Батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия - Vanadium redox battery

Схематическое изображение системы ванадиевых проточных батарей с окислительно-восстановительным потенциалом

Контейнерная проточная ванадиевая батарея емкостью 1 МВт 4 МВтч, принадлежащая Avista Utilities и производимая UniEnergy Technologies

Проточная батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия, расположенная в Университете Нового Южного Уэльса, Сидней, Австралия.

Ванадия окислительно - восстановительная батарея (ВРБ), также известная как батареи потока ванадия (ДПД) или ванадий батарея окислительно - восстановительный поток (VRFB), представляет собой тип аккумуляторной батареи потока , который использует ванадий ионов в различных состояниях окисления для хранения химической потенциальной энергии. Батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия использует способность ванадия существовать в растворе в четырех различных степенях окисления и использует это свойство для создания батареи, которая имеет только один электроактивный элемент вместо двух. По нескольким причинам, включая их относительную громоздкость, большинство ванадиевых батарей в настоящее время используются для хранения энергии в сети , т. Е. Присоединяются к электростанциям или электрическим сетям.

Возможность создания ванадиевой батареи изучалась Писсуртом в 1930-х годах, исследователями НАСА в 1970-х, а также Пеллегри и Спазианте в 1970-х, но ни один из них не смог продемонстрировать эту технологию. Мария Скиллас-Казакос из Университета Нового Южного Уэльса в 1980-х годах впервые успешно продемонстрировала проточную батарею, полностью состоящую из ванадия и в которой использовался ванадий в растворе серной кислоты . В ее конструкции использовались электролиты серной кислоты, и она была запатентована Университетом Нового Южного Уэльса в Австралии в 1986 году.

Многие компании и организации участвуют в финансировании и разработке ванадиевых окислительно-восстановительных батарей.

Преимущества перед другими типами батарей

Основные преимущества ванадиевых окислительно-восстановительных батарей заключаются в том, что они могут обеспечивать практически неограниченную энергоемкость просто за счет использования емкостей для хранения электролита большего размера; его можно оставлять полностью разряженным на длительное время без каких-либо побочных эффектов; если электролиты случайно смешаны, аккумулятор не будет поврежден; единое состояние заряда между двумя электролитами позволяет избежать снижения емкости из-за наличия одного элемента в непроточных батареях; электролит водный, безопасный и негорючий; а рецептура поколения 3 с использованием смешанного раствора кислоты, разработанная Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, работает в более широком диапазоне температур, обеспечивая пассивное охлаждение. VRFB могут использоваться при глубине разряда (DOD) около 90% и более, то есть более глубоких DOD, чем у твердотельных батарей (например, литиевые и натриевые батареи, которые обычно указываются с DOD = 80%). Кроме того, VRFB демонстрируют очень длительный срок службы: большинство производителей указывают срок службы, превышающий 15 000-20 000 циклов заряда / разряда. Эти значения намного превышают срок службы твердотельных батарей, который обычно составляет порядка 4000-5000 циклов заряда / разряда. Следовательно, приведенная стоимость энергии (LCOE, т. Е. Стоимость системы, деленная на полезную энергию, срок службы цикла и эффективность приема-передачи) существующих систем VRFB обычно составляет порядка нескольких десятков центов или евро, намного ниже, чем LCOE эквивалентных твердотельных батарей, и близки к целевым показателям 0,05 и 0,05 евро, заявленным Министерством энергетики США и Планом стратегических энергетических технологий (SET) Европейской комиссии, соответственно.

Недостатки от других типов батарей

Основными недостатками ванадиевой окислительно-восстановительной технологии являются относительно низкое соотношение энергии к объему по сравнению со стандартными аккумуляторными батареями и относительно низкая эффективность приема-передачи . Кроме того, водный электролит делает аккумулятор тяжелым и поэтому пригоден только для стационарных применений. Еще один недостаток - относительно высокая токсичность оксидов ванадия (см. Ванадий § Безопасность ).

Операция

Схема ванадиевой проточной батареи

Батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия состоит из набора силовых элементов, в которых два электролита разделены протонообменной мембраной . Электроды в ячейке VRB сделаны на основе углерода; наиболее распространенными типами являются углеродный войлок, копировальная бумага, углеродная ткань и графитовый войлок. В последнее время электроды на основе углеродных нанотрубок вызвали заметный интерес со стороны научного сообщества. Оба электролитов являются ванадиевой основой, электролит в положительных полуэлементах содержит VO ₂ ⁺ и VO ²⁺ ионы, электролит в отрицательных полуволнах клеток, V ³⁺ и V ²⁺ ионов. Электролиты могут быть получены любым из нескольких способов, включая электролитическое растворение пятиокиси ванадия (V ₂ O ₅ ) в серной кислоте (H ₂ SO ₄ ). Раствор остается сильно кислым при использовании.

В ванадиевых батареях оба полуэлемента дополнительно подключены к резервуарам для хранения и насосам, так что очень большие объемы электролитов могут циркулировать через элемент. Такая циркуляция жидких электролитов несколько обременительна и ограничивает использование проточных ванадиевых батарей в мобильных приложениях, эффективно ограничивая их использование в крупных стационарных установках.

Когда ванадиевая батарея заряжается, ионы VO ²⁺ в положительном полуэлементе преобразуются в ионы VO ₂ ⁺ , когда электроны удаляются с положительного вывода батареи. Аналогичным образом в отрицательную полуячейку вводятся электроны, преобразующие ионы V ³⁺ в V ²⁺ . Во время разряда этот процесс меняется на противоположный и приводит к типичному напряжению холостого хода 1,41 В при 25 ° C.

Половина реакции положительного электрода (катода) равна

${\ Displaystyle {\ ce {VO2 + + 2H + + e- <=> VO ^ 2 + + H2O}}}$

Полуреакция отрицательного электрода (анода) равна

${\ displaystyle {\ ce {V ^ 2 + <=> V ^ 3 + + e ^ -}}}$

Полная реакция (слева направо: разрядка, справа налево: зарядка)

${\ Displaystyle {\ ce {VO2 + + 2H + + V ^ 2 + <=> VO ^ 2 + + H2O + V ^ 3 +}}}$

Обратите внимание, что протон должен переноситься через клеточную мембрану, когда электрон переносится между электродами, чтобы поддерживать нейтральность заряда.

Другими полезными свойствами проточных ванадиевых батарей являются их очень быстрая реакция на изменение нагрузки и их чрезвычайно большая перегрузочная способность. Исследования Университета Нового Южного Уэльса показали, что они могут достичь времени отклика менее половины миллисекунды при 100% изменении нагрузки и допускают перегрузки до 400% в течение 10 секунд. Время отклика в основном ограничено электрическим оборудованием. Если они специально не предназначены для более холодного или теплого климата, большинство ванадиевых батарей на основе серной кислоты работают только при температуре от 10 до 40 ° C. Ниже этого диапазона температур происходит кристаллизация серной кислоты, насыщенной ионами. Эффективность приема-передачи в практических приложениях составляет около 65–75%.

Предлагаемые улучшения

Ванадиевые окислительно-восстановительные батареи второго поколения ( ванадий / бром ) могут примерно удвоить плотность энергии и увеличить диапазон температур, в котором батарея может работать. Ванадий / бром и другие системы на основе ванадия также снизить стоимость ванадия окислительно - восстановительных батарей путем замены ванадия в положительном или отрицательном электролите более дешевыми альтернативами , такие как церий.

Удельная энергия и плотность энергии

В настоящее время производимые ванадиевые окислительно-восстановительные батареи достигают удельной энергии около 20 Втч / кг (72 кДж / кг) электролита. Более поздние исследования, проведенные в UNSW, показывают, что использование ингибиторов осаждения может повысить плотность примерно до 35 Вт · ч / кг (126 кДж / кг), причем даже более высокие плотности стали возможными благодаря контролю температуры электролита. Эта удельная энергия довольно низка по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей (например, свинцово-кислотные, 30-40 Втч / кг (108-144 кДж / кг) и литий-ионные, 80-200 Втч / кг (288-720 кДж / кг). кг)).

Приложения

Чрезвычайно большая емкость, возможная от ванадиевых окислительно-восстановительных батарей, делает их хорошо подходящими для использования в больших накопителях энергии, таких как помощь в усреднении производства сильно изменяющихся источников генерации, таких как энергия ветра или солнца, помогая генераторам справляться с большими скачками спроса или выравниванием из предложения / спроса в регионе с ограничениями по передаче.

Ограниченные характеристики саморазряда ванадиевых окислительно-восстановительных батарей делают их полезными в приложениях, где батареи должны храниться в течение длительных периодов времени с минимальным обслуживанием, сохраняя при этом состояние готовности. Это привело к их применению в некоторой военной электронике, такой как компоненты датчиков минной системы GATOR . Их способность полностью циклично работать и оставаться на уровне 0% заряда, что делает их подходящими для приложений солнечной энергии + хранения, где батарея должна начинать каждый день пустой и наполняться в зависимости от нагрузки и погоды. Литий-ионные аккумуляторы , например, обычно повреждаются, когда им позволяют разрядиться ниже 20% уровня заряда, поэтому они обычно работают только от 20% до 100%, то есть они используют только 80% своей емкости.

Их чрезвычайно быстрое время отклика также делает их превосходно подходящими для источников бесперебойного питания (ИБП), где они могут использоваться для замены свинцово-кислотных аккумуляторов и даже дизельных генераторов. Кроме того, быстрое время отклика делает их подходящими для частотного регулирования. Кроме того, эти возможности делают ванадиевые окислительно-восстановительные батареи эффективным комплексным решением для микросетей, которые зависят от надежной работы, частотного регулирования и имеют потребность в переключении нагрузки (либо от высокой степени проникновения возобновляемых источников энергии, либо от сильно изменяющейся нагрузки, либо от желания оптимизировать КПД генератора за счет смещения во времени).

Крупнейшие сетчатые ванадиевые батареи

Ванадиевая окислительно-восстановительная батарея мощностью 200 МВт, 800 МВт / ч (4 часа) строится в Китае; ожидалось, что он будет завершен к 2018 году, а первая очередь мощностью 250 кВт / 1 МВтч была введена в эксплуатацию в конце 2018 года.

Компании, финансирующие или разрабатывающие ванадиевые окислительно-восстановительные батареи

Компании включают UniEnergy Technologies , StorEn Technologies, Largo Energy и Ashlawn Energy в США; H2 в Южной Корее; Технология динамики возобновляемых источников энергии, Invinity Energy и VoltStorage в Европе; Prudent Energy в Китае; Австралийский ванадий в Австралии; Совместное предприятие EverFlow Energy SABIC SCHMID Group в Саудовской Аравии и Bushveld Minerals в Южной Африке.

Смотрите также

• Список типов батарей
• Батарея полисульфида бромида
• Электрическая батарея
• Топливная ячейка
• Хранилище энергии

использованная литература

Дополнительные ссылки

• Презентационный документ с конференции IEEE летом 2001 г.
• Сайт UNSW по ванадиевым батареям
• Отчет World Energy
• Мировая карта глобальных месторождений ванадия Геология ванадия довольно необычна по сравнению с рудным телом цветных металлов.
• «Аккумуляторы с улучшенным окислительно-восстановительным потоком для электромобилей» . ScienceDaily / Fraunhofer-Gesellschaft . 13 октября 2009 . Проверено 21 июня 2014 .

внешние ссылки

• Разработки VRFB в UNSW
• VRB во всем2
• Потребность в накоплении энергии окислительно-восстановительного потенциала ванадия в ветряных генераторах Чистое производство электроэнергии из всех форм возобновляемых источников энергии в Америке увеличилось более чем на 15% в период с 2005 по 2009 год.
• RedT и Avalon объединились в Invinity Energy Systems, мирового лидера в производстве ванадиевых батарей.