Sink-seriy batareyasi - Zinc–cerium battery - Wikipedia

Bo'lingan sink-seriyum oksidlanish-qaytarilish batareyasining diagrammasi

Sink-seriyum batareyalari ning bir turi oksidlanish-qaytarilish oqimi birinchi marta 2000-yillar davomida Plurion Inc. (Buyuk Britaniya) tomonidan ishlab chiqilgan.[1][2] Bunda qayta zaryadlanuvchi batareya, ikkalasi ham salbiy rux va ijobiy seriy elektrolitlar ish paytida elektrokimyoviy oqim reaktori bo'lsa ham aylanadi va ikkita ajratilgan suv omborlarida saqlanadi. Elektrokimyoviy reaktorda salbiy va ijobiy elektrolitlar bo'linmalari, odatda, kation almashinadigan membrana bilan ajralib turadi Nafion (DuPont ). Ce (III) / Ce (IV) va Zn (II) / Zn oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalari navbati bilan musbat va manfiy elektrodlarda sodir bo'ladi. Sink bo'lgani uchun elektrokaplangan manfiy elektroddagi zaryad paytida ushbu tizim gibrid oqim batareyasi deb tasniflanadi. Dan farqli o'laroq sink-brom va rux-xlor oksidlanish-qaytarilish batareyalari, halogen gazlarni eritishi uchun kondensatlash moslamasi kerak emas. Sink-seriy tizimida ishlatiladigan reaktivlar vanadiy oqimi batareyasida ishlatilgandan ancha arzon.

Suvli muhitda sink va seriy oksidlanish-qaytarilish reaksiyalarining yuqori standart elektrod potentsiallari tufayli ochiq zanjirli hujayra kuchlanishi 2,43 V ga teng.[1] Boshqa taklif qilinadigan qayta zaryadlanadigan suvli suvlar orasida oqim batareyasi Ushbu tizim eng katta hujayra voltajiga ega va uning elektrod maydonidagi quvvat zichligi H2-Br2 oqim akkumulyatoridan keyin ikkinchi o'rinda turadi.[3] Metansülfonik kislota qo'llab-quvvatlovchi elektrolit sifatida ishlatiladi, chunki u sink va seriyning yuqori konsentratsiyasini ta'minlaydi; tegishli metansulfonatlarning eruvchanligi Zn uchun 2,1 M,[4] Ce (III) uchun 2,4 M va Ce (IV) uchun 1,0 M gacha.[5] Metansülfonik kislota, ayniqsa, sanoat elektrokimyoviy dasturlar uchun juda mos keladi va boshqa qo'llab-quvvatlovchi elektrolitlar uchun yashil alternativ hisoblanadi.[4]

Zn-Ce oqim batareyasi hali ham rivojlanishning dastlabki bosqichida. Asosiy texnologik muammo - bu salbiy elektrodda samarasizlikni va o'z-o'zidan chiqishni (vodorod evolyutsiyasi orqali Zn korroziyasi) boshqarish. Tijorat nuqtai nazaridan, qimmat Pt-Ti elektrodlariga bo'lgan ehtiyoj boshqa RFBlarga nisbatan tizimning kapital narxini oshiradi.

Hujayra kimyosi

Salbiy elektrodda (anotda) galvanik va zaryadsizlanish paytida rux elektrolizlanadi va uglerod polimer elektrodlarida tozalanadi.[6][7][8]

Zn2+(aq) + 2e− ⇌ Zn(lar)
(-0.76 V va boshqalar U)

Ijobiy elektrodda (katodda) (titan asosidagi materiallar yoki uglerodli namat elektrodlari) zaryad va zaryadsizlanish paytida navbati bilan Ce (III) oksidlanish va Ce (IV) kamayadi.[9][10]

Ce4+(aq) - e− E Ce3+(aq)
(taxminan +1.44 V va boshqalar U)

Hujayraning katta kuchlanishi tufayli vodorod (0 V va boshqalar U) va kislorod (+1,23 V va boshqalar SHE) nazariy jihatdan rivojlanishi mumkin, chunki batareyaning ishlashi paytida yon reaktsiyalar (ayniqsa zaryad olayotganda).[11] Ijobiy elektrolit - ning eritmasi seriy (III) metansulfonat.

Tarix va rivojlanish

Sink-seriy oksidlanish-qaytarilish batareyasi birinchi marta Klark va uning hamkasblari tomonidan 2004 yilda taklif qilingan,[1][2] Plurion Inc. (Buyuk Britaniya) ning asosiy texnologiyasi bo'lgan. 2008 yilda Plurion Inc. likvidlik inqirozini boshdan kechirdi va 2010 yilda tugatilayotgan edi va 2012 yilda kompaniya rasmiy ravishda tarqatib yuborildi. Ammo Plurion Inc kompaniyasining dastlabki patentlarida tasvirlangan eksperimental sharoitlar va zaryadlarni zaryadsizlantirish ko'rsatkichlari to'g'risidagi ma'lumotlar cheklangan. 2010 yildan beri elektrokimyoviy xususiyatlar va sink-seriyum oksidlanish-qaytarilish batareyasining xarakteristikasi tadqiqotchilar tomonidan aniqlandi. Sautgempton va Strathclyde Universitetlar. Davomida zaryadlash / tushirish davrlari 50 mA sm−2, sink-seriyum oksidlanish-qaytarilish akkumulyatorining kulombik va kuchlanish samaradorligi mos ravishda 92 va 68% ni tashkil etdi.[12] 2011 yilda siqilgan uglerodli musbat elektroddan foydalangan holda kislotasi past konsentratsiyali elektrolitga asoslangan membranasiz (bo'linmagan) sink-seriyum tizimi taklif qilindi. Chiqish xujayrasi kuchlanishi va energiya samaradorligi mos ravishda 2,1 V va 75% ni tashkil etgan. Bunday bo'linmagan konfiguratsiya bilan (bitta elektrolitlar bo'limi), seriy va kislotaning past konsentratsiyasida o'z-o'zidan tushirish nisbatan sekin edi.[13][14] Sink-seriy oksidlanish-qaytarilish batareyasining asosiy o'rnatilishi> 2 kVt quvvatga ega sinov qurilmasi bo'ldi Glenrothes, Shotlandiya, Plurion Inc. tomonidan o'rnatilgan, aralash yarim kislotali elektrolitlardan musbat yarim hujayra uchun foydalanish seriy oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasining kinetikasini oshirish vositasi sifatida Noyob Yer resurslaridan foydalanish bo'yicha davlat kalit laboratoriyasida va Tszansi Fan va Texnologiya Universitetida o'rganilgan. , Xitoy.[15][16] Platina-iridiy qoplamalari batareyaning ijobiy elektrodlari sifatida eng yaxshi ko'rsatkichni ko'rsatdi, ammo platina elektrodlariga qaraganda arzonroq.[17] Tizimning zaryadsizlanishi oldindan simulyatsiya qilingan.[18] Aralash kislotalar bo'yicha tadqiqotlar davom etmoqda va xlorid kislota konsentratsiyasining pastligi seryum reaktsiyasining elektrokimyoviy ta'sirini yaxshilashi mumkinligi, nitrat kislota qo'shimchalari esa salbiy natijalarga olib kelishi aniqlandi.[19] Ierarxik gözenekli uglerod, ijobiy elektrod, laboratoriya miqyosidagi tajribalarda uglerod his qilganiga qaraganda yaxshi ishlashga ega.[20] Hull xujayrasi yordamida salbiy elektroddagi sink elektrodepozitsiyasi o'rganildi.[21] Uglerod qog'ozi ijobiy elektrod uchun muqobil material sifatida ham o'rganilgan.[22] Grafen oksidi-grafitli kompozitlar seriyning musbat elektrolitdagi reaktsiyasi uchun yaxshiroq katalitik elektrod materiali sifatida ba'zi bir umidlarni ko'rsatdi.[23] Shunga o'xshash seriy-qo'rg'oshinli RFB taklif qilingan.[24] Oddiy grafitlangan uglerodga alternativ sifatida indiy modifikatsiyalangan elektrodlar salbiy elektrodlar sifatida taklif qilingan.[25] Zn-Ce tizimi bu kislotadan sulfat kislotaga yaxshi alternativ sifatida boshqa oqim batareyalariga foydalanishni joriy qildi. Zn-Ce birlik oqim xujayrasi uchun hujayra potentsiali va oqim zichligi o'rtasidagi bog'liqlik taxmin qilingan.[26] Bu batareyaning kuchlanishidagi termodinamik, kinetik va ohmik komponentlarning hissasini ratsionalizatsiya qilishga va elektrodlararo bo'shliqning kuchayib borishini ta'sirini baholashga imkon berdi.

Yaqinda Zn-Ce batareyasining rivojlanishi qayta ko'rib chiqildi,[27] shuningdek, seriyni konversiyalashning elektrokimyoviy texnologiyasi sanoat dasturlari uchun,[28] energiya saqlash, yadroviy zararsizlantirish, bilvosita organik sintez, xavfli organik moddalarni yo'q qilish va gazni tozalashni o'z ichiga oladi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b v R. Klark, BJ Dougherty, S. Harrison, PJ, Millington, S., Mohanta, AQSh, 2004/0202925 A1, seriyum batareyalari, (2004).
  2. ^ a b R. Klark, BJ Dougherty, S. Harrison, JP Millington, S. Mohanta, AQSh 2006/0063065 A1, Ikki funktsional elektrolitli akkumulyator, (2005).
  3. ^ Leung, P.K .; Ponse-de-Leon, C .; Past, C.J.T .; Uolsh, F.C. (2011). "Metoksülfonik kislota tarkibidagi Ce (III) / Ce (IV) oksidlanish-qaytarilish batareyasining ijobiy yarim xujayrasi sifatida". Electrochimica Acta. 56 (5): 2145–2153. doi:10.1016 / j.electacta.2010.12.038.
  4. ^ a b Gernon, M. D .; Vu, M.; Buszta, T .; Janney, P. (1999). "Metansülfonik kislotaning ekologik foydalari: qiyosiy xususiyatlari va afzalliklari". Yashil kimyo. 1 (3): 127–140. doi:10.1039 / a900157c.
  5. ^ Kreh, R.P.; Spotnits, RM.; Lundquist, J.T. (1989). "Keramik metansulfonat yordamida aromatik aldegidlar, ketonlar va kinonlarni vositachiligida elektrokimyoviy sintez qilish". Organik kimyo jurnali. 54 (7): 1526–1531. doi:10.1021 / jo00268a010.
  6. ^ Nikiforidis, G.; Berlou, L .; Xoll, D .; Xojson, D. (2012). "Sink-seriy oksidlanish-qaytarilish katakchasidagi salbiy elektrod uchun uglerod kompozit materiallarini baholash". Quvvat manbalari jurnali. 206: 497–503. doi:10.1016 / j.jpowsour.2011.01.036.
  7. ^ Nikiforidis, G.; Berlou, L .; Xoll, D .; Xojson, D. (2013). "Sink seriy gibrid oksidlanish-qaytarilish oqim hujayrasining salbiy yarim hujayrali reaktsiyasi uchun turli xil uglerodli kompozit materiallarni o'rganish". Electrochimica Acta. 113: 412–423. doi:10.1016 / j.electacta.2013.09.061.
  8. ^ Leung, P.K .; Ponse-de-Leon, C .; Past, C.T.J .; Uolsh, F.C. (2011). "Gibrid oksidlanish-qaytarilish akkumulyatoridagi salbiy elektrod reaktsiyalari sifatida uglerodli kompozit elektrodga metansulfonik kislota tarkibida ruxning cho'kishi va erishi". Electrochimica Acta. 56 (18): 6536–6546. doi:10.1016 / j.electacta.2011.04.111.
  9. ^ Xie, Z .; Chjou, D .; Xiong, F.; Chjan, S .; Huang, K. (2011). "Seryum-sink oksidlanish-qaytarilish batareyasi: Ijobiy yarim hujayrali elektrolitlar tadqiqotlari". Noyob Yerlar jurnali. 29 (6): 567–573. doi:10.1016 / S1002-0721 (10) 60499-1.
  10. ^ Nikiforidis, G.; Berlou, L .; Xoll, D .; Xojson, D. (2014). "Sink-seriy gibrid oksidlanish-qaytarilish oqimi batareyasining ijobiy tomoni uchun Pt va Pt-Ir asosidagi elektrodlarda zaryad / razryad tsikllari". Electrochimica Acta. 125: 176–182. doi:10.1016 / j.electacta.2014.01.075.
  11. ^ Nikiforidis, G.; Berlou, L .; Xoll, D .; Xojson, D. (2013). "Elektrolitlar tarkibining sinketsiyum oksidlanish-qaytarilish oqimi batareyasi tizimining ishlashiga ta'siri". Quvvat manbalari jurnali. 243: 691–698. doi:10.1016 / j.jpowsour.2013.06.045.
  12. ^ Leung, P.K .; Ponse-de-Leon, C .; Past, C.T.J .; Shoh, A.A.; Uolsh, F.C. (2011). "Sink-seriy oqimi batareyasining xarakteristikasi". Quvvat manbalari jurnali. 196 (11): 5174–5185. doi:10.1016 / j.jpowsour.2011.01.095.
  13. ^ Leung, P.K .; Pons-de-Leon, K.; Uolsh, F.C. (2011). "Xona haroratida (295 K) ishlaydigan bo'linmagan sink-seriyum oksidlanish-qaytarilish batareyasi" ". Elektrokimyo aloqalari. 13 (8): 770–773. doi:10.1016 / j.elecom.2011.04.011.
  14. ^ Leung, P.K .; Ponse-de-Leon, C .; Uolsh, F.C. (2012). "Operatsion parametrlarining bo'linmagan sink-seriyali oqim batareyasining ishlashiga ta'siri". Electrochimica Acta. 80: 7–14. doi:10.1016 / j.electacta.2012.06.074.
  15. ^ Xie, Z .; Xiong, F.; Chjou, D. (2011). "Oksidlanish-qaytarilish batareyasini ishlatish uchun aralash kislota muhitida (CH3SO3H va H2SO4) Ce3 + / Ce4 + oksidlanish-qaytarilish juftligini o'rganish". Energiya va yoqilg'i. 25 (5): 2399–2404. doi:10.1021 / ef200354b.
  16. ^ Xie, Z .; Liu, Q .; Chang, Z .; Chjan, X. (2013). "Energiya saqlash uchun seriy-seriy oksidlanish-qaytarilish batareyasidagi seriy yarim hujayrasining rivojlanishi va muammolari". Electrochimica Acta. 90: 695–704. doi:10.1016 / j.electacta.2012.12.066.
  17. ^ Nikiforidis, G.; Berlou, L .; Xoll, D .; Xojson, D. (2014). "Sink-seriy gibrid oksidlanish-qaytarilish batareyasining ijobiy elektrod tomonidagi elektrokimyoviy tadqiq". Electrochimica Acta. 115: 621–629. doi:10.1016 / j.electacta.2013.09.081.
  18. ^ Xolllar, J.E .; Hawthornthwaite, A .; Xepvort, RJ .; Roberts, N.A.; Rayt, K.J .; Chjou, Y .; Xasuell, S.J .; Xeyvud, S.K .; Kelly, S.M .; Lourens, N.S .; Vadxavan, JD (2013). "Aqlli tarmoqni kuchaytirish: oksidlanish-qaytarilish batareyalarini qayta tiklanadigan energiya tizimlariga energiya yig'ish uchun moslashtirish mumkinmi?" (PDF). Energiya va atrof-muhit fanlari. 6 (3): 1026. doi:10.1039 / c3ee23708g. hdl:10536 / DRO / DU: 30063527.
  19. ^ Nikiforidis, G.; Daud, VA (2014). "Aralash kislota muhitining gibrid sink-seriy oksidlanish-qaytarilish batareyasining ijobiy tomoniga ta'siri". Electrochimica Acta. 141: 255–262. doi:10.1016 / j.electacta.2014.06.142.
  20. ^ Xie, Z .; Yang, B .; Kay, D.; Yang, L. (2014). "Zamonaviy sink-seriy oksidlanish-qaytarilish batareyasida samarali katodga nisbatan ierarxik gözenekli uglerod". Noyob Yerlar jurnali. 32 (10): 973–978. doi:10.1016 / S1002-0721 (14) 60171-X.
  21. ^ Nikiforidis, G.; Kartrayt, R .; Xojson, D .; Xoll, D .; Berlouis, L. (2014). "Zn-Ce oksidlanish-qaytarilish batareyasining ishlashiga ta'sir qiluvchi omillar" (PDF). Electrochimica Acta. 140: 139–144. doi:10.1016 / j.electacta.2014.04.150.
  22. ^ Nikiforidis, G.; Syan, Y .; Daud, VA (2015). "Sink-seriy oqimi batareyasi uchun seriy metansülfonat elektrolitlarida uglerod qog'ozining elektrokimyoviy harakati". Electrochimica Acta. 157: 274–281. doi:10.1016 / j.electacta.2014.11.134.
  23. ^ Xie, Z .; Yang, B .; Yang, L .; Xu, X.; Kay, D.; Chen, J .; Chen, Y .; U, Y .; Li, Y .; Chjou, X. (2015). "Grafen oksidini grafitga qo'shib, yuqori darajadagi sink-seriy oksidlanish-qaytarilish batareyasi uchun samarali musbat elektrodga yo'naltirish". Qattiq jismlar elektrokimyosi jurnali. 19 (11): 3339–3345. doi:10.1007 / s10008-015-2958-9. S2CID  93129998.
  24. ^ Na, Z.; Xu, S .; Yin, D .; Vang, L (2015). "Metesulfonik kislota elektrolitini ishlatadigan seriy-qo'rg'oshin oksidlanish-qaytarilish oqimi tizimi". Quvvat manbalari jurnali. 295: 28–32. doi:10.1016 / j.jpowsour.2015.06.115.
  25. ^ Nikiforidis, G.; Daud, VA (2015). "Sink-seriy oksidlanish-qaytarilish batareyasi uchun tarkibida metansulfonat elektrolitlari bo'lgan yuqori ruxdagi indiyum modifikatsiyalangan grafit elektrodlari". Electrochimica Acta. 168: 394–402. doi:10.1016 / j.electacta.2015.03.118.
  26. ^ Arenas, L.F .; Uolsh, FK .; de Leon, C. (2015). "Zn-Ce gibrid oqim batareyalarining hujayra potentsiali uchun hujayra geometriyasi va elektrolit xususiyatlarining ahamiyati". Elektrokimyoviy jamiyat jurnali. 163 (1): A5170-A5179. doi:10.1149 / 2.0261601jes.
  27. ^ Uolsh, Frank S.; Ponce de Leon, Karlos; Berlou, Len; Nikiforidis, Jorj; Arenas-Martines, Luis F.; Xojson, Devid; Xoll, Devid (2015). "Energiyani saqlash uchun Zn-Ce gibrid oksidlanish-qaytarilish batareyalarini yaratish va ularning doimiy muammolari" (PDF). ChemPlusChem. 80 (2): 288–311. doi:10.1002 / cplu.201402103.
  28. ^ Arenas, L.F .; Ponse-de-Leon, C .; Uolsh, F.C. (2016). "Eriydigan seriy turlari ishtirokidagi elektrokimyoviy oksidlanish-qaytarilish jarayonlari" (PDF). Electrochimica Acta. 205: 226–247. doi:10.1016 / j.electacta.2016.04.062.

Tashqi havolalar

  • [1] Sautgempton universiteti tadqiqot loyihasi: Sink-seriy oksidlanish-qaytarilish xujayralari batareyalari
  • [2] AQSh Energetika vazirligining energiya saqlash ustaxonasi uchun oqim xujayralari