Sink-ceriumbatteri

Diagram over det oppdelte batteriet.

Sink-ceriumbatteriet er en type redoks-flytbatteri som ble utviklet av Plurion Inc. (Storbritannia) på 2000-tallet.[1][2] I dette oppladbare batteriet sirkuleres både negativ sink og positive ceriumelektrolytter gjennom en elektrokjemisk strømningsreaktor under drift og lagres i to separate reservoarer. Negative og positive elektrolyttrom i den elektrokjemiske reaktoren er atskilt med en kationbyttermembran, vanligvis Nafion (DuPont). Ce (III)/Ce (IV) og Zn (II)/Zn redoksreaksjonene finner sted ved henholdsvis de positive og negative elektrodene. Siden sink er galvanisert under ladning ved den negative elektroden, er dette systemet klassifisert som et hybridstrømsbatteri. I motsetning til sink-brom- og sink-klor-redoksbatterier, er det ikke behov for kondenseringsanordning for å oppløse halogengasser. Reagensene som brukes i sink-cerium-systemet er betydelig billigere enn de som brukes i vanadium-strømningsbatteriet.

På grunn av de høye standardelektrodepotensialene til både sink- og ceriumredoksreaksjoner i vandige medier, er cellespenningen med åpen krets så høy som 2,43 V.[1] Blant de andre foreslåtte oppladbare vannbaserte batterisystemene, har dette systemet den største cellespenningen, og dens effekttetthet per elektrodeområde er det andre mot H2-Br2-strømbatteriet.[3] Metansulfonsyre brukes som bærende elektrolytt, da det tillater høye konsentrasjoner av både sink og cerium; løseligheten til de tilsvarende metansulfonatene er 2,1 M for Zn,[4] 2,4 M for Ce (III) og opptil 1,0 M for Ce (IV).[5] Metansulfonsyre er spesielt godt egnet for industrielle elektrokjemiske applikasjoner og anses å være et grønt alternativ til andre støtteelektrolytter.[4]

Zn-Ce-strømningsbatteriet er fortsatt i tidlige utviklingsstadier. Den viktigste teknologiske utfordringen er kontroll av ineffektivitet og selvutladning (Zn-korrosjon via hydrogenutvikling) ved den negative elektroden. I kommersielle termer øker behovet for dyre Pt-Ti-elektroder kapitalkostnadene for systemet sammenlignet med andre RFB-er.

Cellekjemi

Ved den negative elektroden (anoden) galvaniseres sink og strippes på karbonpolymerelektrodene under henholdsvis ladning og utladning.[6][7][8]

Ved den positive elektroden (katoden) (titanbaserte materialer eller karbonfiltelektrode) vil Ce (III) oksidasjon og Ce (IV) reduksjon under henholdsvis ladning og utladning.[9][10]

På grunn av den store cellespenningen, kunne hydrogen (0 V vs. SHE) og oksygen (+1,23 V vs. SHE) utvikle seg teoretisk som sidereaksjoner under batteridrift (spesielt ved lading).[11] Den positive elektrolytten er en løsning av cerium(III)metansulfonat.

Referanser

  1. ^ a b R.L. Clarke, B.J. Dougherty, S. Harrison, P.J. Millington, S. Mohanta (2004). Cerium Batteries. US 2004/ 0202925 A1. 
  2. ^ R.L. Clarke, B.J. Dougherty, S. Harrison, J.P. Millington, S. Mohanta (2005). Battery with bifunctional electrolyte. US 2006/0063065 A1. 
  3. ^ Leung, P.K.; Ponce de León, C.; Low, C.T.J.; Walsh, F.C. (Februar 2011). «Ce(III)/Ce(IV) in methanesulfonic acid as the positive half cell of a redox flow battery». Electrochimica Acta. 5 (på engelsk). 56: 2145–2153. doi:10.1016/j.electacta.2010.12.038. Besøkt 25. februar 2021. 
  4. ^ a b Gernon, Michael D.; Wu, Min; Buszta, Thomas; Janney, Patrick (1999). «Environmental benefits of methanesulfonic acid». Green Chemistry. 3. 1: 127–140. doi:10.1039/a900157c. Besøkt 25. februar 2021. 
  5. ^ Kreh, Robert P.; Spotnitz, Robert M.; Lundquist, Joseph T. (Mars 1989). «Mediated electrochemical synthesis of aromatic aldehydes, ketones, and quinones using ceric methanesulfonate». The Journal of Organic Chemistry. 7 (på engelsk). 54: 1526–1531. ISSN 0022-3263. doi:10.1021/jo00268a010. Besøkt 25. februar 2021. 
  6. ^ Nikiforidis, Georgios; Berlouis, Léonard; Hall, David; Hodgson, David (15. mai 2012). «Evaluation of carbon composite materials for the negative electrode in the zinc–cerium redox flow cell». Journal of Power Sources (på engelsk). 206: 497–503. ISSN 0378-7753. doi:10.1016/j.jpowsour.2011.01.036. Besøkt 25. februar 2021. 
  7. ^ Nikiforidis, Georgios; Berlouis, Léonard; Hall, David; Hodgson, David (Desember 2013). «A study of different carbon composite materials for the negative half-cell reaction of the zinc cerium hybrid redox flow cell». Electrochimica Acta (på engelsk). 113: 412–423. doi:10.1016/j.electacta.2013.09.061. Besøkt 25. februar 2021. 
  8. ^ Leung, P.K.; Ponce-de-León, C.; Low, C.T.J.; Walsh, F.C. (Juli 2011). «Zinc deposition and dissolution in methanesulfonic acid onto a carbon composite electrode as the negative electrode reactions in a hybrid redox flow battery». Electrochimica Acta. 18 (på engelsk). 56: 6536–6546. doi:10.1016/j.electacta.2011.04.111. Besøkt 25. februar 2021. 
  9. ^ Xie, Zhipeng; Zhou, Debi; Xiong, Fengjiao; Zhang, Shimin; Huang, Kelong (1. juni 2011). «Cerium-zinc redox flow battery: Positive half-cell electrolyte studies». Journal of Rare Earths. 6 (på engelsk). 29: 567–573. ISSN 1002-0721. doi:10.1016/S1002-0721(10)60499-1. Besøkt 25. februar 2021. 
  10. ^ Nikiforidis, Georgios; Berlouis, Léonard; Hall, David; Hodgson, David (April 2014). «Charge/discharge cycles on Pt and Pt-Ir based electrodes for the positive side of the Zinc-Cerium hybrid redox flow battery». Electrochimica Acta (på engelsk). 125: 176–182. doi:10.1016/j.electacta.2014.01.075. Besøkt 25. februar 2021. 
  11. ^ Nikiforidis, Georgios; Berlouis, Léonard; Hall, David; Hodgson, David (Desember 2013). «Impact of electrolyte composition on the performance of the zinc–cerium redox flow battery system». Journal of Power Sources (på engelsk). 243: 691–698. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.06.045. Besøkt 25. februar 2021.