Jump to content

Цинк-цериевый аккумулятор

Схема разделенной проточной цинк-цериевой окислительно-восстановительной батареи

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 ]
  1. ^ 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).
  2. ^ 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).
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 .
  26. ^ 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 .
  27. ^ 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 .
  28. ^ 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 .
[ редактировать ]
  • [1] Исследовательский проект Саутгемптонского университета: цинк-цериевые проточные батареи с окислительно-восстановительными элементами.
  • [2] Семинар Министерства энергетики США по проточным ячейкам для хранения энергии.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: fb2f03da1b2ebf5588b7dec9480a9f61__1699239420
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/fb/61/fb2f03da1b2ebf5588b7dec9480a9f61.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Zinc–cerium battery - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)