الموجات فوق الصوتية قياس السرعة في المعدن السائل الكهربائي

البطاريات المعدنية السائلة هي تكنولوجيا واعدة لتوفير تخزين الطاقة على نطاق واسع على شبكات الكهرباء في جميع أنحاء العالم ^1. هذه البطاريات توفر كثافة عالية من الطاقة، وارتفاع كثافة الطاقة، ودورة حياة طويلة، والتكلفة المنخفضة، مما يجعلها مثالية لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة ^3. إدخال البطاريات المعدنية السائلة إلى شبكة الطاقة من شأنها أن تسمح ذروة الحلاقة، وتحسين الاستقرار الشبكة، وتمكينها من استخدام أكثر انتشارا بكثير من مصادر الطاقة المتجددة متقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وطاقة المد والجزر. وتتكون البطاريات المعدنية السائلة من قطبين المعادن السائلة مفصولة بالكهرباء الملح المصهور، كما هو موضح بمزيد من التفصيل في العمل قبل ^1. على الرغم من العديد من تركيبات مختلفة من المعادن والكهارل يمكن أن يؤدي إلى بطارية المعدن السائل العمل، ومبادئ العملية لا تزال هي نفسها. ويتم اختيار المعادن مثل هذا أنه مواتية بقوة لهم لتشكيل السبائك. وبالتالي صناعة السبائك يصرف البطارية، وتهم صناعة السبائك دي عليه. سايتم اختيار طبقة لتر بحيث يسمح ايونات المعادن بالمرور بين القطبين، ولكن كتل نقل الأنواع المحايدة، مما يتيح السيطرة الكهروكيميائية للنظام.

وهذا العمل تقدم السائلة تكنولوجيا البطاريات المعدنية عن طريق قياس ومراقبة الآثار النقل الجماعي. وأبلغ الأساليب المذكورة هنا من قبل الطرق الكهروكيميائية وضعت لالبطاريات المعدنية السائلة بنسبة Sadoway آخرون ^4/1 وكذلك في وقت سابق سائل عمل البطارية المعدنية في مختبر أرغون الوطني ^5،6، وعمل المجتمع الأوسع الكهروكيميائية (بارد وفولكنر ⁷ توفير العديد من المراجع ذات الصلة). الأساليب المذكورة هنا أيضا بناء على دراسات ديناميات السوائل السابقة. وقد وضعت الموجات فوق الصوتية velocimetry واستخدم لأول مرة في الماء ^8،9 ومنذ ذلك الحين تم تطبيقها على المعادن السائلة بما في ذلك الغاليوم ^{10،11، 12،13} الصوديوم، الزئبق ^14، الرصاص البزموت ¹⁵ والنحاس والقصدير ^{15 <}/ سوب>، ويؤدي ليثيوم ^16، وغيرها. إيكرت وآخرون تقديم استعراض مفيد للvelocimetry في المعادن السائلة ^17.

العمل باستخدام الطرق الحديثة مماثلة لتلك المذكورة هنا ¹⁸ أثبتت أن التيارات بطارية يمكن أن تعزز النقل الجماعي في أقطاب معدنية سائلة. لأن النقل الجماعي في القطب الموجب هو الحد من معدل خطوة في الشحن والتفريغ من البطاريات المعدنية السائلة، والاختلاط بالتالي يسمح تهمة أسرع والتفريغ من شأنه أن يكون الأمر خلاف ذلك ممكن. وعلاوة على ذلك الاختلاط يمنع التجانس المحلية في القطب، والتي يمكن أن تشكل المواد الصلبة التي تحد من دورة حياة البطارية. في العمل الجاري، ونحن نواصل دراسة دور تدفق السوائل في القطب الموجب للبطارية المعدن السائل، والذي ينشأ بسبب القوى الحرارية والكهرومغناطيسية. التدرجات الحرارية بالسيارة تدفق الحمل الحراري من خلال الطفو، والتيارات البطارية بالسيارة تدفق من خلال التفاعل مع المجالات المغناطيسية الناتجة عن الخليطذ التيارات أنفسهم. في التجارب باستخدام الأساليب المذكورة أدناه، لاحظنا التدفقات مع رقم رينولدز 50 <رد <200، وتحسب من عمق القطب وجذر متوسط ​​مربع السرعة. ويجري توصيف تجريبي شامل وسوف تستخدم مجموعة البيانات الناتجة لبناء نماذج التنبؤ البطارية. محور هذه المخطوطة على تصميم والإجراءات المطلوبة لإنتاج مثل هذه البيانات التجريبية. يوفر الموجات فوق الصوتية velocimetry الجزء الأكبر من القياسات، والظروف التجريبية يجب السيطرة بعناية من أجل استخدام الموجات فوق الصوتية بنجاح في المعدن السائل. يجب أن تكون جميع المدارة ارتفاع في درجة الحرارة، والنشاط الكيميائي، والتوصيل الكهربائي بعناية.

أولا، البطاريات المعدنية السائلة تعمل بالضرورة في درجة حرارة عالية، لأن كلا من المعادن والأملاح التي تفصل بينهما يجب أن تكون المنصهر. خيار واحد واعد للمواد، والذي يستخدم الليثيوم باعتبارها القطب السالب، الرصاص الأنتيمون كما كهربائي إيجابيtrode، ومزيج سهل الانصهار الأملاح الليثيوم كما المنحل بالكهرباء، ويتطلب درجة حرارة حوالي 550 درجة مئوية. قياس التدفق من السائل مبهمة في درجات الحرارة المرتفعة هذه هي صعبة للغاية. وقد أثبتت محولات الموجات فوق الصوتية ذات درجة الحرارة العالية، التي تفصل بين المكونات الكهربائية والصوتية حساسة من السائل اختبار مع الدليل الموجي السمعي و ¹⁵ و تسويقها. ومع ذلك، لأن محولات الطاقة لديها فقدان الإدراج قرب 40 ديسيبل، وبسبب صعوبة العامة للعمل في درجات الحرارة هذه، وقد تم اختيار نظام بديل للدراسة الأولية: ويمكن أيضا إجراء بطارية المعدن السائل باستخدام الصوديوم كمادة سلبي القطب، سهل الانصهار 44٪ من الرصاص 56٪ البزموت (الآخرة، ePbBi) كما القطب الموجب، ومزيج سهل الانصهار الثلاثي من أملاح الصوديوم (10٪ يوديد الصوديوم، و 38٪ هيدروكسيد الصوديوم، 52٪ أميد الصوديوم) كما بالكهرباء. هذه البطارية هي منصهرة تماما فوق 127 درجة مئوية، مما يجعلها أكثر استعدادا بكثير لدراسة مختبرية. لأنه يتكون من ثلاثة السائلطبقات مفصولة الكثافة، لأنه يخضع لنفس الفيزياء عن غيرها من البطاريات المعدنية السائلة. وكان متوافقا مع محولات الموجات فوق الصوتية متاحة بسهولة، والتي تصنف إلى 230 درجة مئوية، لا تنطوي على خسائر الدليل الموجي، وتكلف أقل بكثير من محولات ذات درجة الحرارة العالية. هذه التجارب عادة ما تجري في 150 ° C. في ذلك درجة الحرارة، ePbBi ديه اللزوجة ν = 2.79 × 10 ^-7 م ² / ثانية، انتشارية الحراري κ = 6،15 × 10 ^-6 م ² / ثانية، والانتشارية المغناطيسي η = 0.8591 م ² / ثانية، مثل هذا العدد Prandtl منه هو العلاقات العامة = ν / κ = 4.53 × 10 ^-2 ورقمه Prandtl المغناطيسي مساء = ν / η = 3.24 × 10 ^-7.

على الرغم من هذه درجات الحرارة المنخفضة السائل الكيمياء بطارية المعادن يجعل دراسات تدفق أسهل بكثير مما لو كانت في البطاريات أكثر سخونة، ويجب مع ذلك أن تدار بعناية درجة الحرارة. يجري الأجهزة الكهربائية الصوتية الدقيقة، محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية هي susceptiblه إلى ضرر من الصدمة الحرارية، وبالتالي يجب أن تكون ساخنة تدريجيا. تتطلب قياسات عالية الجودة الموجات فوق الصوتية أيضا تنظيم درجة الحرارة دقيق. الموجات فوق الصوتية velocimetry يعمل مثل السونار، كما هو مبين في الشكل رقم 1: محول تنبعث زمارة (هنا، والتردد هو 8 ميغاهيرتز)، ثم يستمع لصدى. عن طريق قياس الوقت الرحلة من الصدى، والمسافة إلى الجسم مرددا يمكن أن تحسب، وذلك عن طريق قياس التحول دوبلر للصدى، عنصر واحد من سرعة الجسم يمكن أيضا أن تكون محسوبة. في الماء، يجب إضافة جزيئات التتبع لإنتاج أصداء، ولكن ليس هناك حاجة لجزيئات التتبع في المعادن السائلة، وهي حقيقة ليست مفهومة في التفاصيل ولكن عادة ما يرجع إلى وجود جسيمات أكسيد معدنية صغيرة. كل قياس في المتوسط ​​على كل الجسيمات التتبع في حجم الاستجواب. في هذا العمل، والحد الأدنى قطرها 2 ملم، على مسافة 30 مم من التحقيق. على الرغم من الأكسدة قد يحد في نهاية المطاف مدة من التجارب، وذلك باستخدام عشرطرق البريد الوارد وصفها أدناه، حققنا القياسات بشكل مستمر لطالما 8 ساعات.

حساب المسافة أو السرعة يتطلب معرفة سرعة الصوت في السائل اختبار، وأن سرعة يختلف مع درجة الحرارة. العمل الموصوف هنا يركز على التدفق في القطب السالب ePbBi، حيث سرعة الصوت هي 1766 متر / ثانية عند 150 ° C، 1765 م / ثانية في 160 ° C، و1767 م / ثانية في 140 ° C ^19. وبالتالي عدم كفاية التحكم في درجة الحرارة من شأنه أن يعرض الأخطاء المنهجية في القياسات الموجات فوق الصوتية. وقد تم إنشاء جهاز لقياس سرعة الصوت في ePbBi، وإيجاد القيم متسقة مع تلك التي نشرت وقبلها وكالة الطاقة النووية ¹⁹ (انظر أدناه). أخيرا، منذ الحمل الحراري هو المحرك الرئيسي للتدفق في البطاريات المعدنية السائلة، فإن كلا من متوسط ​​درجات الحرارة والفرق في درجة الحرارة بين الجزء العلوي والسفلي من القطب ePbBi تؤثر بشكل مباشر على الملاحظات. للحصول على نتائج متسقة ودقيقة الحراريةالسيطرة أمر ضروري.

وفقا لذلك، يتم قياس درجة الحرارة باستمرار مع ثلاثة على الأقل المزدوجات الحرارية K نوع، تسجيل قياساتهم الكترونيا مع جهاز اكتساب القائم على الحاسوب وبرنامج ابفيف العرف مكتوب. برنامج يتحكم أيضا في امدادات الطاقة التي توفر البطارية الحالية، عبر اتصال USB. سجلات التيار البطارية والجهد. ويرسل نبضات الزناد في الصك الموجات فوق الصوتية، بحيث يمكن مزامنة البيانات مع القياسات الأخرى. ويرد مخطط النظام في الشكل 2. يتم توفير الحرارة من الفرن مبنية خصيصا (كما هو موضح أيضا في الشكل 2)، الذي يحتوي على اثنين 500-W عناصر التدفئة الصناعية مدعوم من التتابع تحولت من قبل النسبي-لا يتجزأ التفاضلية (PID) وحدة تحكم. وتتكون لوحة قاعدة التي تدعم خلايا البطارية من الألمنيوم الصلب. بسبب التوصيل الحراري هو أمر من حجم أعلى من التوصيل الحراري للالواحد غير القابل للصدأسفينة خلية البطارية ثعبان البحر وePbBi أنه يحتوي على ^19، ودرجة الحرارة من الطابق فرن تقريبا موحدة. وعلاوة على ذلك قاعدة الألومنيوم يضاعف من مسار التيارات الكهربائية التي تمر عبر القطب. في التوصيل الكهربائي هو أيضا أمر من حجم أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ أو ePbBi، وبالتالي فإن الجهد من الطابق فرن هو أيضا حوالي موحدة. العازلة الساقين منفصلة قاعدة من على مقاعد البدلاء دون رأس، ومنع الحروق والسراويل. يتم عزل جانبي السفينة البطارية مع السيليكا العازلة السيراميك، وقطع لتناسب السفينة عن كثب ولكن تترك مجالا للوصول إلى ميناء الموجات فوق الصوتية للخلية. أخيرا، تترافلوروإيثيلين (PTFE) غطاء يعزل الخلية من فوق ويحمل جامع الحالي سلبي والمزدوجات الحرارية في المكان. على الرغم من وحات الساخنة المتاحة تجاريا يمكن تحقيق درجات الحرارة المطلوبة لهذه التجارب، ويحافظ على لدينا فرن مبنية خصيصا درجة الحرارة مع أمر من حجم أقل الاختلاف، وهوND أيضا يسمح لنا لقياس الطاقة الحرارية مباشرة.

بالإضافة إلى التحديات المرتبطة درجة الحرارة، وهناك تحديات المرتبطة بالنشاط الكيميائي. في 150 ° C، وهو القطب الموجب ePbBi متوافق كيميائيا مع العديد من المواد المشتركة. A القطب السالب الصوديوم، ولكن يفسد العديد من المواد، يتأكسد بسهولة، ويتفاعل بقوة مع الرطوبة. A القطب السالب الليثيوم هو أيضا عدوانية، وخاصة لأن البطاريات المعدنية السائلة القائمة على الليثيوم عادة تشغيل درجات الحرارة أعلى بكثير. على الرغم من تلك النظم ارتفاع درجات الحرارة هي خارج نطاق هذا العمل، وتستخدم العديد من نفس التدابير لإدارة النشاط الكيميائي هنا كما هو الحال في تلك الأنظمة. جميع التجارب وصفها هنا تجري في صندوق قفازات مليئة الأرجون التي تحتوي على كميات ضئيلة فقط من الأكسجين أو الرطوبة. يتم السفينة البطارية من سبائك 304 الفولاذ المقاوم للصدأ، والذي يفسد الحد الأدنى حتى مع الليثيوم في 550 ° C. المزدوجات الحرارية والتيار السلبيمصنوعة جامع أيضا من الفولاذ المقاوم للصدأ. يتم اختيار الهندسة السفينة لمباراة السفن المستخدمة لاختبار الكهروكيميائية من البطاريات المعدنية السائلة، إلى نموذج بأكبر قدر ممكن من الأنظمة التي يجري تسويقها. السفينة، كما هو موضح في الشكل رقم 2، أسطواني، مع 88.9 مم القطر الداخلي وعلى عمق 67 مم. جميع جدران الأوعية هي 6.4 مم. السفينة تختلف عن تلك المستخدمة في التجارب السابقة، ومع ذلك، في أن لديها منفذ الموجات فوق الصوتية. ميناء يمر عبر الجدار الجانبي على طول قطرها الأفقي للاسطوانة، ومركز للميناء هو 6.6 مم فوق أرضية السفينة. ميناء 8 مم في القطر لاستيعاب 8 مم الموجات فوق الصوتية محول، والأختام حول محول مع أرجح. في هذه التجارب، القطب المعدن السائل هو مجرد عميقة بما فيه الكفاية لتغطية محول بالموجات فوق الصوتية، وعادة 13 ملم.

من أجل تحقيق إشارات الموجات فوق الصوتية القوية، واحدة يتطلب نقل الصوتية جيدةبين محول بالموجات فوق الصوتية وتحقيقات أنه السوائل (ePbBi). تنتقل الطاقة الصوتية القصوى عند مقاومة الصوتية للمواد محول وسائل اختبار متطابقة. عندما تختلف ممانعات، وإشارات تعاني. وضع محول بالموجات فوق الصوتية على اتصال مباشر مع نظيفة ePbBi (كما أصبح ممكنا بفضل ميناء المذكورة أعلاه) يقدم إشارة وافرة، في كثير من الأحيان لساعات في وقت واحد. أكاسيد المعادن، ومع ذلك، فقد مقاومة مختلفة جدا، وربما يتعارض أيضا مع التبول عن طريق تغيير التوتر السطحي. إذا يتأكسد في ePbBi إلى حد كبير، وإشارات الموجات فوق الصوتية تتحلل وتختفي في وقت قريب. مرة أخرى، جو خامل أمر ضروري. إذا كميات ضئيلة من الأوكسجين تسبب بعض الأكسدة على الرغم من ذلك، هو منزوع الدسم على سطح معدن أكسيد قبل نقل ePbBi في الإناء البطارية.

أخيرا، تحديات هذه التجارب الحالية بسبب وجود تيارات كهربائية. على الرغم من أن التيارات التي نقدمها بين العلمية والتكنولوجية المركزيةمؤسسة، كانت كبيرة بما فيه الكفاية (30 أ) أن يسبب ضررا إذا توجيهها بشكل غير صحيح. المزدوجات الحرارية اساس لها تضمن أن التيارات الكهربائية الضارة لا تمر عبر الجهاز الحصول على البيانات أو الكمبيوتر الذي يعتمد عليه، لأن المزدوجات الحرارية اساس لها ليس لها الربط الكهربائي الداخلي من غمد واقية إما إشارة الأسلاك. كذلك لا بد من استخدام محولات الموجات فوق الصوتية اساس لها (اشارة تجهيز SA، TR0805LTH) لمنع التيار طائشة من إتلاف أداة قيمة الموجات فوق الصوتية (اشارة تجهيز SA، DOP 3010). كما ذكر سابقا، وقاعدة من الفرن يعمل على توصيل التيار الكهربائي، ويجب أيضا أن تكون معزولة كهربائيا عن محيطها.

في القطب ePbBi، يسبب تيار التدفئة أومية، ويحتمل أن يعطل درجة الحرارة. وبالتالي فإن نظام التحكم الحراري الآلية يجب أن تكون قادرة على التكيف مع التغيرات في المدخلات الحرارة. ويبين الشكل 3 كيف أن درجة حرارة القطب ePbBi تختلف الوغد كماتدفقات الإيجار من خلال ذلك، وكيف يعدل وحدة تحكم PID للتعويض. أن الحفاظ على درجة حرارة ثابتة مع التيارات الكبيرة (50 A = 800 مللي أمبير / سم) تتطلب تبريد إضافية، ولكن في أقل التيارات أكثر واقعية للبطاريات السائلة المعادن في التطبيقات الصناعية (عادة 17 A = 275 مللي أمبير / سم ^1)، وحدة تحكم قادر لتعويض التدفئة أومية وعقد اختلاف درجة الحرارة إلى 2 درجة مئوية.