Ultrasound snelheidsmeting in een Liquid Metal elektrode

Vloeibaar metaal batterijen zijn een veelbelovende technologie voor het leveren van grootschalige energie-opslag op de wereldwijde elektrische netten ^1. Deze accu's bieden een hoge energiedichtheid, een hoge vermogensdichtheid, lange levensduur en lage kosten, waardoor ze ideaal zijn voor raster grootschalige energieopslag ^3. Introductie van vloeibaar metaal batterijen om het energienet zou peak shaving maken, het verbeteren van de stabiliteit raster, en maken veel meer wijdverbreid gebruik van intermitterende hernieuwbare bronnen zoals zon, wind en getijdenenergie. Vloeibare metalen batterijen bestaan ​​uit twee vloeibare metaal elektroden gescheiden door een gesmolten zout elektrolyt, zoals in meer detail in eerder werk ^1. Hoewel veel verschillende combinaties van metalen en elektrolyt kan resulteren in een werkvloeistof metaal batterij, de werkingsprincipes blijven hetzelfde. De metalen worden gekozen dat het energetisch gunstig voor hen om een ​​legering te vormen; dus legeren ontlaadt de batterij, en de legeren kosten het. De salt laag wordt zodanig gekozen dat het mogelijk maakt metaalionen om tussen de twee elektroden, maar blokkeert transport van neutrale species, waardoor elektrochemisch controle over het systeem bieden.

Dit werk zal vloeibare metaal batterij technologie te bevorderen door het kwantificeren en beheersen van massatransport effecten. De hier beschreven methoden worden geïnformeerd door elektrochemische methoden ontwikkeld voor vloeibaar metaal batterijen door Sadoway et al. ^1-4 evenals eerder vloeibaar metaal accu werk bij Argonne National Laboratory ^5,6, en het werk van de bredere elektrochemische gemeenschap (Bard en Faulkner ⁷ bieden veel relevante verwijzingen). De hier beschreven methoden ook voortbouwen op eerdere vloeistofdynamica studies. Echografie velocimetry werd ontwikkeld en voor het eerst gebruikt in water ^8,9 en is sindsdien toegepast op vloeibare metalen zoals gallium ^{10,11, 12,13} natrium, kwik ^14, lood-bismut ^15, koper-tin ^{15 <}/ Sup>, en lood-lithium ^16, onder anderen. Eckert et al. Een bruikbaar overzicht van velocimetry in vloeibare metalen ^17.

Recent werk met behulp van methoden vergelijkbaar met de hier ¹⁸ beschreven, heeft aangetoond dat de batterij stromen massatransport in vloeibaar metaal elektroden kan verbeteren. Omdat massatransport in de positieve elektrode is de snelheidsbeperkende stap in de lading en ontlading van vloeibaar metaal batterijen, mengen laat dus sneller laden en ontladen dan anders mogelijk zou zijn. Bovendien menging voorkomt plaatselijke inhomogeniteiten in de elektrode, die vaste stoffen die de levensduur van de batterij beperkt kan vormen. In bestaande arbeid blijven we de rol van fluïdumstroom bestuderen de positieve elektrode van het vloeibare metaal batterij die ontstaat door thermische en elektromagnetische krachten. Temperatuurgradiënten rijden convectieve stroming door drijfvermogen, en batterij stroom aandrijving stroom door interactie met de geïnduceerd door het beslag magneetveldeny stroming zelf. In experimenten met de hierna beschreven werkwijzen, zijn we stromingen met Reynoldsgetal 50 <Re <200, gerekend vanaf de elektrode diepte en wortel van het gemiddelde kwadratische snelheid waargenomen. Een grondige experimentele karakterisering wordt uitgevoerd en zal de resulterende set gegevens gebruiken om voorspellende batterij modellen bouwen. De focus van dit manuscript is op de experimentele ontwerp en de procedures die nodig zijn om deze gegevens te produceren. Ultrasound velocimetry voorziet het merendeel van de metingen en de testomstandigheden moet zorgvuldig worden gecontroleerd om ultrageluid succes gebruikt in vloeibaar metaal. Hoge temperatuur, chemische activiteit, en elektrische geleidbaarheid moeten allemaal zorgvuldig worden beheerd.

Ten eerste vloeibaar metaal batterijen noodzakelijkerwijs bij hoge temperaturen, omdat zowel metalen en het zout dat hen scheidt moet gesmolten zijn. Een veelbelovende materiaalkeuze die lithium gebruikt als negatieve elektrode, lood-antimoon positieve electrode en een eutectisch mengsel van lithiumzouten als elektrolyt vereist temperaturen rond 550 ° C. Het meten van de stroming van een ondoorzichtige vloeistof bij dergelijke hoge temperaturen is heel moeilijk. Hoge temperatuur ultrageluidtransducers, die de gevoelige elektro-akoestische componenten van de testvloeistof te scheiden met een akoestische golfgeleider aangetoond ¹⁵ en gecommercialiseerd. Omdat de omzetters hebben tussenschakeldemping nabij 40 dB, en vanwege de algemene moeilijkheid die bij dergelijke temperaturen, een surrogaat systeem is gekozen eerste studie: vloeibaar metaal batterij kan ook gebruik worden gemaakt van natrium als de negatieve elektrode, eutectische 44% lood 56% bismut (hierna ePbBi) als de positieve elektrode, en een drievoudige eutectische mengsel van natriumzouten (10% natriumjodide, 38% natriumhydroxide, 52% natriumamide) als elektrolyt. Een dergelijke batterij volledig gesmolten boven 127 ° C, waardoor het veel meer vatbaar voor laboratoriumonderzoek. Omdat zij bestaat uit drie vloeibarelagen gescheiden door de dichtheid, is onderworpen aan dezelfde fysica andere vloeibare metaal batterijen. En het is compatibel met gemakkelijk beschikbare ultrasone transducers, die bestand is tegen 230 ° C, omvatten geen golfgeleider verliezen en veel minder kost dan een hoge temperatuur transducers. Deze experimenten vinden doorgaans bij 150 ° C. Bij die temperatuur, ePbBi heeft viscositeit ν = 2,79 x 10 ^-7 m ² / sec, thermische diffusie κ = 6,15 x 10 ^-6 m ² / sec, en magnetische diffusie η = 0,8591 m ² / sec, zodanig dat de Prandtl nummer Pr = ν / κ = 4,53 x 10 ^-2 en zijn magnetische Prandtl nummer is Pm = ν / η = 3,24 x 10 ^-7.

Hoewel deze lage temperatuur vloeibaar metaal accu chemie maakt stroom studies veel gemakkelijker dan ze in warmere batterijen zou zijn, moet de temperatuur echter zorgvuldig worden beheerd. Omdat het delicate elektro-akoestische apparaten, ultrasound transducers zijn susceptible beschadigd door thermische schok en dus geleidelijk worden verwarmd. Hoogwaardige ultrasone metingen vereisen ook voorzichtig temperatuurregeling. Ultrasound velocimetry werkt als sonar, zoals weergegeven in figuur 1: de transducer een geluidssignaal (hier, de frequentie 8 MHz), luistert dan naar echo. Door het meten van de vluchttijd van de echo, kan de afstand tot de echo lichaam worden berekend, en door meting van de Doppler-verschuiving van de echo, kan een snelheidscomponent van het lichaam ook berekend. In water moet tracer deeltjes worden toegevoegd aan echo's produceren, maar geen tracer deeltjes vereist in vloeibare metalen, een feit dat niet is begrepen in detail, maar wordt meestal toegeschreven aan de aanwezigheid van kleine metaaloxidedeeltjes. Elke meting is een gemiddelde over alle tracer deeltjes in een verhoor volume; in dit werk zijn minimale diameter 2 mm, op een afstand 30 mm van de probe. Hoewel oxidatie kan uiteindelijk duur te beperken experimenten gebruik the werkwijzen hieronder beschreven, hebben we continu gemeten, zolang 8 uur.

Berekening Afstand en snelheid vereist kennis van de geluidssnelheid in de testvloeistof en die snelheid varieert met de temperatuur. Het hier beschreven werk richt zich op stroming in de ePbBi negatieve elektrode, waarbij de geluidssnelheid 1766 m / s bij 150 ° C, 1765 m / s bij 160 ° C en 1767 m / s bij 140 ° C ^19. Zo inadequate temperatuurregeling zou systematische fouten te introduceren in de ultrasone metingen. Een inrichting werd gebouwd op de geluidssnelheid in ePbBi meten vinden waarden consistent met de gepubliceerde en aanvaard door de Nuclear Energy Agency ¹⁹ (zie hieronder). Tenslotte, aangezien de thermische convectie is de belangrijkste factor van de stroom vloeibaar metaal in batterijen, zowel de gemiddelde temperatuur en het temperatuurverschil tussen de bovenkant en onderkant van de ePbBi elektrode direct invloed waarnemingen. Voor consistente resultaten, precieze thermischeis essentieel.

Dienovereenkomstig wordt de temperatuur continu gemeten met ten minste drie K-type thermokoppels, inloggen de meting daarvan elektronisch met een gecomputeriseerd acquisitieapparaat en een op maat geschreven LabView programma. Het programma controleert ook de voeding die accustroom biedt, via een USB-aansluiting; logt de batterij stroom en spanning; en stuurt triggerpulsen op de ultrasone instrument, zodat de gegevens kunnen worden gesynchroniseerd met de andere metingen. Een systeem is afgebeeld in figuur 2. Warmte wordt geleverd door een op maat gemaakte oven (ook getoond in figuur 2), waarbij twee 500-W industriële weerstanden aangedreven door een relais geschakeld door een proportioneel-integraal-differentiaal bevat (PID) controller. De bodemplaat die batterijcellen ondersteunt is gemaakt van massief aluminium; omdat de thermische geleidbaarheid is een orde van grootte hoger dan de thermische geleidbaarheid van het roestvast steel batterijcel vaartuig en ePbBi deze ¹⁹ bevat, de temperatuur van de oven vloer ongeveer uniform is. Bovendien is de aluminium basis fungeert als een pad voor de elektrische stroom die door de elektrode. De elektrische geleidbaarheid is een orde van grootte hoger dan die van roestvrij staal of ePbBi, zodat de spanning van de oven vloer is ongeveer uniform is. Isolerende poten scheiden de uitvalsbasis van de bank top hieronder, het voorkomen van brandwonden en shorts. De zijkanten van de accu vat worden geïsoleerd met silica keramische isolatie, gesneden om het schip nauwkeurig passen, maar laat ruimte voor toegang ultrasound poort van de cel. Tenslotte, een polytetrafluorethyleen (PTFE) klep isoleert de cel boven en houdt de negatieve stroom collector en thermokoppels zijn plaats. Hoewel commercieel verkrijgbare kookplaten de voor deze experimenten temperaturen kunnen bewerkstelligen wordt klantspecifieke oven handhaaft temperatuur met een orde van grootte minder variatie, eennd ook stelt ons in staat om warmte energie direct te meten.

Naast de problemen in verband met de temperatuur, er problemen verbonden aan chemische activiteit. Bij 150 ° C, een ePbBi positieve elektrode chemisch compatibel met vele gangbare materialen. Een natrium negatieve elektrode, maar tast vele materialen, oxideert gemakkelijk, en reageert heftig met vocht. Een lithium negatieve elektrode is ook agressief, vooral omdat op basis van lithium vloeibaar metaal batterijen bij veel hogere temperaturen lopen meestal. Hoewel deze hogere temperatuur systemen buiten de reikwijdte van dit werk veel van dezelfde maatregelen voor het beheer chemische activiteit worden hier gebruikt in deze systemen. Alle experimenten beschreven plaatsvinden in een met argon gevulde handschoenkast die slechts sporen van zuurstof of vocht. De batterij vat is gemaakt van aluminium 304 roestvrij staal, die minimaal aantast zelfs met lithium bij 550 ° C. De thermokoppels en negatieve stroomcollector zijn ook gemaakt van roestvrij staal. De geometrie schip is gekozen om schepen voor de elektrochemische testen van vloeibaar metaal batterijen te passen, om zo goed mogelijk te modelleren van de systemen die worden gecommercialiseerd. Het vat, weergegeven in figuur 2, is cilindrisch met een 88,9 mm binnendiameter en 67 mm diepte. Alle vaatwanden zijn 6,4 mm dik. Het vat verschilt van die waarop eerdere experimenten echter, dat deze een echo-poort. De poort passeert de zijwand langs een horizontale doorsnede van de cilinder en het midden van de poort 6,6 mm boven de vloer vat. De poort is 8 mm in diameter tot een 8 mm ultrasone transducer geschikt en afdichtingen rond de transducer met een swage. In deze experimenten werd het vloeibare metaal elektrode net diep genoeg om de ultrasone transducer, typisch 13 mm bestrijken.

Om de sterke ultrasone signalen te bereiken, vereist een goede akoestische transmissietussen de ultrasone transducer en het fluïdum dat probes (ePbBi). Maximaal akoestisch vermogen wordt overgebracht wanneer de akoestische impedantie van de transductor materiaal en de testvloeistof identiek; wanneer de impedantie verschillen signalen lijden. Het plaatsen van een ultrasone transductor in direct contact met schoon ePbBi (mogelijk gemaakt door de bovenbeschreven poort) biedt volop signaal vaak uren achtereen. Metaaloxiden echter zeer verschillende impedantie, en kunnen ook interfereren met bevochtiging door het veranderen van de oppervlaktespanning. Als de ePbBi hoofdzaak geoxideerd, ultrasone signalen afneemt en snel verdwijnen. Ook een inerte atmosfeer essentieel. Als sporen van zuurstof veroorzaakt enige oxydatie echter, wordt het oppervlak van het metaaloxide magere alvorens ePbBi in de batterij vat.

Tenslotte, deze experimenten huidige uitdagingen door de aanwezigheid van elektrische stroom. Hoewel de stromingen zijn onze centrale wetenschappelijke en technologische interest, ze zijn groot genoeg (30 A) om schade te veroorzaken bij verkeerd gerouteerd. Geaarde thermokoppels zorgen dat schadelijke elektrische stromen niet door de data-acquisitie apparaat of de computer die het ondersteunt, omdat geaarde thermokoppels hebben geen interne elektrische aansluiting van de beschermende omhulsel om ofwel signaal draad. Eveneens is het essentieel om geaarde ultrasone transducers (Signal-Processing SA, TR0805LTH) om te voorkomen zwerfstroom beschadigt de waardevolle ultrasone instrument (Signal-Processing SA, DOP 3010). Zoals eerder vermeld, de bodem van de oven dient om elektrische stroom te geleiden, en voorts elektrisch geïsoleerd van zijn omgeving zijn.

In het ePbBi elektrode stroom veroorzaakt ohmse verwarming mogelijk verstoren van de temperatuur. Zo moet de automatische thermische controle systeem in staat zijn aan te passen aan veranderingen in de warmte-inbreng. Figuur 3 toont hoe de temperatuur van de ePbBi elektrode varieert als curhuur stroomt, en hoe de PID regelaar past compenseren. Handhaving constante temperatuur met grote stromen (50 A = 800 mA / cm) zouden extra koeling vereisen, maar op lagere stroomsterktes realistischer vloeibare metaal batterijen in industriële toepassingen (typisch 17 A = 275 mA / cm ^1), de controller in staat ter compensatie van ohmse verwarming ingedrukt temperatuurverschil tot 2 ° C.