Sodyum asetat katkı ile çözünür kurşun akışı süt ömrünü uzatma

Özet

Hangi sodyum asetat methanesulfonic elektrolit bir katkı olarak içinde sağlanan genişletilmiş bir ömrü çözünür kurşun akışı pille inşası için bir protokol sunulmuştur.

Özet

Bu raporda, bir genişletilmiş döngüsü hayatıyla bir çözünür kurşun akışı pil (SLFB) inşası için bir yöntem mevcut. Sodyum asetat (NaOAc) elektrolit için yeterli miktarda sağlayarak, bitmeyen hayat döngüsü % 50'den fazla SLFBs yolu ile uzun vadeli galvanostatic şarj/deşarj deneyler için gösterilmiştir. PbO₂ electrodeposit pozitif elektrot, daha yüksek bir kalite kantitatif dizin (TI) ölçümleri atarak NaOAc eklenen elektrolit için doğrulanır. Ne zaman SLFB NaOAc eklenen elektrolit ile işletilen elektron mikroskobu (SEM) tarama tarafından alınan görüntüleri daha entegre PbO₂ yüzey morfolojisi de sergi. Bu eser elektrolit değişiklik ekonomik olarak büyük ölçekli enerji depolama için SLFBs etkinleştirmek için makul bir yol olabilir gösterir.

Giriş

Rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına yıllardır geliştirilmiştir, ancak onların sürekli olmayan yapısı büyük sorunlar teşkil etmektedir. Gelecekteki elektrik şebekesi ile dahil yenilenebilir enerji kaynakları için kılavuz istikrar ve yük tesviye kritik olan ve enerji depolama entegre ederek elde edilebilir. Redoks akışı pil (RFBs) bir kılavuz ölçekli enerji depolama için umut verici seçenekler vardır. Geleneksel RFBs anolyte ve catholyte ayıran iyon-seçici membranlar içerir; Örneğin, all-vanadiyum RFB yüksek verimlilikle faaliyet göstermiştir ve uzun bir döngüsü life^1,2. Ancak, pazar paylarını enerji deposu olarak kısmen pahalı oluşan malzeme ve etkisiz iyon-seçici membranlar nedeniyle çok sınırlıdır. Öte yandan, bir tek akış çözünür kurşun akışı pil (SLFB) Plectcher ve ark. tarafından sunulan ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5}. SLFB membran-az tek bir etkin türler, Pb(II) iyonları olduğundan. PB(II) iyonları pozitif elektrot PbO₂ ve negatif elektrot Türkçe aynı anda şarj sırasında alaşımlı ve boşaltma sırasında Pb(II) geri dönüştürün. Bir SLFB bu nedenle bir sirkülasyon pompası ve hangi sırayla potansiyel düşük sermaye ve işletme maliyeti için konvansiyonel RFBs göre açabilir bir elektrolit depolama tankı sadece, gerekir. SLFBs, yayımlanmış döngüsü ömrünü ancak, defa normal akışını koşulları^6,7,8,9,10altında 200 döngüleri sınırlıdır.

Kısa bir SLFB döngüsü yaşam önde gelen faktörler birime ifade/PbO₂ pozitif elektrot, dağılması ile ilişkilidir. Şarj/deşarj süreçler sırasında elektrolit asit derin veya yinelenen döngüleri¹¹üzerinde artırmak için bulunur ve proton stokiometrik sigara PbO_x^12, pasivasyon tabakası nesil ikna etmek için önerilmektedir ¹³. PbO₂ / dökülme SLFB düşmesine ile ilgili başka bir olgudur. ₂ parçacıklar geri dönüşü olmayan ve artık kullanılabilir PbO döken. SLFBs coulombic verimliliği (CE) dolayısıyla yanı sıra her iki elektrot, birikmiş electrodeposits dengesiz elektrokimyasal tepkiler nedeniyle azalır. SLFBs, pH sabitleme döngüsü ömrünü uzatmak için dalgalanma ve electrodeposit yapısı önemlidir. Son bir kağıt bir geliştirilmiş performans ve SLFBs genişletilmiş döngüsü hayatı sodyum asetat (NaOAc) methanesulfonic elektrolit¹¹ilavesi ile gösteriyor.

Burada, NaOAc SLFBs methanesulfonic elektrolit bir katkı olarak istihdam için detaylı bir protokol açıklanmıştır. SLFB performans olmak arttırmak için gösterilen ve ömrü % 50 oranında SLFBs göre NaOAc katkı olmadan Genişletilebilir. Ayrıca, dizin (TI) ölçüm atma için yordamlar electrodeposition katkı efektleri nicel karşılaştırma amacıyla gösterilmiştir. Son olarak, bir tarama elektron mikroskobu (SEM) örnek hazırlama yöntemi electrodeposit SLFB elektrotlar tarih için anlatılan ve electrodeposit katkı etkisi alınan Albümdeki kendini gösteriyor.

Protokol

1. İnşaat sodyum asetat katkı bir SLFB kabı hücrenin

Not: Bu bölüm SLFB kabı hücresiyle uzun vadeli Bisiklete binme deneme için bir katkı oluşturmak için ilgili yordamı açıklamaktadır. Protokol elektrolit hazırlık ve katkı, elektrot Önarıtma, hücre montaj ve verimlilik hesaplamaları olmadan içerir.

1. Kurşun methanesulfonate (1 L, 1 M örnek olarak) hazırlanması
   1. Duman başlık, bir heyecan bar ile karıştırarak bir ölçek 274.6 g methanesulfonic asit (MSA, %70) ekleyin. MSA 300 mL deiyonize (DI) su ile geçiyoruz.
   2. Kurşun (II) oksit (% 98) 223.2 g hazırlamak ve hazırlanan kurşun oksit tamamen eriyene kadar artışlarla için yukarıda belirtilen ölçek kabı ekleyin.
   3. Herhangi bir undissolved kurşun oksit ayırmak için 70 mm selüloz filtre kağıdı ile Büchner huni filtre.
   4. Bu yordam için 3 kez tekrarlayın. Toplam Hacim 1 L ulaşmak için DI su ekleyin.
2. Elektrolit katkı (300 mL) olmadan hazırlanması
   1. MSA (% 70) 20.595 g bir ölçek için ekleyin. Hazırlanan 1 M kurşun methanesulfonate 150 mL aynı kabı ekleyin.
   2. Toplam hacim 300 mL ulaşmak ve bir çözümde sonuçlarını 0,5 M kurşun methanesulfonate 0,5 M MSA ile karışık kadar düzgün karışık, elektrolit karıştırın DI su ekleyin.
3. Hazırlık elektrolit sodyum asetat (300 mL) ile
   1. MSA (% 70) 20.595 g bir ölçek için ekleyin. Hazırlanan 1 M kurşun methanesulfonate 150 mL aynı kabı ekleyin.
   2. NaOAc (% 98) 1.23 g kabı için katkı bir ajan olarak ekleyin.
   3. Toplam hacim 300 mL ulaşmak ve karıştırın kadar düzgün karışık, bir çözüm hangi sonuçlar 0,5 M kurşun methanesulfonate, 0, 5 M methanesulfonic asit ve 50 mM sodyum asetat elektrolit DI su ekleyin.
4. Pozitif ve negatif elektrot Önarıtma
   1. Tekrar tekrar pozitif (ticari karbon kompozit) Lehçe ve (nikel) negatif elektrotlar ile bir zımpara kağıdı (Alüminyum oksit, P100) kadar hiçbir görünür kirleri ve kalan elektrotlar DI su ile durulayın.
   2. 20.83 g hidroklorik asit (% 35) 200 mL DI suya ekleyin ve çözüm tüm hidrojen klorür eriyene kadar karıştırın.
   3. Tüm pozitif elektrot elektrot yüzeyinde kirleri çıkarmak için hazırlanmış 1 M hidroklorik asit çözüm gecede bırakın.
   4. Pozitif elektrot DI su ile iyice durulayın ve elektrot ile hassas görev silecekler kuru. Teyp elektroda elektrotlar diğer tarafında açığa politetrafloroetilin (PTFE) bant kullanarak bir tarafı.
   5. 3.03 g potasyum nitrat (% 99) ile başka bir çözüm hazırlamak ve 0.1 M potasyum nitrat çözümünde sonuç 300 mL DI su.
   6. 0.1 M potasyum nitrat pozitif ve negatif elektrotlar elektroda karşı karşıya maruz yüzeyle bırakın.
   7. 1.80 V vs Ag/AgCl bir potansiyel pozitif elektrot 5 min için geçerlidir. Daha sonra bir potansiyel-1,0 V uygulamak vs Ag/AgCl 2 min için pozitif elektrot için.
5. Bir araya SLFB kabı hücre
   1. Ön işleme pozitif ve negatif elektrot elektrot ev yapımı konumlandırma kurulu bir sabit elektrot mesafe için iliştirin. Bir ölçek olarak Şekil 1 ' deki şematik resimli elektrotlar ile birlikte konumlandırma kartını yerleştirin ve elektrolit kabı için daldırma belirlenen düzeyde kadar ekleyin.
   2. Manyetik karıştırıcı kabı yerleştirin, kabı sıcak plaka üzerinde konumlandırın ve karıştırıcı dönen hızını denetlemek. Akü test cihazı için elektrotlar bağlanmak ve beher hücre buharlaşma önlemek için plastik wrap ile kapağı.
6. Pil verimli hesaplamak
   1. Galvanostatic şarj ve deşarj sonra aşağıdaki pil verimliliğini Hesapla:
      Coulombic verimliliği:
      Gerilim verimliliği:
      Enerji verimliliği:
      Burada, Q Coulomb eşdeğer elektron ücret/taburcu, V Uygula/çıkış voltajı ve E depolanan/tüketilen toplam enerji gösterir.

2. dizin ölçümü atma

Not: Bu bölüm atma dizin (TI) electrodeposit SLFB hücrelerdeki pozitif elektrotlar, ölçmek için ilgili yordamı açıklamaktadır. Pozitif ve negatif elektrotlar rolü tersine TI sonuç kümesini sunar. Burada, TI şematik olarak Şekil 2' de tasvir bir ev yapımı Haring-Blum hücre kullanarak araştırıldı.

1. Ölçüm
   1. Tartmak ve sırasıyla önce deneyler iki pozitif elektrotlar kayıt.
   2. Negatif elektrot Haring-Blum hücre ve 1 negatif elektrot ile mesafe oranında, bir pozitif elektrot ortasına yerleştirin. İkinci pozitif elektrot negatif elektrot (Versiyon 6 bir örnek olarak Şekil 2) dan başka bir mesafe oranı yerleştirin.
   3. İki pozitif elektrot ve bir negatif elektrot ile aynı dalmış yüzey alanı (2 cm² burada) faiz elektrolit ile Haring-Blum hücreye bırakın.
   4. Elektrotlar, kontrollü bir akım yoğunluğu (20 mA·cm^-2 burada) akü test cihazı kullanarak uygulayın. Belirli bir süre (30 dk burada) için galvanostatic ücret yerine getirir.
   5. Kaplama sonra iki pozitif elektrot DI su ile durulayın ve kuru onları oda sıcaklığında bir gecede.
   6. Tartmak ve yine sırasıyla iki pozitif elektrotlar kayıt ve aşağıda listelenen denklem göre metal dağıtım oranı (MDR) hesaplamak.
   7. Söz konusu deneyler çeşitli doğrusal mesafe oranları (LR) (6'dan 1'e çeşitli) TI diyagramı elde etmek için ikinci pozitif elektrot koyarak yineleyin.
2. Hesaplama
   1. Örnek olarak, anot faiz elektrot düşünün ve her veri tarafından ölçülen MDR karşı LR, TI diyagramda aşağıdaki işlemlerden hesaplanan belirlemek:
      
      

3. SEM numune hazırlama

1. Grafit elektrot DI su ile durulayın ve oda sıcaklığında galvanik sonra kurumasını bekleyin.
2. Dilim Grafit elektrotlar elmas tarafından istenen örnek boyutu içine özenle gördüm. Soğuk elektrot örnek bağlayabilir ve sonra mekanik olarak 14, 8 ve 3 mikron silikon karbid kum kağıtları, daha sonra Lehçe.
3. Daha fazla 1 mikron elmas süspansiyon ve 0,05 mikron Al₂O₃örnekleriyle Lehçe. Platin ile soğuk monte örnek mevduat ve iletkenlik SEM gözlem için emin olmak için Bakır şeritler ile bağlamak.

Sonuçlar

SLFBs döngüsü ömrünü uzatmak için NaOAc bir elektrolit olarak katkı sağlanır. Performans SLFBs ve NaOAc katkı olmadan Bisiklete binme paralel olarak muayene ve sonuçları Şekil 3' te gösterilmektedir. Onun CE sürekli galvanostatic şarj/deşarj altında %80 daha düşük olduğunda döngüsü hayat nicel karşılaştırma için daha kolay, biz bir SLFB "ölüm" tanımlar. Şekil 3a ve 3b göster SL...

Tartışmalar

Bu kağıt SLFBs döngüsü ömrünü uzatmak için ekonomik bir yöntemini açıklar: bir elektrolit olarak katkı NaOAc Ajan istihdam tarafından. Taze Grafit elektrotlar ve nikel plakaları toplu olarak yukarıda belirtilen adım 1 önce uzun vadeli Bisiklete binme deneyler Önişlenmiş. Ticari karbon elektrotlar arasında tutarsızlık SLFBs sapması performans neden olabilir çünkü adım 1.4 fiziksel/kimyasal ön yüzey artıkları kaldırmak için önemlidir. Adım 1.4 ikinci bölümü 0-1.8 V vs Ag/AgC...

Malzemeler

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