Forlænge levetiden for opløselige bly Flow batterier med en natrium acetat tilsætningsstof
Summary
En protokol til opførelse af et opløseligt bly flow batteri med en forlænget levetid, i hvilke natrium acetat leveres i methanesulfonic elektrolyt som tilsætningsstof, er præsenteret.
Abstract
I denne betænkning præsenterer vi en metode til opførelse af et opløseligt bly flow batteri (SLFB) med en udvidet cyklus liv. Ved at levere en tilstrækkelig mængde af natriumacetat (NaOAc) til elektrolytten, godtgøres filtypenavnet cyklus liv på over 50% til SLFBs via langsigtede galvanostatic lade/aflade eksperimenter. En højere kvalitet af PbO2 electrodeposit på den positive elektrode er kvantitativt valideret for NaOAc-tilføjet elektrolyt ved at kaste indeks (TI) målinger. Billeder erhvervet af scanning elektronmikroskopi (SEM) også udviser mere integreret PbO2 overflade morfologi, når SLFB drives med NaOAc-tilføjet elektrolytten. Dette arbejde viser, at elektrolyt modifikation kan være en plausibel vej til økonomisk aktiverer SLFBs for storstilet energilagring.
Introduction
Vedvarende energikilder herunder sol og vind er blevet udviklet i årtier, men deres intermitterende karakter udgør en stor udfordring. For en fremtidig elnet med vedvarende energikilder indarbejdet, gitter stabilisering og last nivellering er kritisk og kan opnås ved at integrere energilagring. Redox-flow batterier (RFBs) er en af de lovende muligheder for gitter-skala energilagring. Traditionelle RFBs indeholde ion-selektiv membraner adskiller anolyte og catholyte; for eksempel, all-vanadium RFB har vist sig for at fungere med høj effektivitet og lang cyklus liv1,2. Deres markedsandel som energilagring er dog meget begrænset til dels på grund af dyre bestående af materialer og ineffektive ion-selektiv membraner. På den anden side præsenteres en single-flow opløselige bly flow batteri (SLFB) af Plectcher et al. 1 , 2 , 3 , 4 , 5. den SLFB er membran-mindre, fordi det har kun én aktiv arter, Pb(II) ioner. PB(II) ioner er galvaniseret på den positive elektrode som PbO2 og den negative elektrode som Pb samtidigt under opladning, og konvertere tilbage til Pb(II) under losning. En SLFB har således brug for en cirkulationspumpe og en elektrolyt opbevaring tank kun, som igen kan potentielt føre til reduceret kapital og operationelle omkostninger i forhold til konventionelle RFBs. Livets offentliggjorte cyklus af SLFBs, men er indtil videre begrænset til mindre end 200 cykler under normale betingelser6,7,8,9,10.
Faktorer, der fører til en kort SLFB cyklus liv er foreløbigt forbundet med deposition/opløsning af PbO2 på den positive elektrode. Under lade/aflade processer, elektrolyt surhedsgraden er fundet for at øge over dybe eller gentagne cyklusser11og protoner er foreslået til at fremkalde generation af et passivation lag af ikke-støkiometriske PbOx12, 13. afgivelse af PbO2 er et andet fænomen er knyttet til SLFB nedbrydning. Kaste PbO2 partikler er uigenkaldelig og kan ikke længere blive udnyttet. Coulombic effektivitet (CE) af SLFBs falder som følge heraf på grund af skæve elektrokemiske reaktioner samt akkumuleret electrodeposits på begge elektroder. For at forlænge cyklus liv i SLFBs, stabilisere pH er udsving og electrodeposit struktur kritisk. En nylig papir viser en forbedret ydeevne og forlænget cyklus liv af SLFBs med tilsætning af natriumacetat (NaOAc) i methanesulfonic elektrolyt11.
Her, er en detaljeret protokol for at ansætte NaOAc som tilsætningsstof til methanesulfonic elektrolyt i SLFBs beskrevet. SLFB ydeevne er vist øges og levetiden kan forlænges med over 50% i forhold til SLFBs uden NaOAc tilsætningsstoffer. Derudover er procedurer til at smide indeks (TI) måling illustreret med henblik på kvantitativ sammenligning af tilsætningsstoffets virkninger på electrodeposition. Endelig en scanning elektronmikroskopi (SEM) prøve forberedelse metode for electrodeposit på SLFB elektroder er beskrevet og additiv indvirkning på electrodeposit er manifesteret i erhvervede billeder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette papir beskriver en økonomisk metode til at udvide livets cyklus af SLFBs: ved at ansætte NaOAc agent som en elektrolyt tilsætningsstof. Et parti af frisk grafitelektroder og nikkel plader er preprocessed som ovennævnte i trin 1 før langsigtede cykling eksperimenter. Fordi uoverensstemmelse mellem kommercielle Kulelektroder kan forårsage ydeevne afvigelse af SLFBs, er fysisk/kemisk forbehandling i trin 1.4 afgørende for at fjerne overflade rester. Den anden del af trin 1.4 beskæftiger elektrokemiske metoder …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Ministeriet for videnskab og teknologi, R.O.C., under finansiering antallet af NSC 102-2221-E-002 – 146-, de fleste 103-2221-E-002 – 233- og de fleste 104-2628-E-002-016-MY3.
Materials
| 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 |
References
- Soloveichik, G. L. Flow batteries: current status & trends. Chemical Reviews. 115 (20), 11533-11558 (2015).
- Ravikumar, M. K., Rathod, S., Jaiswal, N., Patil, S., Shukla, A. The renaissance in redox flow batteries. Journal of Solid State Electrochemistry. 21 (9), 2467-2488 (2017).
- Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part I. Preliminary studies. Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1773-1778 (2004).
- Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery: A lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II) Part II. Flow cell studies. Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (8), 1779-1785 (2004).
- Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). III. The influence of conditions on battery performance. Journal of Power Sources. 149, 96-102 (2005).
- Hazza, A., Pletcher, D., Wills, R. A novel flow battery-a lead acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). IV. The influence of additives. Journal of Power Sources. 149, 103-111 (2005).
- Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. A novel flow battery-A lead-acid battery based on an electrolyte with soluble lead (II). V. Studies of the lead negative electrode. Journal of Power Sources. 180 (1), 621-629 (2008).
- Pletcher, D., Zhou, H., Kear, G., Low, C. T. J., Walsh, F. C., Wills, R. G. A. 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. Journal of Power Sources. 180 (1), 630-634 (2008).
- Li, X., Pletcher, D., Walsh, F. C. 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. Electrochimica Acta. 54 (20), 4688-4695 (2009).
- Krishna, M., Fraser, E. J., Wills, R. G. A., Walsh, F. C. Developments in soluble lead flow batteries and remaining challenges: An illustrated review. Journal of Energy Storage. 15, 69-90 (2018).
- Lin, Y. -. T., Tan, H. -. L., Lee, C. -. Y., Chen, H. -. Y. Stabilizing the electrodeposit-electrolyte interphase in soluble lead flow batteries with ethanoate additive. Electrochimica Acta. 263, 60-67 (2018).
- Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y., Chainet, E. PbO2/Pb2+ cycling in methanesulfonic acid and mechanisms associated for soluble lead-acid flow battery applications. Electrochimica Acta. 71, 140-149 (2012).
- Oury, A., Kirchev, A., Bultel, Y. Potential response of lead dioxide/Lead (II) galvanostatic cycling in methanesulfonic acid: a morphologico-kinetics interpretation. Journal of The Electrochemical Society. 160 (1), A148-A154 (2013).
