ по сравнению с LR, которые рассчитываются следующим образом:
      
      

3. SEM пробоподготовки

1. Ополосните Электроды графитовые ди водой и высушите при комнатной температуре после гальваники.
2. Срез графитированных электродов в размер требуемой выборки Даймонд пила с осторожностью. Холодная подключить электрод образец и затем механически отполировать с 14, 8 и 3 мкм кремния карбид песка документы, впоследствии.
3. Далее, польский образцы с 1 мкм алмазные подвески и 0,05 мкм Al₂O₃. Депозит холодной установленный образец с платиновым и прикрепить его с медной ленты для обеспечения проводимости для SEM наблюдения.

Результаты

Чтобы продлить жизнь цикла SLFBs, NaOAc поставляется как электролит присадок. Велоспорт производительность SLFBs с и без NaOAc добавка рассматриваются параллельно, и результаты показаны на рисунке 3. Легче количественные сравнения цикла жизни мы определяем «см?...

Обсуждение

Этот документ описывает экономичный способ продлить жизнь цикла SLFBs: используя NaOAc агента как электролит присадок. Партию свежих графитированных электродов и пластин никеля обрабатываемыми как выше в шаге 1 до долгосрочных Велоспорт экспериментов. Потому что несоответствие среди комм...

Материалы

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