Измерение скорости ультразвука в жидкости металлический электрод

Жидкий металл батареи перспективная технология для обеспечения крупномасштабного хранения энергии на электрических сетях по всему миру ^1. Эти батареи обеспечивают высокую плотность энергии, высокая плотность мощности, длительный срок службы и низкая стоимость, что делает их идеальными для сетки шкалы хранения энергии ^3. Представляя металлические батареи жидкость в энергосистему позволит пиковой нагрузки, повышения стабильности сетки, а также включить более широкое использование прерывистых возобновляемых источников, таких как энергия солнца, ветра, приливов и отливов власти. Жидкий металл батареи состоит из двух жидких металлических электродов, разделенных с расплавленной солью электролита, как описано более подробно в предшествующей работе ^1. Хотя многие различные комбинации металлов и электролита может привести к рабочей металла батареи с жидким, принципы работы остаются неизменными. Металлы выбраны так, что энергетически выгодно, чтобы они образуют сплав; Таким образом, легирование разряжает батарею, и де-легирования обвинения он. СаLt слой выбирают таким образом, что она позволяет ионы металла проходит между двумя электродами, но блоки транспортировки нейтральных частиц, тем самым получая электрохимический контроль над системой.

Эта работа будет продвигаться жидкости технологии металлов батареи, количественной оценки и управления транспортных эффекты массы. Методы, описанные здесь, сообщил электрохимических методов, разработанных для жидких батарей металла Sadoway др. ^1-4, а также ранее жидкого металла батареи работать в Аргоннской национальной лаборатории ^5,6, и работу в более широком электрохимической сообщества (Бард и Фолкнера ⁷ предоставляют множество соответствующих ссылок). Методы, описанные здесь, также основываться на предыдущих исследованиях гидродинамики. Ультразвук велосиметрия был разработан и впервые использован в воде ^8,9 и с тех пор применяется для жидких металлов, включая галлия, натрия ^{10,11 12,13,} ртути ^14, свинец-висмут ^15, меди и олова ^{15 <}/ SUP>, и свинцово-литий ^16, среди других. Эккерт и др. Обеспечивают полезный обзор велосиметрии в жидких металлах ^17.

Последние работы, используя методы, аналогичные описанным здесь ¹⁸ показал, что токи батареи может повысить перенос массы в жидких металлических электродов. Потому что перенос массы в положительном электроде лимитирующей стадией в заряда и разряда батарей металлических жидких, смешивая, следовательно, позволяет быстрее заряда и разряда, чем это было бы возможно. Кроме того смешивание препятствует локальных неоднородностей в электроде, которые могут образовывать твердые частицы, которые ограничивают срок службы батареи. В текущей работе, мы продолжаем изучать роль течения жидкости в положительном электроде жидкого металла батареи, которая возникает из-за тепловых и электромагнитных сил. Температурные градиенты езды конвективный поток через плавучести, и токи батареи привод поток, взаимодействуя с магнитными полями, вызванными тестоСами у токи. В экспериментах с использованием методов, описанных ниже, мы наблюдали потоки с числом Рейнольдса Re <50 <200, рассчитанной из глубины электрода и корень среднеквадратичной скорости. Тщательной экспериментальной характеристика ведется и будет использовать результирующий набор данных, чтобы построить прогнозирующие модели аккумуляторов. В центре внимания этой рукописи на опытно-конструкторские и процедур, необходимых для получения таких данных. Ультразвук велосиметрия обеспечивает основную часть измерений и экспериментальные условия должны быть тщательно контролируется для того, чтобы успешно использовать ультразвук в жидком металле. Высокая температура, химическая активность, и электропроводность все должны быть тщательно управлять.

Во-первых, металлические батареи жидкие обязательно работают при высокой температуре, так как металлы и соли, которая отделяет их должно быть в расплавленном состоянии. Одним из перспективных выбор материалов, который использует литий в качестве отрицательного электрода, свинца-сурьмы в качестве положительного ElecTrode и эвтектической смеси солей лития в качестве электролита, требует температуры приблизительно 550 ° С. Измерение расхода непрозрачной жидкости при таких высоких температурах достаточно сложно. Ультразвуковые преобразователи высокой температуры, которые отделяют тонкие электро-акустические компоненты от испытательной жидкости с акустического волновода, были продемонстрированы ¹⁵ и коммерциализации. Однако, поскольку эти преобразователи имеют вносимые потери около 40 дБ, а из-за общей сложности работы при таких температурах, суррогатной система была выбрана для начального обучения: жидкий металл батареи также могут быть получены с использованием натрия в качестве отрицательного электрода, эвтектики 44% приводит 56% висмута (далее ePbBi) в качестве положительного электрода, и тройной эвтектическую смесь натриевых солей (10% йодида натрия, 38% гидроксида натрия, 52%) амид натрия в качестве электролита. Такой аккумулятор полностью расплавленный выше 127 ° С, что делает его гораздо более пригодным для лабораторного исследования. Потому что он состоит из трех жидкостислои, разделенные плотности, оно подлежит той же физики, как других жидких металлических батарей. И оно совместимо с легкодоступных ультразвуковых преобразователей, которые рассчитаны на 230 ° C, не включают каких-либо потерь волновода, а стоимость намного меньше, чем высокотемпературных преобразователей. Эти эксперименты, как правило, имеют место при 150 ° С. При этой температуре, ePbBi имеет вязкость ν = 2,79 · 10 ^-7 м ² / с, коэффициент температуропроводности κ = 6,15 х 10 ^-6 м ² / с, и магнитной диффузии η = 0,8591 м ² / сек, таким образом, что его число Прандтля Pr = ν / κ = 4,53 х 10 ^-2 и его магнитное число Прандтля Pm = ν / η = 3,24 х 10 ^-7.

Хотя это низкотемпературная химия металла аккумуляторная жидкость делает исследования потока намного легче, чем они были бы в более жарких батарей, температура, тем не менее, должны быть тщательно управлять. Будучи деликатных электроакустических устройств, ультразвуковые преобразователи susceptiblе повредить термическим ударом, и, следовательно, должны быть постепенно нагревают. Измерения с высоким качеством ультразвуковые также требуют тщательного регулирования температуры. Ультразвук велосиметрия работает как сонара, как показано на рисунке 1: датчик подает звуковой сигнал (здесь, частота 8 МГц), затем слушает эхо. Измеряя время полета эхо, расстояние до гулкой тела может быть рассчитана, и измерения доплеровского сдвига эха, один компонент скорости тела также может быть рассчитана. В воде, трассирующие частицы должны быть добавлены для получения эхо, но не маркерные частицы не требуется в жидких металлах, факт, который не понял в деталях, но, как правило, объясняется присутствием небольших частиц оксида металла. Каждое измерение в среднем по всем частицам трассирующих в томе допросов; В этой работе, его минимальный диаметр 2 мм, на расстоянии 30 мм от зонда. Хотя окисление может в конечном итоге ограничивает продолжительность эксперимента, используя йМетоды е описано ниже, мы провели измерения непрерывно до тех пор, как 8 часов.

Расчет либо расстояние или скорость, требуется знать скорость звука в жидкости для испытания, и что скорость зависит от температуры. Работа описано здесь фокусируется на поток в ePbBi отрицательного электрода, где скорость звука 1766 м / с при 150 ° С, 1,765 м / сек при 160 ° С, и 1,767 м / сек при 140 ° С ^19. Таким образом, недостаточный контроль температуры будет ввести систематические ошибки в измерениях ультразвуковых. Устройство построено для измерения скорости звука в ePbBi, находя значения в соответствии с данными, опубликованными и приняты Агентством по ядерной энергии ¹⁹ (см. Ниже) Наконец, так как тепловая конвекция является основным фактором, определяющим течение в жидких металлических батарей, и средняя температура и разность температур между верхней и нижней части электрода ePbBi непосредственно влияют наблюдения. Для получения стабильных результатов, точный тепловойконтроль имеет важное значение.

Соответственно, температура измеряется постоянно, по крайней мере трех термопар K-типа, вход их измерения в электронном виде с компьютера на основе устройства сбора и специально написанный программы LabView. Программа также контролирует источник питания, который обеспечивает ток батареи, с помощью соединения USB; регистрирует ток батареи и напряжения; и посылает импульсы управления ультразвуковым прибором, таким образом, что его данные могут быть синхронизированы с другими измерениями. Схема системы показана на рисунке 2. Тепло обеспечивается заказного печи (также показано на рисунке 2), который содержит два 500 Вт промышленных нагревательных элементов питание от реле переключаются пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) Контроллер. Опорная плита, которая поддерживает элементы питания выполнен из твердого алюминия; потому что его теплопроводность на порядок выше, чем теплопроводность из нержавеющей стСудно клеток угря батареи и ePbBi он содержит ^19, температура пода печи примерно одинаковым. Кроме того алюминиевое основание удваивает как путь для электрических токов, проходящих через электрод. Его электропроводность также на порядок выше, чем у нержавеющей стали или ePbBi, так что напряжение пода печи также приблизительно равномерным. Изоляционные ноги отделить базу от скамейки топ ниже, предотвращая ожоги и шорты. Стороны батареи судна изолированы кремнезема керамической изоляцией, вырезать, чтобы соответствовать судно близко, но оставить место для доступа порт ультразвуковой клетки. Наконец, политетрафторэтилена (ПТФЭ) крышка изолирует клетки сверху и имеет отрицательный токоприемник и термопар на месте. Хотя коммерчески доступные конфорки можно достичь температуры, необходимые для этих экспериментов, наш обычай построен печи поддерживает температуру с на порядок меньшим изменением, вND также позволяет измерять тепловую энергию непосредственно.

В дополнение к проблемам, связанным с температурой, существуют проблемы, связанные с химической активности. В 150 ° C, положительный электрод ePbBi химически совместим со многими обычными материалами. Отрицательный электрод натрия, однако, разъедает многие материалы, легко окисляется, и энергично реагирует с влагой. Литий отрицательный электрод также агрессивным, особенно потому, что литиевые батареи на основе жидких металлов, как правило, работают на гораздо более высоких температурах. Хотя эти системы высшего температуры выходят за рамки данной работы, многие из тех же мер по управлению химической активностью используется здесь, как и в этих системах. Все эксперименты, описанные здесь состоится в заполненной аргоном перчаточного ящика, содержащего только следовые количества кислорода и влаги. Батарея сосуд изготовлен из сплава нержавеющей стали 304, который разъедает минимально даже с литием при 550 ° С. Термопары и отрицательный токКоллектор также сделаны из нержавеющей стали. Геометрия судно выбраны в соответствии суда, используемые для электрохимического тестирования металлических батарей жидких, моделировать как можно ближе системы, которые в настоящее время коммерциализации. Судно, показанное на рисунке 2, имеет цилиндрическую форму, с внутренним диаметром 88,9 мм и глубиной 67 мм. Все стенки сосудов толстые 6.4 мм. Судно отличается от тех, которые используются для более ранних экспериментах, однако, в том, что он имеет ультразвуковое порт. Порт проходит через боковую стенку вдоль горизонтального диаметра цилиндра, и центр порта составляет 6,6 мм над уровнем пола сосуда. Порт 8 мм в диаметре для размещения 8 мм ультразвуковой датчик, и уплотнение вокруг преобразователя с обжимки. В этих экспериментах, металлический электрод жидкость только достаточно глубоко, чтобы покрыть ультразвуковой преобразователь, типично 13 мм.

Для того, чтобы достичь сильные сигналы ультразвуковых, один требует хорошей акустической передачимежду ультразвуковым преобразователем и жидкости, котора зондов (ePbBi). Максимальная акустическая мощность передается, когда акустический импеданс материала преобразователя и испытательная среда идентичны; когда сопротивления отличаются сигналы страдать. Размещение ультразвуковой преобразователь в непосредственном контакте с чистой ePbBi (как стало возможным порта, описанной выше) обеспечивает достаточное сигнал, часто в течение нескольких часов за один раз. Оксиды металлов, однако, имеют очень разные сопротивления, а также может влиять на процесс увлажнения путем изменения поверхностного натяжения. Если ePbBi существенно окисляется, ультразвуковые сигналы деградировать и скоро исчезнет. Опять же, в атмосфере инертного имеет важное значение. Если следовые количества кислорода вызвать окисление, тем не менее, поверхность оксида металла обезжиренное перед передачей ePbBi в батарейный судна.

Наконец, эти эксперименты создает проблемы из-за наличия электрических токов. Хотя токи наш центральный научно-технологического междуТо есть, они достаточно (30) большой, чтобы причинить вред, если неправильно направляется. Необоснованные термопары гарантировать, чтобы вредная электрические токи не проходят через устройство сбора данных или компьютер, поддерживающий его, потому что необоснованные термопары не имеют внутреннего электрического соединения с защитной оболочкой для любой сигнального провода. Точно так же важно, чтобы использовать необоснованные ультразвуковые преобразователи (обработки сигнала SA, TR0805LTH), чтобы предотвратить блуждающих токов от повреждения ценное ультразвуковое инструмент (обработки сигнала SA, DOP 3010). Как упоминалось ранее, основание печи подают проводить электрический ток, а также должны быть электрически изолированы от окружающей среды.

В электродом ePbBi, ток вызывает омический нагрев, потенциально нарушая температуры. Таким образом, автоматизированная система терморегулирования должны быть в состоянии адаптироваться к изменениям на входе тепла. Рисунок 3 показывает, как температура электрода ePbBi изменяется текаренда течет через него, и как ПИД-регулятор регулирует чтобы компенсировать. Поддержание постоянной температуры с большими токами (50 = 800 мА / см) потребует дополнительного охлаждения, но при более низких токах более реалистичным для жидких батарей металлов в промышленных применений (как правило, 17 = 275 мА / см ^1), контроллер способен для компенсации омического нагрева и удерживайте изменение температуры до 2 ° C.