Ванадиевая проточная батарея (VFB)

Привет, Вы узнаете о том , что такое ванадиевая проточная батарея, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое ванадиевая проточная батарея, vfb , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры.

Ванадиевая редокс-батарея (VRB), также известная как ванадиевая проточная батарея (VFB) или ванадиевая редокс-проточная батарея (VRFB), представляет собой тип перезаряжаемой проточной батареи , в которой в качестве носителей заряда используются ионы ванадия . Батарея использует способность ванадия существовать в растворе в четырех различных степенях окисления, что позволяет создать батарею с одним электроактивным элементом вместо двух.

По ряду причин, включая их относительную громоздкость, ванадиевые батареи обычно используются для хранения энергии в сети , то есть подключаются к электростанциям/электрическим сетям.

Многочисленные компании и организации участвуют в финансировании и разработке ванадиевых редокс-аккумуляторов.

Писсорт упомянул о возможности использования ванадиевых редокс-проточных батарей еще в 1930-х годах. Исследователи НАСА, а также Пеллегри и Спазианте последовали их примеру в 1970-х годах, но ни одному из них это не удалось. Мария Скиллас-Казакос представила первую успешную демонстрацию полностью ванадиевой редокс-проточной батареи, использующей растворенный ванадий в растворе серной кислоты , в 1980-х годах. Ее конструкция использовала электролиты на основе серной кислоты и была запатентована Университетом Нового Южного Уэльса в Австралии в 1986 году.

Одним из важных прорывов, достигнутых Скилласом-Казакосом и его коллегами, стала разработка ряда процессов получения ванадиевых электролитов с концентрацией более 1,5 М с использованием более дешевого, но нерастворимого пентоксида ванадия в качестве исходного материала. Эти процессы включали химическое и электрохимическое растворение и были запатентованы Университетом Нового Южного Уэльса в 1989 году. В течение 1990-х годов группа UNSW провела обширные исследования по выбору мембран , активации графитового войлока , изготовлению проводящих пластиковых биполярных электродов , характеристике и оптимизации электролитов, а также моделированию и симуляции. Несколько прототипов ванадиевых проточных батарей мощностью 1-5 кВт были собраны и протестированы в полевых условиях в солнечном доме в Таиланде и в электрической тележке для гольфа в UNSW .

Патенты и технология полностью ванадиевой проточной батареи UNSW были лицензированы компаниям Mitsubishi Chemical Corporation и Kashima-Kita Electric Power Corporation в середине 1990-х годов, а затем приобретены компанией Sumitomo Electric Industries, где в конце 1990-х и начале 2000-х годов были проведены обширные полевые испытания в широком диапазоне применений.

Для расширения диапазона рабочих температур батареи и предотвращения осаждения ванадия в электролите при температурах выше 40 °C в случае V(V) или ниже 10 °C в случае раствора отрицательной полуячейки, Скиллас-Казакос и его коллеги протестировали сотни органических и неорганических добавок в качестве потенциальных ингибиторов осаждения. Они обнаружили, что неорганические фосфатные и аммонийные соединения эффективно ингибируют осаждение 2 М растворов ванадия как в отрицательной, так и в положительной полуячейке при температурах 5 и 45 °C соответственно, и фосфат аммония был выбран в качестве наиболее эффективного стабилизирующего агента. Добавки аммония и фосфата были использованы для приготовления и тестирования 3 М ванадиевого электролита в проточной ячейке с превосходными результатами.

Количество патентных семейств и непатентных публикаций о различных типах химических составов проточных батарей по годам.

Основные преимущества VRFB перед другими типами батарей:

• Энергетическая и силовая мощности не связаны между собой и могут масштабироваться отдельно.
• Энергетическая емкость получается за счет хранения жидких электролитов, а не за счет самого элемента.
• Емкость можно увеличить, добавив больше элементов.
• может оставаться разряженным неограниченно долго без повреждений.
• Смешивание электролитов не вызывает необратимых повреждений.
• Единое зарядовое состояние во всех электролитах предотвращает снижение емкости.
• безопасный, негорючий водный электролит
• отсутствие шума и выбросов
• широкий диапазон рабочих температур, включая пассивное охлаждение
• Длительный срок службы при циклах зарядки/разрядки: 15 000–20 000 циклов и 10–20 лет.
• низкая приведенная стоимость (несколько десятков центов), приближающаяся к целевому показателю 0,05 доллара США, установленному Министерством энергетики США и Стратегическим планом энергетических технологий Европейской комиссии .

Основные недостатки VRFB по сравнению с другими типами батарей:

• Высокие и нестабильные цены на ванадиевые минералы (т. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . е. стоимость энергии для ванадиевых проточных аккумуляторов).
• относительно низкая эффективность преобразования энергии в электрическую (по сравнению с литий-ионными батареями ).
• большой вес водного электролита
• относительно низкое соотношение энергии к объему по сравнению со стандартными аккумуляторными батареями
• насосы, имеющие подвижные части, обеспечивают поток электролитного раствора.
• токсичность соединений ванадия (V).

Схема ванадиевой проточной редокс-батареи.

Растворы сульфатов ванадия в четырех различных степенях окисления ванадия.

В ванадиевых проточных батареях используются различные типы графитовых каналов для подачи жидкости. Слева направо: прямоугольные каналы, прямоугольные каналы с распределителем потока, чередующиеся каналы и змеевидные каналы.

Электроды в ячейке VRB изготовлены на основе углерода. Сообщалось о нескольких типах углеродных электродов, используемых в ячейках VRB, таких как углеродный войлок, углеродная бумага, углеродная ткань и графитовый войлок. Углеродсодержащие материалы обладают преимуществами низкой стоимости, низкого удельного сопротивления и хорошей стабильности. Среди них углеродный и графитовый войлок предпочтительны из-за их улучшенной трехмерной сетевой структуры и большей удельной площади поверхности, а также хорошей проводимости и химической и электрохимической стабильности.

Исходный электрод на основе углерода проявляет гидрофобность и ограниченную каталитическую активность при взаимодействии с соединениями ванадия. Для повышения его каталитической эффективности и смачиваемости были использованы различные подходы, включая термическую обработку, кислотную обработку, электрохимическую модификацию и включение катализаторов. Углеродный войлок обычно получают путем пиролиза полиакрилонитрила (ПАН) или вискозных волокон при температуре приблизительно 1500 °C и 1400 °C соответственно. Графитовый войлок, с другой стороны, подвергается пиролизу при более высокой температуре около 2400 °C. Для термической активации войлочных электродов материал нагревают до 400 °C в атмосфере воздуха или кислорода. Этот процесс значительно увеличивает площадь поверхности войлока, повышая ее в 10 раз. Активность по отношению к соединениям ванадия объясняется увеличением количества кислородсодержащих функциональных групп, таких как карбонильная группа (C=O) и карбоксильная группа (CO), после термической обработки на воздухе. Многие другие модификации поверхности показали улучшение активности, например, оксид графена и полианилин . В настоящее время нет единого мнения относительно конкретных функциональных групп и механизмов реакции, которые определяют взаимодействие соединений ванадия на поверхности электрода. Было высказано предположение, что реакция V(II)/V(III) протекает по внутрисферному механизму, в то время как реакция V(IV)/V(V) протекает по внешнесферному механизму.

Оба электролита основаны на ванадии . Электролит в положительных полуэлементах содержит VO.+2и ионы VO 2+ , тогда как электролит в отрицательных полуэлементах состоит из ионов V 3+ и V 2+ . Электролиты могут быть приготовлены несколькими способами, включая электролитическое растворение пентоксида ванадия (V 2 O 5 ) в серной кислоте (H 2 SO 4 ). Раствор при использовании является сильнокислотным.

Мембрана должна пропускать протоны, сохраняя при этом электроны и другие ионы раздельными. Это создает разделение зарядов и, следовательно, напряжение. Наиболее распространенным материалом мембраны является перфторированная сульфоновая кислота (PFSA или Nafion ). Однако ионы ванадия могут проникать через мембрану PFSA, явление, известное как «пересечение», что снижает энергетическую емкость батареи. Исследование 2021 года показало, что проникновение снижается при использовании гибридных листов, полученных путем выращивания наночастиц триоксида вольфрама на поверхности однослойных листов оксида графена. Затем эти гибридные листы встраиваются в сэндвич-структурированную мембрану PFSA, армированную политетрафторэтиленом (тефлоном). Наночастицы также способствуют переносу протонов, обеспечивая высокую кулоновскую эффективность и энергетическую эффективность более 98,1% и 88,9% соответственно.

Резистивные потери, выявленные по поляризационной кривой, можно отнести к трем основным областям: потери активации, омические потери и потери массопереноса . Потери активации возникают из-за медленной кинетики переноса заряда между поверхностью электрода и электролитом. Омические потери обусловлены омическим сопротивлением электролита, электрода, мембраны и токосъемника. Омические потери можно уменьшить за счет улучшения конструкции ячейки, например, за счет конструкции ячейки с нулевым зазором и уменьшения толщины мембраны. Потери массопереноса обусловлены недостатком активных частиц ванадия, переносимых к поверхности электрода. Конструкция поля потока, способствующая конвективному массопереносу, имеет решающее значение для снижения потерь массопереноса. Змеевидные и чередующиеся конструкции поля потока были получены путем механической обработки биполярной пластины, прилегающей к пористому электроду. Войлочный электрод также можно разрезать для создания канала потока электролита. Было показано, что как змеевидные, так и чередующиеся потоковые поля улучшают массоперенос, что снижает поляризацию массопереноса и, следовательно, увеличивает предельную плотность тока и пиковую плотность мощности. Иногда в ячейку помещают дозаторы потока для распределения потока и уменьшения струй. Потоковое поле также должно быть спроектировано таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение электролита для предотвращения застойных зон в ячейке и уменьшения перепада давления на блоке ячеек.

Циклическая вольтаммограмма раствора ванадия (IV) в растворе серной кислоты

Реакция использует полуреакции :

ВО+2+ 2H + + e − → VO 2+ + H 2 O ( E° = +1,00 В )

V 3+ + е − → V 2+ ( E° = −0,26 В )

Другие полезные свойства ванадиевых проточных батарей — это их быстрая реакция на изменение нагрузки и перегрузочная способность. Они могут достигать времени отклика менее половины миллисекунды при 100% изменении нагрузки и допускать перегрузки до 400% в течение 10 секунд. Время отклика в основном ограничено электрическим оборудованием. Если батареи не предназначены специально для более холодного или более теплого климата, большинство ванадиевых батарей на основе серной кислоты работают в диапазоне температур от 10 до 40 °C. Ниже этого температурного диапазона серная кислота, насыщенная ионами, кристаллизуется. КПД полного цикла в практических приложениях составляет около 70–80%.

В первоначальной конструкции VRFB, разработанной Скилласом-Казакосом, в качестве единственного аниона в растворах VRFB использовался сульфат (добавляемый в виде сульфата(ов) ванадия и серной кислоты), что ограничивало максимальную концентрацию ионов ванадия до 1,7 М. В 1990-х годах Скиллас-Казакос обнаружил использование фосфата аммония и других неорганических соединений в качестве ингибиторов осаждения для стабилизации 2 М растворов ванадия в диапазоне температур от 5 до 45 °C, и в 1993 году Университет Нового Южного Уэльса подал заявку на патент на стабилизирующий агент. Однако это открытие было в значительной степени упущено из виду, и примерно в 2010 году группа из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории предложила смешанный сульфатно -хлоридный электролит, который позволил использовать его в растворах VRFB с концентрацией ванадия 2,5 М в полном диапазоне температур от −20 до +50 °C. Исходя из стандартного равновесного потенциала пары V 5+ /V 4+ , ожидается окисление хлорида, и по этой причине растворы хлорида избегались в более ранних исследованиях VRFB. Удивительная окислительная стабильность (хотя и только при степени заряда ниже примерно 80%) растворов V 5+ в присутствии хлорида была объяснена на основе коэффициентов активности. Многие исследователи объясняют повышенную стабильность V(V) при повышенных температурах более высокой концентрацией протонов в смешанном кислотном электролите, которая смещает равновесие термического осаждения V(V) от V 2 O 5. Тем не менее, из-за высокого давления паров растворов HCl и возможности образования хлора во время зарядки такие смешанные электролиты не получили широкого распространения.

Другой вариант — использование солей бромида ванадия. Поскольку окислительно-восстановительный потенциал пары Br₂ / 2Br⁻ более отрицателен, чем у V⁵⁺ / V⁴⁺ , положительный электрод работает за счет бромного процесса. Однако из-за проблем с летучестью и коррозионной активностью Br₂ они не получили широкого распространения (см. цинк-бромную батарею для аналогичной проблемы). Также была предложена ванадиевая / цериевая проточная батарея.

Ванадиевые проточные батареи (ВРБ) достигают удельной энергии около 20 Вт·ч/кг (72 кДж/кг) электролита. Ингибиторы осаждения могут увеличить плотность до примерно 35 Вт·ч/кг (126 кДж/кг), а более высокие значения плотности могут быть достигнуты за счет контроля температуры электролита. Удельная энергия низка по сравнению с другими типами перезаряжаемых батарей (например, свинцово-кислотными, 30–40 Вт·ч/кг (108–144 кДж/кг); и литий-ионными, 80–200 Вт·ч/кг (288–720 кДж/кг)).

Большая потенциальная емкость VRFB может наилучшим образом подойти для сглаживания нестабильной выработки электроэнергии ветро- и солнечных электростанций промышленного масштаба.

Сниженный саморазряд делает их потенциально подходящими для применений, требующих долговременного хранения энергии с минимальным техническим обслуживанием — например, в военной технике, такой как сенсорные компоненты системы мин GATOR .

Они отличаются быстрым временем отклика, что хорошо подходит для применения в системах бесперебойного питания (ИБП), где они могут заменить свинцово-кислотные батареи или дизельные генераторы . Быстрое время отклика также полезно для регулирования частоты . Эти возможности делают VRFB эффективным универсальным решением для микросетей , регулирования частоты и смещения нагрузки.

Компании, финансирующие или разрабатывающие ванадиевые редокс-аккумуляторы, включают Sumitomo Electric Industries , CellCube (Enerox) , UniEnergy Technologies , StorEn Technologies в Австралии, Largo Energy и Ashlawn Energy в США; H2 в городе Герен, Южная Корея , Renewable Energy Dynamics Technology , Invinity Energy Systems в Великобритании, Schmalz , LIVA Power Management Systems в Европе; Prudent Energy в Китае; Australian Vanadium, CellCube и North Harbour Clean Energy в Австралии; Yadlamalka Energy Trust и Invinity Energy Systems в Австралии; EverFlow Energy JV SABIC SCHMID Group в Саудовской Аравии и Bushveld Minerals в Южной Африке.

• Список типов батарей
• Полисульфидбромидный аккумулятор – проточный аккумулятор

Исследование, описанное в статье про ванадиевая проточная батарея, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое ванадиевая проточная батарея, vfb и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры