Цинк-цериевый аккумулятор

Цинк-цериевые батареи — это тип проточных окислительно-восстановительных батарей, впервые разработанный компанией Plurion Inc. (Великобритания) в 2000-х годах. [ 1 ] [ 2 ] В этой аккумуляторной батарее как отрицательный цинковый , так и положительный цериевый электролиты во время работы циркулируют через электрохимический проточный реактор и хранятся в двух отдельных резервуарах. Отсеки с отрицательным и положительным электролитом в электрохимическом реакторе разделены катионообменной мембраной, обычно нафионовой ( DuPont ). Окислительно-восстановительные реакции Ce(III)/Ce(IV) и Zn(II)/Zn протекают на положительном и отрицательном электродах соответственно. Поскольку цинк наносится гальваническим способом во время зарядки на отрицательном электроде, эта система классифицируется как гибридная проточная батарея. В отличие от проточных цинк-бромных и цинк-хлоровых окислительно-восстановительных батарей, для растворения галогенных газов не требуется конденсационное устройство. Реагенты, используемые в системе цинк-церий, значительно дешевле реагентов, используемых в проточной ванадиевой батарее.
Из-за высоких стандартных электродных потенциалов окислительно-восстановительных реакций цинка и церия в водных средах напряжение холостого хода элемента достигает 2,43 В. [ 1 ] Среди других предлагаемых систем проточных аккумуляторных батарей на водной основе эта система имеет самое большое напряжение элемента, а ее плотность мощности на площадь электрода уступает только проточной батарее H2-Br2. [ 3 ] Метансульфоновая кислота используется в качестве фонового электролита, поскольку она допускает высокие концентрации как цинка, так и церия; растворимость соответствующих метансульфонатов для Zn составляет 2,1 М, [ 4 ] 2,4 М для Ce(III) и до 1,0 М для Ce(IV). [ 5 ] Метансульфоновая кислота особенно хорошо подходит для промышленных электрохимических применений и считается экологически чистой альтернативой другим опорным электролитам. [ 4 ]
Проточная батарея Zn-Ce все еще находится на ранней стадии разработки. Основной технологической задачей является контроль неэффективности и саморазряда (коррозия цинка за счет выделения водорода) на отрицательном электроде. С коммерческой точки зрения необходимость в дорогих Pt-Ti электродах увеличивает капитальные затраты на систему по сравнению с другими RFB.
Клеточная химия
[ редактировать ]На отрицательном электроде (аноде) цинк наносится гальваническим способом и удаляется с электродов из углеродного полимера во время заряда и разряда соответственно. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
- Зн 2+ (вод) + 2е − ⇌ Цинк (с)
- (-0,76 В относительно ОНА)
На положительном электроде (катоде) (материалы на основе титана или электрод из углеродного войлока) во время заряда и разряда происходят окисление Ce(III) и восстановление Ce(IV) соответственно. [ 9 ] [ 10 ]
- Этот 4+ (столько же) + е − ⇌ Это 3+ (вода)
- (около +1,44 В против ОНА)
Из-за большого напряжения элемента водород (0 В по сравнению с SHE) и кислород (+1,23 В по сравнению с SHE) теоретически могут выделяться в качестве побочных реакций во время работы батареи (особенно при зарядке). [ 11 ] Положительным электролитом является раствор метансульфоната церия(III) .
История и развитие
[ редактировать ]Цинк-цериевая проточная окислительно-восстановительная батарея была впервые предложена Кларком и его коллегами в 2004 году. [ 1 ] [ 2 ] которая была основной технологией Plurion Inc. (Великобритания). В 2008 году Plurion Inc. пережила кризис ликвидности и находилась на стадии ликвидации в 2010 году, а компания была официально распущена в 2012 году. Однако информация об условиях эксперимента и характеристиках заряда-разряда, описанных в ранних патентах Plurion Inc., ограничена. С 2010-х годов электрохимические свойства и характеристики проточной цинк-цериевой окислительно-восстановительной батареи были определены исследователями из университетов Саутгемптона и Стратклайда . Во время циклов зарядки/разрядки при токе 50 мА см −2 Сообщалось, что кулоновский КПД и КПД по напряжению проточной цинк-цериевой окислительно-восстановительной батареи составили 92 и 68% соответственно. [ 12 ] В 2011 году была предложена безмембранная (неразделенная) система цинк-церий на основе электролита низкой концентрации с использованием сжатых кусочков положительного электрода из углеродного войлока. Сообщалось, что напряжение разрядной ячейки и энергоэффективность составляют примерно 2,1 В и 75% соответственно. При такой неразделенной конфигурации (один электролитный отсек) саморазряд был относительно медленным при низких концентрациях церия и кислоты. [ 13 ] [ 14 ] Основной установкой проточной цинк-цериевой окислительно-восстановительной батареи стала испытательная установка мощностью > 2 кВт в Гленротсе , Шотландия , установленная компанией Plurion Inc. Использование смешанных кислотных электролитов для положительной полуэлемента исследовалось как средство увеличения кинетики окислительно-восстановительная реакция церия в Государственной ключевой лаборатории по использованию редкоземельных ресурсов и Университете науки и технологий Цзянси, Китай. [ 15 ] [ 16 ] Платино-иридиевые покрытия показали наилучшие характеристики в качестве положительных электродов для аккумуляторов, при этом они дешевле платиновых электродов. [ 17 ] Предварительно смоделирован заряд-разряд системы. [ 18 ] Исследования смешанных кислот продолжаются, и было показано, что низкие концентрации соляной кислоты могут улучшить электрохимический отклик реакции церия, в то время как добавки азотной кислоты дали отрицательные результаты. [ 19 ] Иерархический пористый углерод в качестве положительного электрода показал лучшие результаты, чем углеродный войлок в экспериментах в лабораторном масштабе. [ 20 ] Электроосаждение цинка на отрицательном электроде изучали с использованием ячейки Халла. [ 21 ] Углеродная бумага также изучалась как альтернативный материал для положительного электрода. [ 22 ] Композиты оксида графена и графита показали некоторые перспективы в качестве лучшего каталитического электродного материала для реакции церия в положительном электролите. [ 23 ] Был предложен аналогичный RFB на основе церия и свинца. [ 24 ] Электроды, модифицированные индием, были предложены в качестве альтернативы обычному графитированному углероду в качестве отрицательных электродов. [ 25 ] Система Zn-Ce позволила использовать эту кислоту в других проточных батареях как лучшую альтернативу серной кислоте. Взаимосвязь между потенциалом ячейки и плотностью тока была оценена для элементарной проточной ячейки Zn-Ce. [ 26 ] Это позволило рационализировать вклад термодинамической, кинетической и омической составляющих напряжения батареи и оценить эффект увеличения межэлектродного промежутка.
Была рассмотрена разработка Zn-Ce батареи, [ 27 ] а также электрохимическая технология конверсии церия для промышленного применения, [ 28 ] которые включают хранение энергии, ядерную дезактивацию, непрямой органический синтез, уничтожение опасных органических веществ и очистку газов.
См. также
[ редактировать ]- Хранение энергии
- Балансировка нагрузки
- Проточная батарея
- Аккумуляторная батарея
- Батарея (электричество)
- Электрохимическая ячейка
- Список типов батарей
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Р. Л. Кларк, Б. Дж. Догерти, С. Харрисон, П. Дж. Миллингтон, С. Моханта, США, 2004/0202925 A1, Цериевые батареи, (2004).
- ^ Jump up to: а б Р. Л. Кларк, Б. Дж. Догерти, С. Харрисон, Дж. П. Миллингтон, С. Моханта, США 2006/0063065 A1, Батарея с бифункциональным электролитом, (2005).
- ^ Люнг, ПК; Понсе де Леон, К.; Низкий, CJT; Уолш, ФК (2011). «Ce (III) / Ce (IV) в метансульфоновой кислоте как положительная полуячейка проточной окислительно-восстановительной батареи». Электрохимика Акта . 56 (5): 2145–2153. дои : 10.1016/j.electacta.2010.12.038 .
- ^ Jump up to: а б Гернон, доктор медицины; Ву, М.; Буста, Т.; Дженни, П. (1999). «Экологическая польза метансульфокислоты: сравнительные свойства и преимущества». Зеленая химия . 1 (3): 127–140. дои : 10.1039/a900157c .
- ^ Крех, Р.П.; Спотниц, Р.М.; Лундквист, Дж. Т. (1989). «Опосредованный электрохимический синтез ароматических альдегидов, кетонов и хинонов с использованием метансульфоната церия». Журнал органической химии . 54 (7): 1526–1531. дои : 10.1021/jo00268a010 .
- ^ Никифоридис, Г.; Берлуи, Л.; Холл, Д.; Ходжсон, Д. (2012). «Оценка углеродных композиционных материалов для отрицательного электрода в проточной окислительно-восстановительной ячейке цинк-церий». Журнал источников энергии . 206 : 497–503. дои : 10.1016/j.jpowsour.2011.01.036 .
- ^ Никифоридис, Г.; Берлуи, Л.; Холл, Д.; Ходжсон, Д. (2013). «Исследование различных углеродных композитных материалов для реакции отрицательной полуячейки гибридной окислительно-восстановительной ячейки цинк-церий». Электрохимика Акта . 113 : 412–423. дои : 10.1016/j.electacta.2013.09.061 .
- ^ Люнг, ПК; Понсе де Леон, К.; Лоу, CTJ; Уолш, ФК (2011). «Отложение и растворение цинка в метансульфоновой кислоте на углеродном композитном электроде как реакции отрицательного электрода в гибридной проточной окислительно-восстановительной батарее». Электрохимика Акта . 56 (18): 6536–6546. дои : 10.1016/j.electacta.2011.04.111 .
- ^ Се, З.; Чжоу, Д.; Сюн, Ф.; Чжан, С.; Хуанг, К. (2011). «Церий-цинковая проточная окислительно-восстановительная батарея: исследования положительных электролитов полуэлементов». Журнал редких земель . 29 (6): 567–573. дои : 10.1016/S1002-0721(10)60499-1 .
- ^ Никифоридис, Г.; Берлуи, Л.; Холл, Д.; Ходжсон, Д. (2014). «Циклы зарядки/разрядки электродов на основе Pt и Pt-Ir для положительной стороны гибридной проточной цинк-цериевой батареи». Электрохимика Акта . 125 : 176–182. дои : 10.1016/j.electacta.2014.01.075 .
- ^ Никифоридис, Г.; Берлуи, Л.; Холл, Д.; Ходжсон, Д. (2013). «Влияние состава электролита на работу системы проточных цинкцериевых окислительно-восстановительных батарей». Журнал источников энергии . 243 : 691–698. дои : 10.1016/j.jpowsour.2013.06.045 .
- ^ Люнг, ПК; Понсе де Леон, К.; Лоу, CTJ; Шах, А.А.; Уолш, ФК (2011). «Характеристика проточной цинк-цериевой батареи». Журнал источников энергии . 196 (11): 5174–5185. дои : 10.1016/j.jpowsour.2011.01.095 .
- ^ Люнг, ПК; Понсе-де-Леон, К.; Уолш, ФК (2011). «Неразделенная цинк-цериевая окислительно-восстановительная батарея, работающая при комнатной температуре (295 К)». Электрохимические коммуникации . 13 (8): 770–773. дои : 10.1016/j.elecom.2011.04.011 .
- ^ Люнг, ПК; Понсе де Леон, К.; Уолш, ФК (2012). «Влияние эксплуатационных параметров на работоспособность неразделенной проточной цинк-цериевой батареи». Электрохимия Акта . 80 : 7–14. дои : 10.1016/j.electacta.2012.06.074 .
- ^ Се, З.; Сюн, Ф.; Чжоу, Д. (2011). «Исследование окислительно-восстановительной пары Ce3+/Ce4+ в смешанно-кислотных средах (CH3SO3H и H2SO4) для применения проточных окислительно-восстановительных батарей». Энергия и топливо . 25 (5): 2399–2404. дои : 10.1021/ef200354b .
- ^ Се, З.; Лю, К.; Чанг, З.; Чжан, X. (2013). «Разработки и проблемы цериевых полуэлементов в цинк-цериевых окислительно-восстановительных батареях для хранения энергии». Электрохимика Акта . 90 : 695–704. дои : 10.1016/j.electacta.2012.12.066 .
- ^ Никифоридис, Г.; Берлуи, Л.; Холл, Д.; Ходжсон, Д. (2014). «Электрохимическое исследование на стороне положительного электрода гибридной цинк-цериевой окислительно-восстановительной проточной батареи». Электрохимия Акта . 115 : 621–629. дои : 10.1016/j.electacta.2013.09.081 .
- ^ Холлс, Дж. Э.; Хоторнтвейт, А.; Хепворт, Р.Дж.; Робертс, Северная Каролина; Райт, К.Дж.; Чжоу, Ю.; Хасуэлл, SJ; Хейвуд, СК; Келли, С.М.; Лоуренс, Н.С.; Вадхаван, JD (2013). «Расширение возможностей интеллектуальной сети: можно ли использовать окислительно-восстановительные батареи в системах возобновляемой энергии для хранения энергии?» (PDF) . Энергетика и экология . 6 (3): 1026. дои : 10.1039/c3ee23708g . hdl : 10536/DRO/DU:30063527 .
- ^ Никифоридис, Г.; Дауд, Вашингтон (2014). «Влияние смешанных кислотных сред на положительную сторону гибридной проточной цинк-цериевой окислительно-восстановительной батареи». Электрохимика Акта . 141 : 255–262. дои : 10.1016/j.electacta.2014.06.142 .
- ^ Се, З.; Ян, Б.; Кай, Д.; Ян, Л. (2014). «Иерархический пористый углерод в направлении эффективного катода в усовершенствованной проточной цинк-цериевой окислительно-восстановительной батарее». Журнал редких земель . 32 (10): 973–978. дои : 10.1016/S1002-0721(14)60171-X .
- ^ Никифоридис, Г.; Картрайт, Р.; Ходжсон, Д.; Холл, Д.; Берлуи, Л. (2014). «Факторы, влияющие на производительность проточной окислительно-восстановительной батареи Zn-Ce» (PDF) . Электрохимика Акта . 140 : 139–144. дои : 10.1016/j.electacta.2014.04.150 .
- ^ Никифоридис, Г.; Сян, Ю.; Дауд, Вашингтон (2015). «Электрохимическое поведение копировальной бумаги на электролитах метансульфоната церия для проточных цинк-цериевых аккумуляторов». Электрохимика Акта . 157 : 274–281. дои : 10.1016/j.electacta.2014.11.134 .
- ^ Се, З.; Ян, Б.; Ян, Л.; Сюй, Х.; Кай, Д.; Чен, Дж.; Чен, Ю.; Привет.; Ли, Ю.; Чжоу, X. (2015). «Добавление оксида графена в графит для создания эффективного положительного электрода для усовершенствованной проточной цинк-цериевой окислительно-восстановительной батареи». Журнал электрохимии твердого тела . 19 (11): 3339–3345. дои : 10.1007/s10008-015-2958-9 . S2CID 93129998 .
- ^ На, З.; Сюй, С.; Инь, Д.; Ван, Л. (2015). «Система проточной церий-свинцовой окислительно-восстановительной батареи с использованием фонового электролита метансульфоновой кислоты». Журнал источников энергии . 295 : 28–32. дои : 10.1016/j.jpowsour.2015.06.115 .
- ^ Никифоридис, Г.; Дауд, Вашингтон (2015). «Индий-модифицированные графитовые электроды на метансульфонатном электролите с высоким содержанием цинка для проточных цинк-цериевых окислительно-восстановительных батарей». Электрохимика Акта . 168 : 394–402. дои : 10.1016/j.electacta.2015.03.118 .
- ^ Аренас, LF; Уолш, ФК; де Леон, К. (2015). «Важность геометрии ячеек и свойств электролита для потенциала ячеек гибридных проточных батарей Zn-Ce». Журнал Электрохимического общества . 163 (1): А5170–А5179. дои : 10.1149/2.0261601jes .
- ^ Уолш, Фрэнк С.; Понсе де Леон, Карлос; Берлуи, Лен; Никифоридис, Георгий; Аренас-Мартинес, Луис Ф.; Ходжсон, Дэвид; Холл, Дэвид (2014). «Разработка гибридных проточных окислительно-восстановительных батарей Zn-Ce для хранения энергии и их постоянные проблемы» (PDF) . ХимПлюсХим . 80 (2): 288–311. дои : 10.1002/cplu.201402103 .
- ^ Аренас, LF; Понсе де Леон, К.; Уолш, ФК (2016). «Электрохимические окислительно-восстановительные процессы с участием растворимых частиц церия» (PDF) . Электрохимика Акта . 205 : 226–247. дои : 10.1016/j.electacta.2016.04.062 .