Name: a protocol for electrochemical evaluations and state of charge diagnostics of a symmetric organic redox flow battery
Uploaded: 2017-02-13T12:30:00
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Este trabajo fue apoyado financieramente por el Centro Conjunto de Investigación de Almacenamiento de Energía (JCESR), un centro de innovación energética financiado por el Departamento de Energía, Oficina de Ciencia, Ciencias Básicas de Energía de Estados Unidos. Los autores también reconocen Journal of Materials Chemistry A (a Royal Society of Chemistry Journal) por publicar originalmente esta investigación ( <a href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b">http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b</a> ). PNNL es un laboratorio nacional multi-programa operado por Battelle para el Departamento de Energía bajo el contrato DE-AC05-76RL01830.

Nota: Todas las preparaciones en solución, la voltametría cíclica pruebas (CV), y el flujo del conjunto celular y las pruebas se llevaron a cabo en una caja de guantes de argón-lleno de agua y de O 2 niveles de menos de 1 ppm. 1. Las evaluaciones electroquímica de las células de flujo OITP <ol><li> Prueba de CV <ol><li> Pulir un electrodo de carbón vítreo con polvo de alúmina de 0,05 micras gamma, lavarlo con agua desionizada, lo puso en bajo...

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	<li>Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+Energy+Storage+for+the+Grid:+A+Battery+of+Choices.">Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices.</a> Science. 334 (6058), 928-935 (2011).</li><li>Yang, Z. G., 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=Electrochemical+Energy+Storage+for+Green+Grid.">Electrochemical Energy Storage for Green Grid.</a> Chem. Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).</li><li>Wang, W., Luo, Q., Li, B., Wei, X., Li, L., Yang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+Progress+in+Redox+Flow+Battery+Research+and+Development.">Recent Progress in Redox Flow Battery Research and Development.</a> Adv. Funct. 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A., 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=Metal+Acetylacetonate+Complexes+for+High+Energy+Density+Non-aqueous+Redox+Flow+Batteries.">Metal Acetylacetonate Complexes for High Energy Density Non-aqueous Redox Flow Batteries.</a> J. Mater. Chem. A. 3 (15), 7929-7938 (2015).</li><li>Brushett, F. R., Vaughey, J. T., Jansen, A. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+All-Organic+Non-aqueous+Lithium-Ion+Redox+Flow+Battery.">An All-Organic Non-aqueous Lithium-Ion Redox Flow Battery.</a> Adv. Energy Mater. 2 (11), 1390-1396 (2012).</li><li>Wei, X., 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=Radical+Compatibility+with+Nonaqueous+Electrolytes+and+Its+Impact+on+an+All-Organic+Redox+Flow+Battery.">Radical Compatibility with Nonaqueous Electrolytes and Its Impact on an All-Organic Redox Flow Battery.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 54 (30), 8684-8687 (2015).</li><li>Nagarjuna, G., 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=Impact+of+Redox-Active+Polymer+Molecular+Weight+on+the+Electrochemical+Properties+and+Transport+Across+Porous+Separators+in+Nonaqueous+Solvents.">Impact of Redox-Active Polymer Molecular Weight on the Electrochemical Properties and Transport Across Porous Separators in Nonaqueous Solvents.</a> J. Am. Chem. 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Power Sources. 218, 39-45 (2012).</li><li>Skyllas-Kazacos, M., Kazacos, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=State+of+Charge+Monitoring+Methods+for+Vanadium+Redox+Flow+Battery+Control.">State of Charge Monitoring Methods for Vanadium Redox Flow Battery Control.</a> J. Power Sources. 196 (20), 8822-8827 (2011).</li><li>Brooker, R. P., Bell, C. J., Bonville, L. J., Kunz, H. R., Fenton, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determining+Vanadium+Concentrations+Using+the+UV-Vis+Response+Method.">Determining Vanadium Concentrations Using the UV-Vis Response Method.</a> J. Electrochem. Soc. 162 (4), 608-613 (2015).</li><li>Petchsingh, C., 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=Spectroscopic+Measurement+of+State+of+Charge+in+Vanadium+Flow+Batteries+with+an+Analytical+Model+of+VIV-VV+Absorbance.">Spectroscopic Measurement of State of Charge in Vanadium Flow Batteries with an Analytical Model of VIV-VV Absorbance.</a> J. Electrochem. Soc. 163 (1), 5068-5083 (2016).</li><li>Duan, W., 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=A+Symmetric+Organic-Based+Nonaqueous+Redox+Flow+Battery+and+Its+State+of+Charge+Diagnostics+by+FTIR.">A Symmetric Organic-Based Nonaqueous Redox Flow Battery and Its State of Charge Diagnostics by FTIR.</a> J. Mater. Chem. A. 4 (15), 5448-5456 (2016).</li><li>Potash, R. A., McKone, J. R., Conte, S., Abru&#241;a, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+Benefits+of+a+Symmetric+Redox+Flow+Battery.">On the Benefits of a Symmetric Redox Flow Battery.</a> J. Electrochem. Soc. 163 (3), 338-344 (2016).</li><li>Kim, H. S., 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=A+Tetradentate+Ni(II)+Complex+Cation+as+a+Single+Redox+Couple+for+Non-aqueous+Flow+Batteries.">A Tetradentate Ni(II) Complex Cation as a Single Redox Couple for Non-aqueous Flow Batteries.</a> J. Power Sources. 283, 300-304 (2015).</li><li>Shinkle, A. A., Sleightholme, A. E. S., Griffith, L. D., Thompson, L. T., Monroe, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Degradation+Mechanisms+in+The+Non-aqueous+Vanadium+Acetylacetonate+Redox+Flow+Battery.">Degradation Mechanisms in The Non-aqueous Vanadium Acetylacetonate Redox Flow Battery.</a> J. Power Sources. 206, 490-496 (2012).</li><li>Li, Z., 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=Electrochemical+Properties+of+an+All-Organic+Redox+Flow+Battery+Using+2,2,6,6-Tetramethyl-1-Piperidinyloxy+and+N-Methylphthalimide.">Electrochemical Properties of an All-Organic Redox Flow Battery Using 2,2,6,6-Tetramethyl-1-Piperidinyloxy and N-Methylphthalimide.</a> Electrochem. Solid-State Lett. 14 (12), 171-173 (2011).</li><li>Schaltin, S., 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=Towards+an+All-Copper+Redox+Flow+Battery+Based+on+a+Copper-Containing+Ionic+Liquid.">Towards an All-Copper Redox Flow Battery Based on a Copper-Containing Ionic Liquid.</a> Chem. Commun. 52, 414-417 (2016).</li><li>Luo, Q., 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=Capacity+Decay+and+Remediation+of+Nafion-based+All-Vanadium+Redox+Flow+Batteries.">Capacity Decay and Remediation of Nafion-based All-Vanadium Redox Flow Batteries.</a> ChemSusChem. 6 (2), 268-274 (2013).</li></ol>

Como hemos demostrado antes, 25 FTIR es capaz de detectar de manera no invasiva el SOC de la batería de flujo PTIO. Como una herramienta de diagnóstico, FTIR es particularmente ventajosa debido a su fácil accesibilidad, respuesta rápida, de bajo coste, necesidad de espacio pequeña, las instalaciones para la incorporación en línea, no saturación del detector, y la capacidad de correlacionar la información estructural para investigar evoluciones moleculares durante el funcionamiento de la ...

Redox fluya baterías almacenan la energía en electrolitos líquidos que están contenidos en depósitos externos y se bombean a los electrodos internos para completar las reacciones electroquímicas. La energía y la energía almacenada de este modo pueden desacoplarse conduce a excelente flexibilidad de diseño, la escalabilidad y modularidad. Estas ventajas hacen de baterías de flujo muy adecuados para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionarias para la integración de las energías renovables aún intermitente limpia, lo que aumenta la utilización de activos de la red y la eficiencia, y mejorar la capacidad de recuperación de energía y la seguridad. 1, 2, 3 baterías de flujo acuosas tradicionales sufren de densidad de energía limitada, debido principalmente a la ventana de tensión estrecha para evitar la electrólisis del agua. 4, 5, 6, 7, 8 Por el contrario, no aqueelectrolitos OU baterías de flujo basados ​​están siendo ampliamente perseguidos debido al potencial para el logro de voltaje de la célula de alto y alta densidad de energía. 9, 10 En estos esfuerzos, una variedad de químicas de la batería de flujo han sido investigados, incluyendo complejos de coordinación de metal, 11, 12 completamente orgánico, 13, 14 polímeros activos redox, 15 y sistemas de flujo híbrido de litio. 16, 17, 18, 19 Sin embargo, el potencial de las baterías de flujo no acuosos aún no se ha demostrado plenamente debido a la gran cuello de botella de la técnica de demostración limitada en condiciones de baterías de flujo correspondiente. Este cuello de botella está estrechamente asociado con una serie de factores que limitan el rendimiento. Primero,la pequeña solubilidad de la mayoría de materiales electroactivos conduce a la entrega de baja densidad de energía en las células de flujo no acuosos. En segundo lugar, la capacidad de velocidad de baterías de flujo no acuoso es en gran medida limitado por la alta viscosidad del electrolito y resistividad a concentraciones redox pertinentes. El tercer factor es la falta de membranas de alto rendimiento. Nafion y membranas cerámicas muestran conductividad iónica baja con electrolitos no acuosos. separadores porosos han demostrado un rendimiento celda de flujo decente, pero sufren una considerable auto-descarga debido al tamaño relativamente grande de los poros. 14, 20 Típicamente, electrolitos mezclado-reactivo que contiene ambos materiales de anolito y catolito redox (relación 1: 1) se utilizan para reducir los materiales redox de cruce, que sin embargo sacrifica las concentraciones eficaces redox, típicamente por medio. 14, 21 Superar el cuello de botella anterior reclama mejoras en matermate- descubrimiento, diseño de la química de la batería, y la arquitectura celda de flujo para lograr el ciclismo batería correspondiente. supervisión del estado de la batería es esencialmente importante para un funcionamiento fiable. Fuera de las condiciones normales incluyendo cargo excesivo, el desprendimiento de gas, y la degradación del material puede causar daños al rendimiento de la batería e incluso fallo de la batería. Especialmente para las baterías de flujo a gran escala que involucran grandes cantidades de materiales de la batería, estos factores pueden causar graves problemas de seguridad y la pérdida de la inversión. Estado de la carga (SOC) que describe la profundidad de la carga o descarga de baterías de flujo es uno de los parámetros de estado de la batería más importantes. monitoreo SOC oportuna puede detectar riesgos potenciales antes de que alcancen niveles de amenaza. Sin embargo, esta zona parece estar bajo su dirección hasta el momento, especialmente en baterías de flujo no acuosos. métodos Spectrophotoscopic tales como ultravioleta-visible (UV-VIS) medidas de espectroscopia y conductividad del electrolito se han evaluado en batte flujo acuoso<html> ria para la determinación del SOC. 22, 23, 24 Recientemente hemos introducido un nuevo diseño de la batería de flujo no acuoso simétrica sobre la base de un nuevo material redox ambipolar, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxi-3-óxido (OITP). 25 Esta batería de flujo mantiene la promesa para hacer frente a los retos antes mencionados de baterías de flujo no acuosos. En primer lugar, PTIO tiene una alta solubilidad (2,6 M) en el disolvente de la batería de acetonitrilo (MeCN) que es prometedor para permitir una alta densidad de energía. En segundo lugar, OITP exhibe dos pares redox reversibles que están moderadamente separados y por lo tanto puede formar una química de la batería simétrica por sí mismo. También hemos demostrado que un pico PTIO distinguibles en los espectros FTIR se puede correlacionar con la concentración de PTIO sin reaccionar en la celda de flujo, que conduce a espectroscópico determinación de la SOC, como transversal validado por los resultados de ESR.lass = &quot;xref&quot;&gt; 26 A continuación se presenta un protocolo para elaborar procedimientos para las evaluaciones electroquímicas y diagnósticos basados SOC-FTIR de la batería de flujo simétrico OITP. Este trabajo se espera para desencadenar más penetraciones en el mantenimiento de la seguridad y fiabilidad de la batería durante las operaciones de flujo a largo plazo, especialmente en aplicaciones de redes del mundo real.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>PTIO</td>
			<td>TCI America</td>
			<td>A5440</td>
			<td>&#62;98.0%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrabutylammonium hexafluorophosphate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>86879</td>
			<td>electrochemical grade, &#8805;99.0%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MeCN</td>
			<td>BASF</td>
			<td>50325685</td>
			<td>Battery grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver nitrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>204390</td>
			<td>99.9999% trace metals basis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gamma alumina powder</td>
			<td>CH Instruments</td>
			<td>CHI120</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphite felt</td>
			<td>SGL</td>
			<td>GFD3</td>
			<td>Vacuum-dry at 70&#176;C for 24 h</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Porous separator</td>
			<td>Daramic</td>
			<td>AA800</td>
			<td>Vacuum-dry at 70&#176;C for 24 h</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery Tester</td>
			<td>Wuhan LAND electronics Co., Ltd.</td>
			<td>Lanhe</td>
			<td>1A current range</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrochemical Workstation</td>
			<td>Solartron Analytical</td>
			<td>ModuLab</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>glove box</td>
			<td>MBRAUN</td>
			<td>Labmaster SP</td>
			<td>oxygen and water levels &#60;1 ppm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ESR spectrometer</td>
			<td>Bruker&#160;</td>
			<td>Elexsys 580&#160;</td>
			<td>Equipped with an SHQE resonator with microwave frequency ~9.85 GHz (X band) at 2 mW power, with 100 kHz field modulation</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a protocol for electrochemical evaluations and state of charge diagnostics of a symmetric organic redox flow battery

baterías de flujo redox se han considerado como una de las soluciones de almacenamiento de energía estacionarias más prometedoras para mejorar la fiabilidad de la red eléctrica y el despliegue de tecnologías de energía renovable. Entre las muchas químicas de la batería de flujo, baterías de flujo no acuosos tienen el potencial de lograr la alta densidad de energía debido a las amplias ventanas de tensión de electrolitos no acuosos. Sin embargo, existen obstáculos técnicos importantes actualmente limitar baterías de flujo no acuosos para demostrar todo su potencial, tales como bajas concentraciones redox, las corrientes de explotación bajos, la monitorización del estado de la batería se ha explorado, etc. En un intento de abordar estas limitaciones, se informó recientemente una batería de flujo no acuosa a base de un compuesto altamente soluble, redox-activo orgánico nitronil radical nitróxido, 2-fenil-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxilo-3-óxido (PTIO). Este material redox exhibe una propiedad electroquímica ambipolar, y por lo tanto puede servir tanto como anolytE y materiales catolito redox para formar una química de la batería de flujo simétrico. Por otra parte, hemos demostrado que la transformada de Fourier (FTIR) podría medir las concentraciones PTIO durante el ciclismo batería de flujo OITP y ofrecen detección razonablemente precisa del estado de la batería de carga (SOC), como transversal validado por resonancia de spin electrónico (ESR) mediciones . En este documento se presenta un protocolo de vídeo para la evaluación y el diagnóstico electroquímica SOC de la batería de flujo simétrico OITP. Con una descripción detallada, que demostró experimentalmente la ruta para lograr esos fines. Este protocolo tiene como objetivo iniciar más intereses y puntos de vista sobre la seguridad y fiabilidad en el campo de las baterías de flujo redox no acuosos.

Las ventajas únicas del sistema de batería de flujo simétrico PTIO son altamente atribuyen a las propiedades electroquímicas de PTIO, un compuesto de radical nitróxido orgánico. PTIO puede someterse a reacciones de desproporción electroquímicos para formar PTIO + y PTIO - (Figura 2a). Estos dos pares redox están moderadamente separados por un espacio de tensión de ~ 1,7 V (Figura 2b) y se puede utilizar como ambos material...

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A Protocol for Electrochemical Evaluations and State of Charge Diagnostics of a Symmetric Organic Redox Flow Battery

Se presentan los protocolos para la evaluación electroquímica de una batería de flujo redox orgánico no acuoso simétrica y para el diagnóstico de su estado de carga mediante FTIR.

Un protocolo para la electroquímicos Las evaluaciones y estado de carga de diagnóstico de una batería redox de flujo simétrico Orgánica

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Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes

Controla la polimerización de apertura de Photoredox de O- Carboxyanhydrides mediada por complejos de Ni/Zn

Here, we describe an effective protocol that combines photoredox Ni/Ir catalysis with the use of a Zn-alkoxide for efficient ring-opening polymerization, ...

Ion Mobility-Mass Spectrometry Techniques for Determining the Structure and Mechanisms of Metal Ion Recognition and Redox Activity of Metal Binding Oligopeptides

Técnicas de Espectrometría de Masa de Movilidad de Iones para Determinar la Estructura y Mecanismos de Reconocimiento de Iones Metálicos y Actividad Redox de Oligopéptidos de Unión De Metal

Electrospray ionization (ESI) can transfer an aqueous-phase peptide or peptide complex to the gas-phase while conserving its mass, overall charge, ...

Evaluation of Oxidative Stress in Biological Samples Using the Thiobarbituric Acid Reactive Substances Assay

Evaluación del estrés oxidativo en muestras biológicas utilizando el ensayo de sustancias reactivas al ácido tiobarbitúrico

Despite its limited analytical specificity and ruggedness, the thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) assay has been widely used as a generic ...