Проточная батарея - Flow battery

Батарея Redox Flow
Типичная проточная батарея состоит из двух резервуаров с жидкостью, которые прокачиваются через мембрану, удерживаемую между двумя электродами.[1]

А проточная батарея, или же батарея окислительно-восстановительного потенциала (после восстановление – окисление ), является разновидностью электрохимическая ячейка где химическая энергия обеспечивается двумя химическими компонентами растворенный в жидкостях, которые прокачиваются через систему на разных сторонах мембраны.[2][3] Ионный обмен (сопровождаемый протеканием электрического тока) происходит через мембрану, в то время как обе жидкости циркулируют в своем собственном пространстве. Напряжение ячейки химически определяется Уравнение Нернста и диапазоны в практических приложениях от 1,0 до 2,43 вольт.

Проточная батарея может использоваться как топливная ячейка (где отработанное топливо извлекается, а новое топливо добавляется в систему) или как аккумуляторная батарея (где источник электроэнергии управляет регенерацией топлива). Несмотря на то, что он имеет технические преимущества по сравнению с обычными перезаряжаемыми батареями, такие как потенциально разделяемые резервуары для жидкости и почти неограниченный срок службы, текущие реализации являются сравнительно менее мощными и требуют более сложной электроники.

Энергоемкость зависит от объема электролита, а мощность - от площади поверхности электролита. электроды.

Принцип строительства

Проточная батарея - это перезаряжаемый топливная ячейка в котором электролит содержащий один или несколько растворенных электроактивных элементов, протекает через электрохимическая ячейка что обратимо преобразует химическая энергия прямо к электричество. Электроактивные элементы - это «элементы в растворе, которые могут принимать участие в электродной реакции или могут быть адсорбированный на электроде ".[4] Дополнительный электролит хранится снаружи, обычно в резервуарах, и обычно прокачивается через ячейку (или ячейки) реактора, хотя также известны системы гравитационной подачи.[5] Аккумуляторы Flow можно быстро «перезарядить» путем замены жидкого электролита (аналогично заправке топливных баков для двигатель внутреннего сгорания ) с одновременным извлечением израсходованного материала для повторного включения. Во многих проточных батареях используются электроды из углеродного войлока из-за их низкой стоимости и адекватной электропроводности, хотя эти электроды несколько ограничивают мощность заряда / разряда из-за их низкой активности по отношению ко многим окислительно-восстановительным парам.[6][7]

Другими словами, проточная батарея похожа на электрохимическая ячейка, за исключением того, что ионный раствор (электролит ) не хранится в ячейке вокруг электродов. Скорее, ионный раствор хранится вне ячейки и может подаваться в ячейку для выработки электричества. Общее количество электроэнергии, которое может быть произведено, зависит от размера резервуаров для хранения.

Батареи Flow регулируются принципами конструкции, установленными электрохимическая инженерия.[8]

Типы

Смотрите также: Список типов батарей

Были разработаны различные типы проточных ячеек (батарей),[9] включая редокс, гибридные и безмембранные. Принципиальное различие между обычными батареями и проточными ячейками заключается в том, что энергия накапливается в электрод материал в обычных батареях, а в проточных ячейках он хранится в электролит.

Редокс

В редокс (восстановительно-окислительная) ячейка - это обратимая ячейка, в которой электрохимические компоненты растворены в электролите. Батареи окислительно-восстановительного потенциала являются перезаряжаемыми (вторичные клетки ).[10] Потому что они нанимают гетерогенный перенос электронов скорее, чем твердотельная диффузия или же вставка их более уместно назвать топливные элементы а не батарейки. Производительность твердотельной батареи зависит от диффузии ионов в электролите. Твердые электролиты должны иметь высокую ионную проводимость, очень низкую электронную проводимость и высокую степень химической стабильности.[11] В промышленной практике топливные элементы обычно и излишне считаются первичными элементами, такими как ЧАС
2/О
2 система. В единичный регенеративный топливный элемент на НАСА с Прототип Гелиоса это еще один обратимый топливный элемент. В Европейская патентная организация классифицирует проточные окислительно-восстановительные ячейки (H01M8 / 18C4) как подкласс регенеративных топливных элементов (H01M8 / 18). Примеры проточных окислительно-восстановительных батарей: Проточная батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия, батарея полисульфида бромида (Regenesys) и проточная батарея окислительно-восстановительного потенциала урана.[12] Топливные элементы окислительно-восстановительного потенциала менее распространены на рынке, хотя было предложено множество систем.[13][14][15][16]

Ванадиевые проточные батареи Redox являются наиболее продаваемыми в настоящее время проточными батареями из-за ряда преимуществ, которые они предоставляют по сравнению с другими химическими элементами, несмотря на их ограниченную энергию и удельную мощность. Поскольку на обоих электродах используется ванадий, они не подвержены перекрестному загрязнению. По той же причине они имеют беспрецедентный срок службы (15 000–20 000 циклов), что, в свою очередь, приводит к рекордным нормированная стоимость энергии (LCOE, т. Е. Стоимость системы, разделенная на полезную энергию, срок службы и эффективность приема-передачи), которые составляют порядка нескольких десятков центов или евро за кВт · ч, что намного ниже, чем у других твердотельных систем. батарей и не так уж далеко от целевых показателей в 0,05 доллара и 0,05 евро, заявленных правительственными агентствами США и ЕС.[17]

Прототип цинк -полииодид Проточная батарея продемонстрировала плотность энергии 167 Втч / л (ватт-часы на литр ). Старые бромистые цинковые элементы достигают 70 Втч / л. Для сравнения, литий-железо-фосфатные батареи запас 233 Втч / л. Заявляется, что цинк-полийодидная батарея более безопасна, чем другие проточные батареи, учитывая отсутствие кислотных электролитов, негорючесть и рабочий диапазон от -4 до 122 ° F (от -20 до 50 ° C), который не требует обширных схем охлаждения, что могло бы прибавлять в весе и занимать место. Одна нерешенная проблема - это накопление цинка на отрицательном электроде, пронизывающем мембрану, что снижает эффективность. Из-за образования дендритов Zn галогенидные цинковые батареи не могут работать при высокой плотности тока (> 20 мА / см2) и поэтому имеют ограниченную удельную мощность. Добавление спирта в электролит батареи ZnI может немного решить проблему.[18]

Когда аккумулятор полностью разряжен, в обоих резервуарах содержится один и тот же раствор электролита: смесь положительно заряженных ионов цинка (Zn2+
) и отрицательно заряженный иодид-ион, (я−
). При зарядке один резервуар содержит другой отрицательный ион, полииодид, (я−
3). Батарея вырабатывает энергию, перекачивая жидкость из внешних резервуаров в зону батареи батареи, где жидкости смешиваются. Внутри пакета ионы цинка проходят через селективную мембрану и превращаются в металлический цинк на отрицательной стороне пакета.[19] Для дальнейшего увеличения плотности энергии проточной батареи иодистого цинка бромид-ионы (Br
–) используются в качестве комплексообразователя для стабилизации свободного йода, образуя ионы бромистого йода (я
2Br−
) как средство высвобождения иодид-ионов для накопления заряда.[20]

Традиционные проточные аккумуляторные батареи имеют как низкую удельную энергию (что делает их слишком тяжелыми для полностью электрических транспортных средств), так и низкую удельную мощность (что делает их слишком дорогими для стационарного хранения энергии). Однако высокая мощность 1,4 Вт / см2 была продемонстрирована для проточных водородно-бромных батарей, а высокая удельная энергия (530 Втч / кг на уровне резервуара) была показана для проточных водородно-броматных батарей.[21][22][23]

В одной системе используются органические полимеры и солевой раствор с целлюлоза мембрана. Прототип выдержал 10000 циклов зарядки, сохранив при этом значительную емкость. Плотность энергии составляла 10 Втч / л.[24] Плотность тока достигла 100 миллиампер / см.2.[25]

Гибридный

В гибридной проточной батарее используется один или несколько электроактивных компонентов, нанесенных в виде твердого слоя.[26] В этом случае электрохимический элемент содержит один электрод батареи и один электрод топливного элемента. Этот тип ограничен по энергии площадью поверхности электрода. Гибридные проточные батареи включают цинк-бром, цинк-церий,[27] свинцово-кислотные,[28] и железо-солевые проточные батареи. Weng et al.[29] сообщили о ванадий-металлогидридных перезаряжаемых гибридных проточных батареях с экспериментальным OCV 1,93 В и рабочим напряжением 1,70 В, очень высокими значениями среди проточных аккумуляторных батарей с водными электролитами. Эта гибридная батарея состоит из положительного электрода из графитового войлока, работающего в смешанном растворе VOSO.4 и H2ТАК4и отрицательный электрод из гидрида металла в водном растворе КОН. Два электролита с разным pH разделены биполярной мембраной. Система продемонстрировала хорошую обратимость и высокую эффективность по кулонам (95%), энергии (84%) и напряжению (88%). Они сообщили о дальнейших улучшениях этой новой окислительно-восстановительной пары с достижениями увеличенной плотности тока, работы большего 100 см2 электроды, и работа 10 больших ячеек последовательно. Предварительные данные с использованием изменяющейся моделируемой потребляемой мощности проверили жизнеспособность накопления в масштабе кВтч.[30] Недавно была предложена гибридная проточная батарея Mn (VI) / Mn (VII) -Zn с высокой плотностью энергии.[31]

Батарея с одним потоком жидкости

Автономная батарея SLIQ

Батарея с одинарным потоком жидкости (или "SLIQ") представляет собой жидкостную аккумулятор который использует перезаряжаемую жидкость и может использоваться для сетка хранения. Характеристики SLIQ включают простоту, дешевизну, долговечность, термическую стабильность (нет тепловой разгон ), и низкий углеродный след. Технология исключает необходимость использования редкоземельные минералы для хранения. Батарея превращает электролит и часть катода в свободно текущую жидкость.

Эта технология может значительно снизить капитальные затраты на хранение энергии благодаря своей высокой эффективности (92%), высокой плотности энергии, времени отклика в миллисекунды, низкой стоимости и сроку службы +20 лет.[32][33]

Система управления на основе искусственного интеллекта дополняет батарею SLIQ для оптимизации производительности, сохраняя возобновляемую энергию, когда она доступна в сети, и доставляя ее, когда ее нет. Он изучает поведение пользователя, чтобы максимизировать прибыльность, и использует машинное обучение, чтобы максимизировать эффективность батареи SLIQ.[34]

Технология Single Liquid Battery (SLIQ) была изобретена в 2013 году Пасиду Паллавелой.[35][36] Прототип 30 кВт / 8 кВт был установлен в Шотландии для поддержки удаленного сообщества и успешно работает с 2013 года.[37]

Без мембраны

Безмембранный аккумулятор[38] полагается на ламинарный поток в котором две жидкости прокачиваются через канал, где они подвергаются электрохимическим реакциям для накопления или высвобождения энергии. Растворы проходят параллельно, с небольшим перемешиванием. Поток естественным образом разделяет жидкости, устраняя необходимость в мембране.[39]

Мембраны часто являются наиболее дорогостоящими и наименее надежными компонентами батарей, поскольку они могут подвергаться коррозии при многократном воздействии определенных реагентов. Отсутствие мембраны позволяет использовать жидкий раствор брома и водород: такая комбинация проблематична при использовании мембран, поскольку они образуют бромистоводородная кислота которые могут разрушить мембрану. Оба материала доступны по невысокой цене.[40]

В конструкции используется небольшой канал между двумя электродами. Жидкий бром течет по каналу над графитовым катодом, а бромистоводородная кислота течет под пористым анодом. В то же время газообразный водород течет через анод. Химическая реакция может быть обращена вспять, чтобы зарядить аккумулятор - впервые для любой безмембранной конструкции.[40]Одна такая проточная безмембранная батарея, выпущенная в августе 2013 года, вырабатывала максимальную удельную мощность 7950 Вт / м.2, в три раза больше мощность как и другие безмембранные системы - и на порядок больше, чем литий-ионные батареи.[40]

Недавно была продемонстрирована безмембранная проточная окислительно-восстановительная батарея макромасштабного уровня, способная перезаряжать и рециркулировать одни и те же потоки электролита в течение нескольких циклов. Батарея основана на несмешивающихся жидкостях органического католита и водного анолита, которые демонстрируют высокую сохраняемость емкости и кулоновскую эффективность во время езды на велосипеде.[41]

Primus Power разработала запатентованную технологию в своей батарее потока цинка и брома, тип батареи потока окислительно-восстановительного потенциала, для устранения мембраны или сепаратора, что снижает затраты и частоту отказов. Безмембранные проточные окислительно-восстановительные батареи Primus Power работают на установках в США и Азии, и 21 февраля 2017 года было объявлено о выпуске продукта второго поколения.

Органический

По сравнению с традиционными водными неорганическими проточными батареями окислительно-восстановительного потенциала, такими как проточные батареи окислительно-восстановительного потенциала ванадия и батареи Zn-Br2, которые разрабатывались в течение десятилетий, проточные батареи с органическим окислительно-восстановительным потенциалом появились в 2009 году и имеют большие перспективы преодоления основных недостатков, препятствующих экономичному и широкому внедрению традиционных неорганических проточные окислительно-восстановительные батареи. Основное достоинство проточных батарей с органическим окислительно-восстановительным процессом заключается в настраиваемых окислительно-восстановительных свойствах окислительно-восстановительных компонентов.

Проточные органические окислительно-восстановительные батареи можно разделить на две категории: проточные водные и органические окислительно-восстановительные батареи (AORFB) и проточные неводные органические окислительно-восстановительные батареи (NAORFB).[42][43] AORFB используют воду в качестве растворителя для материалов электролита, в то время как NAORFB используют органические растворители для растворения окислительно-восстановительных активных материалов. В зависимости от использования одного или двух органических окислительно-восстановительно активных электролитов в качестве анода и / или катода, AORFB и NAORFB могут быть далее разделены на общие органические системы и гибридные органические системы, в которых используются неорганические материалы для анода или катода. В более крупномасштабных накопителях энергии из-за более низкой стоимости растворителя и более высокой проводимости AORFB имеют больший коммерческий потенциал, чем NAORFB, а также преимущества безопасности электролитов на водной основе по сравнению с неводными электролитами. Преимущество NAORFB заключается в их гораздо большем окне напряжения и способности занимать меньше физического места для установленного хранилища. В содержании ниже перечислены материалы, усовершенствованные для этих систем на органической основе.

Хиноны и их производные являются основой многих органических окислительно-восстановительных систем, в том числе NARFB и AORFB.[44][45][46] В одном исследовании 1,2-дигидробензохинон-3,5-дисульфоновая кислота (BQDS) и 1,4-дигидробензохинон-2-сульфоновая кислота (BQS) использовались в качестве катодов, а обычные Pb / PbSO4 был анолитом в кислотном AORFB. Эти первые AORFB представляют собой гибридные системы, поскольку в них используются органические окислительно-восстановительные активные материалы только на катодной стороне. Хиноны принимают две единицы электрического заряда по сравнению с одной в обычном католите, что означает, что такая батарея может хранить в два раза больше энергии в данном объеме.

9,10-антрахинон-2,7-дисульфоновая кислота (AQDS), также хинон, также был оценен.[47] AQDS подвергается быстрому обратимому двухэлектронному / двухпротонному восстановлению на стеклоуглероде. электрод в серная кислота. Водная проточная батарея с недорогими угольными электродами, сочетающая пару хинон / гидрохинон с Br
2/Br−
 редокс пара, дает пиковую гальваническую удельная мощность более 6000 Вт / м2 при 13000 А / м2. Цикл показал сохранение> 99% емкости запоминающего устройства за цикл. Объемная плотность энергии превышала 20 Втч / л.[48] Антрахинон-2-сульфоновая кислота и антрахинон-2,6-дисульфоновая кислота с отрицательной стороны и 1,2-дигидробензохинон-3,5-дисульфоновая кислота с положительной стороны позволяет избежать использования опасного Br2. Заявлено, что батарея рассчитана на 1000 циклов без разрушения, хотя никаких официальных данных не публиковалось.[49] Хотя эта органическая система в целом выглядит надежной, она имеет низкое напряжение на элементах (около 0,55 В) и низкую плотность энергии (<4 Втч / л).

Бромистоводородная кислота, используемая в качестве электролита, была заменена гораздо менее токсичным щелочным раствором (1M КОН ) и ферроцианид.[50] Выше pH менее коррозионный, что позволяет использовать недорогие полимерные резервуары. Повышенное электрическое сопротивление в мембране компенсировалось увеличением напряжения. Напряжение на ячейке составляло 1,2 В.[51][52] КПД ячейки превышал 99%, а КПД в оба конца составил 84%. Расчетный срок службы батареи составляет не менее 1000 циклов. Его теоретическая плотность энергии составляла 19 Втч на литр.[53] Ферроцианид Химическая стабильность в растворе КОН с высоким pH без образования Fe (OH) 2 или Fe (OH) 3 должна быть проверена перед масштабированием.

Была продемонстрирована еще одна органическая AORFB. метилвиологен в качестве анолит и 4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидин -1-оксил в качестве католита, плюс хлорид натрия и недорогая анионообменная мембрана для зарядки и разрядки. Эта система MV / TEMPO имеет самое высокое напряжение элемента, 1,25 В, и, возможно, самые низкие капитальные затраты (180 долларов США / кВтч), о которых сообщалось для AORFB. Жидкие электролиты на водной основе были разработаны как незаменимая замена для существующих систем без замены существующей инфраструктуры. Батарея для испытаний на 600 мВт проработала 100 циклов с почти 100-процентным КПД при плотностях тока от 20 до 100 мА на квадратный сантиметр, с оптимальной производительностью 40-50 мА, при которой составляло около 70 процентов исходного напряжения батареи. сохранено.[54][55] Значение исследования заключается в том, что нейтральные AORFB могут быть более экологически безопасными, чем кислотные или щелочные AORFB, при этом демонстрируя электрохимические характеристики, сопоставимые с коррозионными кислотными или щелочными RFB. MV / TEMPO AORFB имеет плотность энергии 8,4 Вт · ч / л с ограничением на стороне TEMPO. Следующим шагом является определение католита высокой емкости, соответствующего MV (растворимость в воде примерно 3,5 М, 93,8 Ач / л).

Одна концепция проточной батареи основана на окислительно-восстановительно-активных органических полимерах, в которых используются виологен и ТЕМПО с диализными мембранами. Батарея на основе полимера с окислительно-восстановительным потоком (pRFB) использует функционализированные макромолекулы (похожие на акриловое стекло или Пенополистирол ) растворяется в воде в качестве активного материала как для анода, так и для катода. Таким образом, исключаются металлы и сильно коррозионные электролиты, такие как соли ванадия в серной кислоте, и могут использоваться простые диализные мембраны. Мембрана, разделяющая катод и анод проточной ячейки, работает как сетчатый фильтр, и ее изготовление намного проще и дешевле, чем обычные ионоселективные мембраны. Он удерживает большие «спагетти-подобные» полимерные молекулы, позволяя при этом проходить мелким противоионам.[56] Эта концепция может решить проблему высокой стоимости традиционной мембраны Nafion, но разработка и синтез окислительно-восстановительного активного полимера с высокой растворимостью в воде не являются тривиальными.

Наряду с возможностью настройки окислительно-восстановительных компонентов как основным преимуществом проточных органических окислительно-восстановительных батарей, была разработана идея интеграции анолита и католита в одну и ту же молекулу. Так называемые бифункциональные аналиты[57] или комби-молекулы[58] позволяют использовать один и тот же материал в обоих резервуарах, что определенно имеет существенные преимущества для производительности батареи, поскольку уменьшает эффект кроссовера.[59] Таким образом, диаминоантрахинон,[59] также хинон и индиго[57] молекулы на основе, а также ТЕМПО / феназин[58] комбинирующие молекулы были представлены в качестве потенциальных электролитов для разработки симметричных проточных окислительно-восстановительных батарей (SRFB).

Гидрид металла

Протонные проточные батареи (PFB) включают гидрид металла электрод для хранения в обратимый протонообменная мембрана (PEM) топливная ячейка. Во время зарядки PFB объединяет ионы водорода, образующиеся при расщеплении воды с электронами и частицами металла в одном электроде топливного элемента. Энергия хранится в виде твердого гидрида металла. Разряд производит электричество и воду, когда процесс меняется на противоположный, и протоны соединяются с кислородом окружающей среды. Могут использоваться менее дорогие металлы, чем литий, которые обеспечивают большую плотность энергии, чем литиевые элементы.[60][61]

Металл-Органик

В металлоорганических проточных батареях используются органические лиганды для обеспечения более благоприятных свойств окислительно-восстановительным металлам. Лиганды могут быть хелаты подобно EDTA, и может позволить электролиту иметь нейтральный или щелочной pH, условия, при которых металлические акво комплексы в противном случае выпадет в осадок. Блокируя координацию воды с металлом, органические лиганды также могут ингибировать катализируемые металлами реакции расщепления воды, в результате чего были получены одни из самых высоких напряжений полностью водных систем, о которых когда-либо сообщалось. Например, использование хрома, координированного с 1,3-пропандиаминтетраацетат (PDTA), дали клеточные потенциалы 1,62 В относительно ферроцианид и рекордные 2,13 В по сравнению с бромом.[62] Металлоорганические проточные батареи иногда называют проточными батареями координационной химии, которые представляют собой технологию, лежащую в основе технологии Gridstar Flow компании Lockheed Martin.[63]

Нано-сеть

Система литий-сера, организованная в сеть наночастиц, устраняет необходимость в том, чтобы заряд перемещался внутрь и наружу частиц, которые находятся в прямом контакте с проводящей пластиной. Вместо этого сеть наночастиц позволяет электричеству течь по жидкости. Это позволяет извлечь больше энергии.[64]

Другие проточные батареи

К другим батареям проточного типа относятся Цинк-цериевый гибридный проточный аккумулятор, то Цинк-бромная гибридная проточная батарея, а Водородно-бромная батарея.

Полутвердый

Полутвердый проточный аккумулятор
Полутвердый проточный аккумулятор[65]

В полутвердая проточная ячейка положительный и отрицательный электроды состоят из частиц, взвешенных в жидкости-носителе. Положительные и отрицательные суспензии хранятся в отдельных резервуарах и перекачиваются по отдельным трубам в стопку соседних реакционных камер, где они разделены барьером, например тонкой пористой мембраной. Подход сочетает в себе базовую структуру водно-проточных батарей, в которых используется электродный материал, взвешенный в жидком электролите, с химией литий-ионных батарей как в безуглеродных суспензиях, так и в суспензиях с проводящей углеродной сеткой.[1][66][67] Неуглеродистые полутвердые проточные окислительно-восстановительные батареи также иногда называют Твердодисперсная батарея Redox Flow.[68] Растворение материала значительно меняет его химическое поведение. Однако подвешивание кусочков твердого материала сохраняет характеристики твердого тела. В результате получается вязкая суспензия, которая течет как патока.[69]

Химии

Для проточных батарей был опробован широкий диапазон химикатов.[2]

ПараМаксимум. напряжение ячейки (В)Средняя удельная мощность электрода (Вт / м2)Средняя плотность энергии жидкости (Вт · ч / кг или Вт · ч / л)циклы
Водород –бромат лития1.115,000750 Втч / кг
Водород –хлорат лития1.410,0001400 Вт · ч / кг
Бром -водород1.077,950
Утюг-банка0.62<200
Утюг-титан0.43<200
Утюг-хром1.07<200
Органический (2013)0.81300021,4 Вт · ч / л10
Органический (2015)1.27,1 Втч / л100
МВ-ТЕМПО1.258,4 Втч / л100
Металл-Органик– ферроцианид[62]1.62200021,7 Вт · ч / л75
Металл-Органик– бром[62]2.13300035 Втч / л10
Ванадий-ванадий (сульфат)1.4~80025 Втч / л
Ванадий-ванадий (бромид)50 Втч / л2000[2]
Полисульфид натрия-брома1.54~800
Натрий-калий[70]
Сера-кислород-соль[71]
Цинк-бром1.85~1,00075 Втч / кг> 2000
Свинцово-кислотный (метансульфонат)1.82~1,000
Цинк-церий (метансульфонат)2.43<1,200–2,500
Zn-Mn (VI) / Mn (VII)1.260 Втч / л[31]

Преимущества и недостатки

Проточные окислительно-восстановительные батареи и, в меньшей степени, гибридные проточные батареи имеют преимущества гибкой компоновки (из-за разделения силовых и энергетических компонентов), длительного срока службы (поскольку нет твердых фазовые переходы ), быстрое время отклика, отсутствие необходимости в «выравнивающей» зарядке (перезарядка аккумулятора для обеспечения одинакового заряда всех элементов) и отсутствие вредных выбросов. Некоторые типы также предлагают простое определение состояния заряда (через зависимость напряжения от заряда), низкие эксплуатационные расходы и устойчивость к перезарядке / переразряду. Они безопасны и обычно не содержат легковоспламеняющихся электролитов, а также по той причине, что электролиты могут храниться вдали от силовой батареи. Эти технические достоинства делают проточные окислительно-восстановительные батареи подходящим вариантом для крупномасштабного накопления энергии.

Двумя основными недостатками являются их низкая плотность энергии (вам нужны большие резервуары электролита для хранения полезного количества энергии) и их низкие скорости заряда и разряда (по сравнению с другими промышленными процессами с электродами). Последнее означает, что электроды и мембранные разделители должны быть большими, что увеличивает затраты.

По сравнению с необратимыми топливными элементами или электролизерами, использующими аналогичный химический состав электролитов, проточные батареи обычно имеют несколько более низкий КПД.

Приложения

Проточные батареи обычно рассматриваются для относительно больших (1 кВтч - 10 МВтч) стационарных приложений.[72] Это для:

  • Балансировка нагрузки - где аккумулятор прикреплен к электрическая сеть для хранения избыточной электроэнергии в непиковые часы и высвобождения электроэнергии в периоды пиковой нагрузки. Общей проблемой, ограничивающей использование большинства химических компонентов проточных батарей в этом приложении, является их низкая поверхностная мощность (рабочая плотность тока), что приводит к высокой стоимости электроэнергии.
  • Хранение энергии из возобновляемых источников, таких как ветер или солнечная энергия для разряда в периоды пикового спроса.[73]
  • Пиковое бритье, когда всплески спроса удовлетворяются за счет батареи.[74]
  • UPS, где батарея используется, если основное питание не может обеспечить бесперебойное питание.
  • Преобразование мощности - потому что все элементы используют один и тот же электролит (-ы). Следовательно, электролит (ы) можно заряжать, используя определенное количество ячеек, и разряжать, используя другое количество. Поскольку Напряжение заряда батареи пропорционально количеству используемых ячеек, поэтому батарея может действовать как очень мощный DC – DC преобразователь. Кроме того, если количество ячеек постоянно изменяется (на входной и / или выходной стороне) преобразование мощности также может быть AC / DC, AC / AC или DC – AC с частотой, ограниченной частотой переключателя.[75]
  • Электрические транспортные средства - Поскольку проточные аккумуляторные батареи можно быстро «перезарядить» путем замены электролита, их можно использовать в тех случаях, когда транспортному средству необходимо потреблять энергию так же быстро, как транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания.[76][77] Общей проблемой, обнаруживаемой с большинством химикатов RFB в электромобилях, является их низкая удельная энергия, которая приводит к короткому диапазону движения. Заметным исключением являются проточные батареи на основе хорошо растворимых галатов.[78]
  • Автономная система питания - Примером этого являются базовые станции сотовой связи, где отсутствует сетевое питание. Батарею можно использовать вместе с солнечными или ветровыми источниками энергии, чтобы компенсировать колебания уровня их мощности, и вместе с генератором, чтобы максимально эффективно использовать его для экономии топлива.[79][80] В настоящее время проточные батареи используются в солнечных микросетях по всему Карибскому региону.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Ци, Чжаосян; Кениг, Гэри М. (12 мая 2017 г.). «Обзорная статья: проточные аккумуляторные системы с твердыми электроактивными материалами». Журнал вакуумной науки и технологий B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления. 35 (4): 040801. Bibcode:2017JVSTB..35d0801Q. Дои:10.1116/1.4983210. ISSN  2166-2746.
  2. ^ а б c Badwal, Sukhvinder P. S .; Giddey, Sarbjit S .; Маннингс, Кристофер; Bhatt, Anand I .; Холленкамп, Энтони Ф. (24 сентября 2014 г.). «Новые технологии электрохимического преобразования и хранения энергии». Границы химии. 2: 79. Bibcode:2014ФрЧ .... 2 ... 79Б. Дои:10.3389 / fchem.2014.00079. ЧВК  4174133. PMID  25309898.
  3. ^ Alotto, P .; Guarnieri, M .; Моро, Ф. (2014). «Батареи Redox Flow для хранения возобновляемой энергии: обзор». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики. 29: 325–335. Дои:10.1016 / j.rser.2013.08.001.
  4. ^ Science-Dictionary.org. "Электроактивное вещество В архиве 27 августа 2013 г. Wayback Machine «14 мая 2013 года.
  5. ^ Т. Фуджи, Т. Хиросе и Н. Кондо, в Патент JP 55096569  (1979), Meidensha Electric Mfg. Co. Ltd.
  6. ^ Аарон, Дуглас (2013)."Исследования кинетики in situ в проточных батареях с окислительно-восстановительным потенциалом ванадия". Письма по электрохимии ECS. 2 (3): A29 – A31. Дои:10.1149 / 2.001303eel.
  7. ^ Маккрири, Ричард Л. (июль 2008 г.). «Современные углеродные электродные материалы для молекулярной электрохимии». Химические обзоры. 108 (7): 2646–2687. Дои:10.1021 / cr068076m. ISSN  0009-2665. PMID  18557655.
  8. ^ Arenas, L.F .; Понсе де Леон, С .; Уолш, Ф.К. (Июнь 2017). «Инженерные аспекты проектирования, строительства и производительности модульных проточных окислительно-восстановительных батарей для хранения энергии» (PDF). Журнал хранения энергии. 11: 119–153. Дои:10.1016 / j.est.2017.02.007.
  9. ^ Ноак, Дж .; Рознятовская, Н .; Herr, T .; Фишер, П. (2015). «Химия проточных окислительно-восстановительных батарей». Энгью. Chem. Int. Эд. 54 (34): 9776–9809. Дои:10.1002 / anie.201410823. PMID  26119683.
  10. ^ Linden, D .; Редди, Т. (2002). Справочник по батареям (ред.). Макгроу-Хилл.
  11. ^ Кумар Сингх, Вайбхав; Джамал Хан, М. Фейсал (лето 2019 г.). «Аналитическое исследование и сравнение твердотельных и жидких аккумуляторов для электромобилей и моделирование теплового управления» (PDF). Кафедра машиностроения. Объединенный международный журнал исследований и технологий (UIJRT). 1 (1): 27–33.
  12. ^ Shiokawa, Y .; Yamana, H .; Морияма, Х. (2000). «Применение актинидных элементов в проточной окислительно-восстановительной батарее». Журнал ядерной науки и технологий. 37 (3): 253–256. Дои:10.1080/18811248.2000.9714891. S2CID  97891309.
  13. ^ В. Борчерс, в Патент США 567959  (1894)
  14. ^ В. Нернст, в Патент DE 264026  (1912)
  15. ^ Р. М. Кифер, в Патент США 3682704  (1970), компании Electrocell Ltd.
  16. ^ Kummer, J. T .; Оэй, Д. -Г. (1985). «Химически регенерирующий окислительно-восстановительный топливный элемент. II». Журнал прикладной электрохимии. 15 (4): 619–629. Дои:10.1007 / BF01059304. S2CID  96195780.
  17. ^ Spagnuolo, G .; Петроне, Г .; Mattavelli, P .; Гварньери, М. (2016). «Проточные ванадиевые окислительно-восстановительные батареи: возможности и задачи новой технологии хранения». Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine. 10 (4): 20–31. Дои:10.1109 / MIE.2016.2611760. HDL:11577/3217695. S2CID  28206437.
  18. ^ Боргино, Дарио (27 февраля 2015 г.). «Высокопроизводительная проточная батарея может конкурировать с ионно-литиевыми батареями для электромобилей и энергосистем». Гизмаг. Проверить значения даты в: | дата = (помощь)
  19. ^ Уайт, Фрэнсис (25 февраля 2015 г.). «Новая проточная батарея, чтобы большие города были освещены, экологичны и безопасны». НИОКР.
  20. ^ Вэн, Го-Мин (2017). «Раскрытие емкости йодида для цинк / полииодидных и литиевых / полииодидных проточных батарей с высокой удельной энергией». Энергетика и экология. 10 (3): 735–741. Дои:10.1039 / C6EE03554J.
  21. ^ Чо, Кю Тэк; Такер, Майкл С .; Дин, Маркус; Риджуэй, Пол; Battaglia, Vincent S .; Шринивасан, Венкат; Вебер, Адам З. (2015). «Циклический анализ производительности водородно-бромных батарей для хранения энергии в энергосистеме». ChemPlusChem. 80 (2): 402–411. Дои:10.1002 / cplu.201402043.
  22. ^ Ю; Толмачев, В. (2013). «Водородно-галогенные электрохимические ячейки: обзор приложений и технологий». Российский журнал электрохимии. 50 (4): 301–316. Дои:10.1134 / S1023193513120069. S2CID  97464125.
  23. ^ Толмачев, Юрий В. (2015). «Энергетический цикл, основанный на батарее с высокой удельной энергией на водной основе, и ее потенциальное использование для полностью электрических транспортных средств и для прямого преобразования солнечной энергии в химическую». Журнал электрохимии твердого тела. 19 (9): 2711–2722. Дои:10.1007 / s10008-015-2805-z. S2CID  97853351.
  24. ^ «Химики представляют инновационную проточную окислительно-восстановительную батарею на основе органических полимеров и воды». Phys.org. Phys.org. 21 октября 2015 г.. Получено 6 декабря 2015.
  25. ^ Яношка, Тобиас; Мартин, Норберт; Мартин, Удо; Friebe, Christian; Моргенштерн, Сабина; Хиллер, Ханнес; Hager, Martin D .; Шуберт, Ульрих С. ​​(2015). «Проточная окислительно-восстановительная батарея на полимерной основе с использованием неагрессивных, безопасных и недорогих материалов». Природа. 527 (7576): 78–81. Bibcode:2015Натура.527 ... 78J. Дои:10.1038 / природа15746. PMID  26503039. S2CID  4393601.
  26. ^ Бартолоцци, М. (1989). «Разработка проточных окислительно-восстановительных батарей. Историческая библиография». Журнал источников энергии. 27 (3): 219–234. Bibcode:1989JPS .... 27..219B. Дои:10.1016/0378-7753(89)80037-0.
  27. ^ Leung, P.K .; Понсе-Де-Леон, С .; Low, C. T. J .; Shah, A. A .; Уолш, Ф. К. (2011). «Характеристика проточной цинк-цериевой батареи». Журнал источников энергии. 196 (11): 5174–5185. Bibcode:2011JPS ... 196.5174L. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2011.01.095.
  28. ^ Кришна, М .; Fraser, E.J .; Уиллс, Р. Г. А .; Уолш, Ф. К. (1 февраля 2018 г.). «Развитие растворимых свинцовых батарей и остающиеся проблемы: иллюстрированный обзор». Журнал хранения энергии. 15: 69–90. Дои:10.1016 / j.est.2017.10.020. ISSN  2352-152X.
  29. ^ J. Electrochem. Soc. 2013 том 160, выпуск 9, A1384-A1389
  30. ^ J. Electrochem. Soc. 2016 том 163, выпуск 1, A5180-A5187
  31. ^ а б Колли, Алехандро Н .; Пельо, Пекка; Жиро, Юбер Х. (2016). «Редокс пара с высокой удельной энергией MnO4- / MnO42- для щелочных проточных окислительно-восстановительных батарей» (PDF). Химические коммуникации. 52 (97): 14039–14042. Дои:10.1039 / C6CC08070G. PMID  27853767.
  32. ^ «Конкурс по снижению затрат на накопители энергии BEIS - Резюме - Детали проекта» (PDF).
  33. ^ "SLIQ Flow Battery | Проект автономного сообщества, Кнойдарт".
  34. ^ "Новая жидкая батарея StorTera - Общество защиты окружающей среды". socenv.org.uk. Получено 9 мая 2020.
  35. ^ Технология одиночных жидких батарей
  36. ^ «Щелочно-полисульфидный проточный аккумулятор».
  37. ^ «СторТера». Sustainable Islands International. 10 сентября 2018.
  38. ^ Bamgbopa, Musbaudeen O .; Альмхейри, Саиф; Солнце, Хонг (2017). «Перспективы недавно разработанных конструкций безмембранных элементов для проточных окислительно-восстановительных батарей». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 70: 506–518. Дои:10.1016 / j.rser.2016.11.234. ISSN  1364-0321.
  39. ^ Брафф, Уильям А .; Базант, Мартин З .; Буйе, Каллен Р. (2013). «Новая проточная аккумуляторная батарея обеспечивает более дешевое и масштабное хранение энергии». Nature Communications. 4: 2346. arXiv:1404.0917. Bibcode:2013 НатКо ... 4.2 346B. Дои:10.1038 / ncomms3346. PMID  23949161. S2CID  14719469. Получено 20 августа 2013.
  40. ^ а б c Braff, W.A .; Bazant, M. Z .; Буйе, К. Р. (2013). «Безмембранная водородно-бромная проточная батарея». Nature Communications. 4: 2346. arXiv:1404.0917. Bibcode:2013 НатКо ... 4.2 346B. Дои:10.1038 / ncomms3346. PMID  23949161. S2CID  14719469.
  41. ^ Bamgbopa, Musbaudeen O .; Шао-Хорн, Ян; Хашаике, Раед; Альмхейри, Саиф (2018). «Циклические безмембранные проточные окислительно-восстановительные батареи на основе несмешивающихся жидких электролитов: демонстрация окислительно-восстановительной химии, полностью содержащей железо». Electrochimica Acta. 267: 41–50. Дои:10.1016 / j.electacta.2018.02.063. ISSN  0013-4686.
  42. ^ Брушетт, Фикиле; Воги, Джон; Янсен, Эндрю (2012). «Полностью органическая неводная литий-ионная проточная батарея окислительно-восстановительного потенциала». Современные функциональные материалы. 2 (11): 1390–1396. Дои:10.1002 / aenm.201200322.
  43. ^ Bamgbopa, Musbaudeen O .; Шао-Хорн, Ян; Альмхейри, Саиф (2017). «Потенциал неводных проточных окислительно-восстановительных батарей как решений для быстрой зарядки способных аккумулировать энергию: демонстрация химии ацетилацетоната железа и хрома». Журнал химии материалов A. 5 (26): 13457–13468. Дои:10.1039 / c7ta02022h. ISSN  2050-7488.
  44. ^ Гонг, К; Фанг, Q; Гу, S; Li, F.S.Y .; Ян, Y (2015). «Неводные проточные окислительно-восстановительные батареи: органические растворители, поддерживающие электролиты и окислительно-восстановительные пары». Энергетика и экология. 8 (12): 3515–3530. Дои:10.1039 / C5EE02341F.
  45. ^ Xu, Y .; Wen, Y .; Cheng, J .; Yanga, Y .; Xie, Z .; Цао, Г. Инь Всемирная конференция по ветроэнергетике и энергетике, не подключенным к сетям, 2009 г. WNWEC 2009 IEEE: Нанкин, Китай, 2009 г., стр.
  46. ^ Сюй, Ян; Вэнь, Юэ-Хуа; Ченг, Джи; Цао, Гао-Пин; Ян, Ю-Шэн (2010). «Исследование тайрона в водных растворах для применения в проточных окислительно-восстановительных батареях». Electrochimica Acta. 55 (3): 715–720. Дои:10.1016 / j.electacta.2009.09.031. ISSN  0013-4686.
  47. ^ УОЛД, МЭТЬЮ Л. (8 января 2014 г.). «Из Гарварда, более дешевая аккумуляторная батарея». Нью-Йорк Таймс. Получено 10 января 2014.
  48. ^ «Команда из Гарварда демонстрирует новую безметалловую органически-неорганическую водную проточную батарею; потенциальный прорыв в области недорогого сетевого хранения». 11 января 2014 г.
  49. ^ Сонди, Давид (29 июня 2014 г.). «Новый органический аккумулятор на водной основе - дешевый, перезаряжаемый и экологически чистый». Гизмаг.
  50. ^ «Аккумулятор для питания дома от солнечных панелей на крыше».
  51. ^ Мэтью Гюнтер, ChemistryWorld. «Батарея Flow может сгладить нерегулярную подачу энергии ветра и солнца». Scientific American.
  52. ^ Проточная батарея щелочного хинона Lin et al. Наука 2015 349 (6255), стр. 1529
  53. ^ Боргино, Дарио (30 сентября 2015 г.). «Более экологичная и безопасная аккумуляторная батарея может хранить возобновляемую энергию по дешевке». www.gizmag.com. Получено 8 декабря 2015.
  54. ^ Мосс, Ричард (22 декабря 2015 г.). «Новая проточная батарея будет стоить на 60% меньше, чем существующая стандартная». www.gizmag.com. Получено 23 декабря 2015.
  55. ^ Лю, Тяньбяо; Вэй, Сяолян; Не, Зимин; Спренкль, Винсент; Ван, Вэй (1 ноября 2015 г.). «Батарея с полностью органическим водным окислительно-восстановительным потоком, использующая недорогой и экологически безопасный метилвиологен анолит и 4-HO-TEMPO католит». Современные энергетические материалы. 6 (3): 1501449. Дои:10.1002 / aenm.201501449. ISSN  1614-6840.
  56. ^ Яношка, Тобиас; Мартин, Норберт; Мартин, Удо; Friebe, Christian; Моргенштерн, Сабина; Хиллер, Ханнес; Hager, Martin D .; Шуберт, Ульрих С. ​​(2015). «Проточная окислительно-восстановительная батарея на полимерной основе с использованием неагрессивных, безопасных и недорогих материалов». Природа. 527 (7576): 78–81. Bibcode:2015Натура.527 ... 78J. Дои:10.1038 / природа15746. PMID  26503039. S2CID  4393601.
  57. ^ а б Карретеро-Гонсалес, Хавьер; Кастильо-Мартинес, Элизабет; Арман, Мишель (2016). «Сильно растворимые в воде органические красители с тремя редокс-состояниями как бифункциональные аналиты». Энергетика и экология. 9 (11): 3521–3530. Дои:10.1039 / C6EE01883A. ISSN  1754-5692.
  58. ^ а б Винсберг, Ян; Штольце, Кристиан; Мюнх, Саймон; Лидл, Ференц; Hager, Martin D .; Шуберт, Ульрих С. ​​(11 ноября 2016 г.). "Комбинированная молекула ТЕМПО / феназина: окислительно-восстановительный материал для симметричных водных окислительно-восстановительных батарей". Письма ACS Energy. 1 (5): 976–980. Дои:10.1021 / acsenergylett.6b00413. ISSN  2380-8195.
  59. ^ а б Potash, Rebecca A .; МакКоун, Джеймс Р .; Конте, Шон; Абрунья, Эктор Д. (2016). «О преимуществах симметричной проточной батареи окислительно-восстановительного потенциала». Журнал Электрохимического общества. 163 (3): A338 – A344. Дои:10.1149 / 2.0971602jes. ISSN  0013-4651. OSTI  1370440.
  60. ^ «Протонная проточная батарея упрощает водородную энергию». Gizmag.com. Получено 13 февраля 2014.
  61. ^ Andrews, J .; Сейф Мохаммади, С. (2014). «На пути к« протонной батарее »: исследование реверсивного топливного элемента PEM со встроенным металлогидридным накопителем водорода». Международный журнал водородной энергетики. 39 (4): 1740–1751. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2013.11.010.
  62. ^ а б c Робб, Брайан Х .; Фаррелл, Джейсон М .; Маршак, Майкл П. (2019). "Хелатный хромовый электролит, позволяющий использовать высоковольтные водные проточные батареи". Джоуль. 3 (10): 2503–2512. Дои:10.1016 / j.joule.2019.07.002.
  63. ^ «Накопитель энергии: GridStar Flow». Локхид Мартин. Получено 27 июля 2020.
  64. ^ Кевин Буллис (24 апреля 2014 г.). «Сети наночастиц обещают более дешевые батареи для хранения возобновляемой энергии». Обзор технологий MIT. Получено 24 сентября 2014.
  65. ^ Ци, Чжаосян; Кениг, Гэри М. (2017). «Обзорная статья: проточные аккумуляторные системы с твердыми электроактивными материалами». Журнал вакуумной науки и технологий B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления. 35 (4): 040801. Bibcode:2017JVSTB..35d0801Q. Дои:10.1116/1.4983210. ISSN  2166-2746.
  66. ^ Дудута, Михай (май 2011 г.). «Полутвердый литиевый перезаряжаемый проточный аккумулятор». Современные энергетические материалы. 1 (4): 511–516. Дои:10.1002 / aenm.201100152.
  67. ^ Ци, Чжаосян; Кениг-младший, Гэри М. (15 августа 2016 г.). «Безуглеродная литий-ионная твердая редокс пара с низкой вязкостью для проточных окислительно-восстановительных батарей». Журнал источников энергии. 323: 97–106. Bibcode:2016JPS ... 323 ... 97Q. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2016.05.033.
  68. ^ Ци, Чжаосян; Лю, Аарон Л .; Кениг-младший, Гэри М. (20 февраля 2017 г.). "Характеристики безуглеродных твердодисперсных окислительно-восстановительных пар LiCoO2 и электрохимическая оценка для всех твердодисперсных проточных окислительно-восстановительных батарей". Electrochimica Acta. 228: 91–99. Дои:10.1016 / j.electacta.2017.01.061.
  69. ^ Чендлер, Дэвид Л. (23 августа 2011 г.). «Плывите по течению - Cambridge Crude». Обзор технологий.
  70. ^ [1]
  71. ^ Ли, Чжэн; Сэм Пан, Menghsuan; Су, Лян; Цай, Пинг-Чун; Бадель, Андрес Ф .; Валле, Джозеф М .; Эйлер, Стефани Л .; Сян, Кай; Brushett, Fikile R .; Чан, Йет-Мин (11 октября 2017 г.). «Батарея с воздушным дыханием на водной основе для сверхдоходного и длительного хранения электроэнергии». Джоуль. 1 (2): 306–327. Дои:10.1016 / j.joule.2017.08.007.
  72. ^ Сервис, Р.Ф. (2 ноября 2018 г.). «Достижения в области проточных батарей обещают дешевую резервную мощность». Наука. 362 (6414): 508–509. Bibcode:2018Sci ... 362..508S. Дои:10.1126 / science.362.6414.508. PMID  30385552.
  73. ^ REDT Energy. «Хранение возобновляемой энергии». Архивировано из оригинал 1 февраля 2014 г.. Получено 27 января 2014.
  74. ^ [2] В архиве 9 февраля 2010 г. Wayback Machine
  75. ^ П. М. Спазианте, К. Кампанацаньякорн, А. Зоччи, в Патент WO 03043170  (2001), Squirrel Holdings Ltd.
  76. ^ «Система заправки электромобилей (EVRS), используемая в сочетании с технологией Vanadium Redox Flow». REDT Energy Storage.
  77. ^ Энтони Ингрэм. «Электронный лимузин Quant e-Limo ​​с двигателем nanoFLOWCELL одобрен для дорожных испытаний в Германии». Fox News.
  78. ^ Толмачев, Юрий В .; Пятковский, Андрей; Рыжов, Виктор В .; Конев, Дмитрий В .; Воротынцев, Михаил Александрович (2015). «Энергетический цикл, основанный на батарее с водным потоком с высокой удельной энергией, и его потенциальное использование для полностью электрических транспортных средств и для прямого преобразования солнечной энергии в химическую». Журнал электрохимии твердого тела. 19 (9): 2711–2722. Дои:10.1007 / s10008-015-2805-z. S2CID  97853351.
  79. ^ Разговор Джона Дэвиса из Deeya Energy об использовании их проточных батарей в телекоммуникационной отрасли на YouTube
  80. ^ Тестирование производительности проточных цинк-бромных батарей для удаленных телекоммуникационных объектов

внешняя ссылка