Name: extending the lifespan of soluble lead flow batteries with a sodium acetate additive
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00
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Ce travail a été soutenu par le ministère de la Science and Technology, R.D.C., sous le numéro de financement du NSC 102-2221-E-002 - 146-, la plupart des 103-2221-E-002 - 233 - et la plupart 104-2628-E-002-016-MY3.

1. construction d’une cellule de bécher SLFB avec un additif de l’acétate de Sodium
Remarque : Cette section décrit la procédure pour construire une cellule SLFB de bécher avec un additif pour expérience cycliste à long terme. Le protocole inclut la préparation de l’électrolyte avec et sans additif, prétraitement de l’électrode, ensemble de cellule et des calculs de rendement.
<ol><li>
Préparation de plomb méthanesulfonate (1 L, 1 M, à titre d’exemple)</stron...

<ol>
	<li>Soloveichik, G. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+batteries:+current+status+&amp;+trends.">Flow batteries: current status &amp; trends.</a> Chemical Reviews. 115 (20), 11533-11558 (2015).</li><li>Ravikumar, M. K., Rathod, S., Jaiswal, N., Patil, S., Shukla, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+renaissance+in+redox+flow+batteries.">The renaissance in redox flow batteries.</a> Journal of Solid State Electrochemistry. 21 (9), 2467-2488 (2017).</li><li>Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+flow+battery:+A+lead+acid+battery+based+on+an+electrolyte+with+soluble+lead+(II)+Part+I.+Preliminary+studies.">A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part I. Preliminary studies.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1773-1778 (2004).</li><li>Pletcher, D., Wills, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+flow+battery:+A+lead+acid+battery+based+on+an+electrolyte+with+soluble+lead+(II)+Part+II.+Flow+cell+studies.">A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part II. Flow cell studies.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1779-1785 (2004).</li><li>Pletcher, D., Wills, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+flow+battery-a+lead+acid+battery+based+on+an+electrolyte+with+soluble+lead+(II).+III.+The+influence+of+conditions+on+battery+performance.">A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). III. The influence of conditions on battery performance.</a> Journal of Power Sources. 149, 96-102 (2005).</li><li>Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+flow+battery-a+lead+acid+battery+based+on+an+electrolyte+with+soluble+lead+(II).+IV.+The+influence+of+additives.">A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). IV. The influence of additives.</a> Journal of Power Sources. 149, 103-111 (2005).</li><li>Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+flow+battery-A+lead-acid+battery+based+on+an+electrolyte+with+soluble+lead+(II).+V.+Studies+of+the+lead+negative+electrode.">A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). V. Studies of the lead negative electrode.</a> Journal of Power Sources. 180 (1), 621-629 (2008).</li><li>Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+flow+battery-A+lead-acid+battery+based+on+an+electrolyte+with+soluble+lead+(II).+Part+VI.+Studies+of+the+lead+dioxide+positive+electrode.">A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). Part VI. Studies of the lead dioxide positive electrode.</a> Journal of Power Sources. 180 (1), 630-634 (2008).</li><li>Li, X., Pletcher, D., Walsh, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+flow+battery:+a+lead+acid+battery+based+on+an+electrolyte+with+soluble+lead+(II).+Part+VII.+Further+studies+of+the+lead+dioxide+positive+electrode.">A novel flow battery: a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). Part VII. Further studies of the lead dioxide positive electrode.</a> Electrochimica Acta. 54 (20), 4688-4695 (2009).</li><li>Krishna, M., Fraser, E. J., Wills, R. G. A., Walsh, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Developments+in+soluble+lead+flow+batteries+and+remaining+challenges:+An+illustrated+review.">Developments in soluble lead flow batteries and remaining challenges: An illustrated review.</a> Journal of Energy Storage. 15, 69-90 (2018).</li><li>Lin, Y. -. T., Tan, H. -. L., Lee, C. -. Y., Chen, H. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stabilizing+the+electrodeposit-electrolyte+interphase+in+soluble+lead+flow+batteries+with+ethanoate+additive.">Stabilizing the electrodeposit-electrolyte interphase in soluble lead flow batteries with ethanoate additive.</a> Electrochimica Acta. 263, 60-67 (2018).</li><li>Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y., Chainet, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PbO2/Pb2++cycling+in+methanesulfonic+acid+and+mechanisms+associated+for+soluble+lead-acid+flow+battery+applications.">PbO2/Pb2+ cycling in methanesulfonic acid and mechanisms associated for soluble lead-acid flow battery applications.</a> Electrochimica Acta. 71, 140-149 (2012).</li><li>Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+response+of+lead+dioxide/Lead+(II)+galvanostatic+cycling+in+methanesulfonic+acid:+a+morphologico-kinetics+interpretation.">Potential response of lead dioxide/Lead (II) galvanostatic cycling in methanesulfonic acid: a morphologico-kinetics interpretation.</a> Journal of The Electrochemical Society. 160 (1), A148-A154 (2013).</li></ol>

Cet article décrit une méthode économique pour prolonger la durée de cycle de SLFBs : en employant NaOAc agent comme électrolyte additif. Un lot d’électrodes de graphite fraîches et plaques de nickel sont prétraités comme susmentionné à l’étape 1 avant les expériences de cyclisme à long terme. Incohérence entre les électrodes de carbone commercial pourrait provoquer un écart de performance des SLFBs, le prétraitement physico-chimiques à l’étape 1.4 est essentiel pour éliminer les résidus de s...

Vent et des énergies renouvelables notamment l’énergie solaire ont été développés depuis des décennies, mais leur nature intermittente pose de grands défis. Une grille de future puissance avec des sources d’énergie renouvelables intégrées, stabilisation de la grille et le nivellement de charge sont critiques et peuvent être réalisés en intégrant le stockage de l’énergie. Batteries de flux redox (ORP) sont l’une des options prometteuses pour le stockage de l’énergie à l’échelle de la grille. ORP traditionnels contiennent des membranes sélectives qui sépare anolyte et catholyte ; par exemple, la RFB all-vanadium a montré pour fonctionner avec une grande efficacité et un long cycle de vie1,2. Toutefois, leur part de marché comme stockage d’énergie est très limitée en partie à cause de matériaux comprenant coûteux et inefficaces membranes sélectives. En revanche, une batterie de débit de flux unique plomb soluble (SLFB) est présentée par Plectcher et al. 1 , 2 , 3 , 4 , 5. le SLFB est sans membrane car elle n’a qu’une seule espèce active, les ions pb (ii). Les ions pb sont galvanisées à l’électrode positive comme PbO2 et l’électrode négative comme Pb simultanément pendant le chargement et reconvertir en PB (ii) au cours de l’exercice. Un SLFB doit donc un circulateur et un électrolyte réservoir seulement, qui peut conduire à son tour au capital réduit et les coûts opérationnels par rapport aux ORP classiques. La vie de cycle publiée de SLFBs, cependant, est jusqu’ici limitée à moins de 200 cycles de flux normal des conditions6,7,8,9,10.
Facteurs menant à une vie de cycle courte SLFB sont préalablement associées aux dépôts/dissolution de PbO2 à l’électrode positive. Au cours du processus de charge/décharge, l’acidité de l’électrolyte se trouve à augmenter au cours de cycles profonds ou répétée11et protons sont suggérés pour induire la production d’une couche de passivation de non-stoechiométriques PbOx12, 13. l’effusion de PbO2 est un autre phénomène lié à la dégradation SLFB. Hangar de PbO2 particules sont irréversibles et peuvent ne plus être utilisés. L’efficacité coulombienne (EC) du SLFBs décline en conséquence en raison de réactions électrochimiques déséquilibrées comme electrodeposits accumulés sur les deux électrodes. Pour prolonger la vie de cycle de SLFBs, stabiliser le pH, fluctuation et electrodeposition structure sont essentiels. Une étude récente montre une amélioration des performances et le cycle prolongé la vie de SLFBs avec addition d’acétate de sodium (NaOAc) méthanesulfonique électrolyte11.
Ici, un protocole détaillé pour employer NaOAc comme additif à l’électrolyte méthanesulfonique dans SLFBs est décrite. La performance de SLFB s’est avérée être améliorée et la durée de vie peut être prolongée de plus de 50 % par rapport à SLFBs sans additifs NaOAc. En outre, des procédures pour lancer la mesure de l’indice (TI) sont illustrées aux fins d’une comparaison quantitative des effets additifs sur électrodéposition. Enfin, on décrit une méthode de préparation échantillon de microscopie électronique (MEB) balayage pour electrodeposition sur des électrodes de SLFB et l’effet additif sur electrodeposition se manifeste dans les images acquises.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>70 mm cellulose filter paper</td>
			<td>Advance</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Autolab</td>
			<td>Metrohm</td>
			<td>PGSTA302N</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BT-Lab</td>
			<td>BioLogic</td>
			<td>BCS-810</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>commercial carbon composite electrode</td>
			<td>Homy Tech,Taiwan</td>
			<td></td>
			<td>Density 1.75 g cm-3, and electrical conductivity 330 S cm-1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond saw</td>
			<td>Buehler</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric Acid</td>
			<td>SHOWA</td>
			<td>0812-0150-000-69SW</td>
			<td>35%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lead (II) Oxide</td>
			<td>SHOWA</td>
			<td>1209-0250-000-23SW</td>
			<td>98%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lutropur MSA</td>
			<td>BASF</td>
			<td>50707525</td>
			<td>70%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>nickel plate</td>
			<td>Lien Hung Alloy Trading Co., LTD., Taiwan,&#160;</td>
			<td></td>
			<td>99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Nitrate</td>
			<td>Scharlab</td>
			<td>28703-95</td>
			<td>99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscopy</td>
			<td>JEOL</td>
			<td>JSM-7800F</td>
			<td>at accelerating voltage of 15 kV</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Acetate</td>
			<td>SHOWA</td>
			<td>1922-5250-000-23SW</td>
			<td>98%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>water purification system</td>
			<td>Barnstead MicroPure</td>
			<td></td>
			<td>&#160;18.2 M&#937;&#160;&#8226; cm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

extending the lifespan of soluble lead flow batteries with a sodium acetate additive

Dans ce rapport, nous présentons une méthode pour la construction d’une batterie au plomb soluble flux (SLFB) avec une cycle de longue vie. En fournissant une quantité suffisante d’acétate de sodium (NaOAc) à l’électrolyte, une prolongation de la vie cycle de plus de 50 % est démontrée pour SLFBs par expériences de charge/décharge des galvanostatique à long terme. Une meilleure qualité de la PbO2 electrodeposition à l’électrode positive est quantitativement validée pour électrolyte Acona ajoutée en levant les mesures de l’indice (TI). Images acquises par microscopie électronique (MEB) présentent également plus intégrée PbO2 morphologie de surface lorsque le SLFB fonctionne avec l’électrolyte Acona ajoutée. Ce travail indique que la modification d’électrolyte peut être une voie plausible pour permettre économiquement SLFBs pour le stockage de l’énergie à grande échelle.

Pour prolonger la vie de cycle de SLFBs, NaOAc est fourni comme électrolyte additif. Vélo de performance de SLFBs avec et sans additif de NaOAc sont examinés en parallèle et résultats sont présentés à la Figure 3. Pour faciliter la comparaison quantitative du cycle de vie, nous définissons la « mort » d’un SLFB comme quand sa CE est inférieur à 80 % sous galvanostatique continu charge/décharge. Figure 3 a et <st...

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Extending the Lifespan of Soluble Lead Flow Batteries with a Sodium Acetate Additive

Un protocole pour la construction d’une batterie plomb soluble de débit avec une durée de vie prolongée, en laquelle sodium acétate est fourni dans l’électrolyte méthanesulfonique comme additif, est présenté.

Prolonger la durée de vie des piles d’écoulement plomb Soluble avec un additif de l’acétate de Sodium

In this report, we present a method for the construction of a soluble lead flow battery (SLFB) with an extended cycle life. By supplying an adequate ...

Cette méthode prolonge la durée de vie du cycle des batteries solubles d’écoulement de plomb en employant l’acétate de sodium comme additif d’électrolyte, qui est une approche économique et efficace. En outre, la conception des cellules bécher utilisées dans cette méthode est pratique pour étudier les effets de l’additif électrolyte sur les batteries à flux redox à flux unique. Yong-Hong Lai, Ho-Wei Chan et Kai-Rui Pan, deux étudiants diplômés et un étudiant de premier cycle de mon laboratoire, démontreront la procédure.Pour commencer, dans un capot de fumée, versez 274,6 grammes d’acide méthanesulfonique à 70 % dans un bécher et commencez à l’agiter à l’aide d’une barre d’agitation. Ajouter 300 millilitres d’eau déionisée et continuer à remuer pendant une à deux minutes pour bien mélanger la solution. Ensuite, ajoutez 223,2 grammes d’oxyde II à 98 % de plomb à la solution d’agitation dans les incréments de la taille d’une pointe de spatule.Attendez que chaque portion se dissolve complètement avant d’ajouter la suivante. Filtrer trois fois la solution de méthaneulfonate de plomb qui en résulte. Diluer à un litre avec de l’eau déionisée, et remuer pendant deux à trois heures pour obtenir une solution d’une molaire.Ensuite, combinez dans un bécher 20.595 grammes de 70%MSA, 150 millilitres de méthanesulfonate de plomb unilaire, et 1,23 grammes d’acétate de sodium. Diluer le mélange à 300 millilitres avec de l’eau déionisée, et remuer pendant une à deux minutes pour faire une solution d’électrolyte avec de l’acétate de sodium comme additif. Ensuite, polir une électrode graphite nue avec du papier de verre alumineux P100-grit jusqu’à ce qu’aucune impureté ne soit visible.Rincer l’électrode polie à l’eau déionisée. Ensuite, ajoutez 20,83 grammes d’acide chlorhydrique à 200 millilitres d’eau déionisée, et remuer bien pour obtenir une solution unique d’acide chlorhydrique. Faire tremper l’électrode de graphite dans la solution pendant au moins huit heures.Rincez soigneusement l’électrode de graphite à l’eau déionisée et séchez-la à l’aide d’un lingette de laboratoire à faibleint. Polir une électrode de nickel avec du papier de verre alumineux P100-grit, la rincer à l’eau déionisée et la sécher de la même manière. Ensuite, enveloppez du ruban en polytétrafluoroéthylène autour d’un côté de chaque électrode, laissant une partie exposée pour être reliée au testeur de batterie.Dissoudre 3,03 grammes de nitrate de potassium dans 300 millilitres d’eau déionisée. Plongez les côtés exposés des deux électrodes dans cette solution de nitrate de potassium de 0,1 molaire. En outre, placez une électrode de chlorure argent-argent de référence dans la solution.Ensuite, connectez les électrodes à un potentiostat. L’électrode de travail graphite sera l’électrode positive, et l’électrode compteur de nickel sera l’électrode négative. Appliquer un potentiel de 1,80 volts par rapport au chlorure argent-argent à l’électrode positive pendant cinq minutes.Ensuite, appliquez un potentiel de chlorure négatif d’un volt par rapport au chlorure argenté-argent à l’électrode positive pendant deux minutes pour terminer le prétraitement. Rincer et sécher les électrodes par la suite. Ensuite, connectez les électrodes prétraitées à une planche de positionnement d’électrode personnalisée.Placez la planche de positionnement sur un bécher muni d’une barre de remue-remuer et remplissez le bécher d’électrolyte jusqu’à ce que la solution atteigne le niveau approprié. Placez l’assemblage du bécher sur une plaque chaude en remuant et connectez un testeur de batterie aux électrodes. Couvrez la cellule du bécher d’une pellicule plastique pour éviter l’évaporation avant d’effectuer le test de la batterie.Remuer le mélange à environ 200 rpm pendant l’essai. Pour démarrer la procédure de mesure de l’index de lancement, pesez deux électrodes positives et enregistrez leurs masses. Placez une électrode négative dans la position centrale d’un appareil cellulaire Haring-Blum.Placez une électrode positive dans l’assemblage près de l’électrode négative. Placez l’autre électrode positive à une distance plusieurs fois supérieure à la distance entre la première électrode positive et l’électrode négative. Plongez l’électrode dans l’électrolyte d’intérêt et connectez-les à un testeur de batterie.Commencez le test en chargeant l’assemblage de la batterie avec une densité de courant constante de 20 milliamperes par centimètre carré pendant 30 minutes. Après avoir effectué les cycles de déchargement désirés, rincez les électrodes positives à l’eau déionisée et laissez-les sécher dans l’air ambiant pendant la nuit. Ensuite, pesez les électrodes positives et calculez la quantité de métal plaquée sur chaque électrode.Répétez ce processus à différents rapports de distance linéaire, et générer un diagramme d’index de lancement. Pour préparer une électrode de graphite électroplaquée pour sem, rincez-la d’abord à l’eau déionisée et laissez-la sécher à température ambiante. Ensuite, utilisez une scie à diamants pour couper soigneusement l’électrode en échantillons de la taille désirée.Monter à froid un échantillon d’électrode, le fixer dans un polisseur, et mécaniquement polir avec 14-huit et trois millimètres de papier de verre carbure de silicium dans l’ordre. Rincer l’échantillon à l’eau déionisée et le sécher avec du gaz azoté après chaque polissage. Ensuite, polir l’échantillon avec une suspension diamant d’un millimètre, suivie d’une boue d’alumine de 0,05 millimètre dans de l’eau déionisée.Après cela, déposez une couche de platine sur l’échantillon poli, et fixez-la à la plate-forme d’échantillon avec du ruban de cuivre. Acquérir des images SEM du matériau électroplaqué. L’ajout d’acétate de sodium à l’électrode SLFB a prolongé la durée de vie du cycle charge-décharge d’environ 50 %, ajoutant de l’acétate de sodium a également amélioré les caractéristiques de lancement des électrodes positives, comme l’indique la pente moins profonde d’un diagramme de l’indice de lancement.L’acétate de sodium n’a eu aucun effet significatif sur le comportement de placage à l’électrode négative. Les images SEM d’électrodes positives électroplaquées avec de l’oxyde IV de plomb dans l’électrolyte avec et sans acétate de sodium ont montré que l’additif correspondait à une surface d’oxyde IV de plomb plus lisse avec moins de défauts. Les impuretés sont préjudiciables à la performance des SLFBs.Assurez-vous que l’oxyde de plomb est complètement dissous dans la MSA et filtrez tous les solides résiduels avant d’utiliser l’électrolyte. Une fois l’échantillon d’électrode plaqué récolté, d’autres techniques d’écaillement des matériaux telles que l’EBSD, la nanoindentation ou la diffraction des rayons X peuvent être effectuées pour mieux comprendre l’effet de l’additif sur l’électrodeposition. N’oubliez pas de préparer l’électrolyte dans un capot de fumée parce que le gaz libéré au cours de cette procédure peut être dangereux.

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