Батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия - Vanadium redox battery

Батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия
Удельная энергия10–20 Wh /кг (36–72 Дж / г)
Плотность энергии15–25 Втч / л (54–65 кДж / л)
Эффективность заряда / разряда75–80%<.[1][2]
Долговечность во времени20-30 лет
Долговечность цикла>12,000-14,000 циклы [3]
Номинальное напряжение ячейки1.15–1.55 V
Схематическое изображение системы ванадиевых окислительно-восстановительных батарей[4]
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.

В батарея редокс ванадия (VRB), также известный как проточная батарея ванадия (VFB) или проточная батарея окислительно-восстановительного потенциала ванадия (VRFB), это тип перезаряжаемого проточная батарея что нанимает ванадий ионы в различных степенях окисления для хранения химической потенциальной энергии.[5] Ванадий редокс батарея использует способность ванадий существовать в растворе в четырех различных состояния окисления, и использует это свойство для создания батареи, которая имеет только один электроактивный элемент вместо двух.[6] По нескольким причинам, включая их относительную громоздкость, большинство ванадиевых батарей в настоящее время используются для сетевое хранилище энергии, т.е. присоединенные к электростанциям или электрическим сетям.

Возможность создания ванадиевой батареи была исследована Писсуртом в 1930-х годах.[7] Исследователи НАСА в 1970-х годах и Пеллегри и Спазианте в 1970-х,[8] но ни одному из них не удалось продемонстрировать технологию. Первой успешной демонстрацией проточной батареи окислительно-восстановительного потенциала, полностью состоящей из ванадия, в каждой половине которой использовался ванадий в растворе серной кислоты, был проведен Мария Скиллас-Казакос на Университет Нового Южного Уэльса в 1980-е гг.[9] В ее конструкции использовались электролиты серной кислоты, и она была запатентована Университет Нового Южного Уэльса в Австралии в 1986 году.[2]

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 больших резервуаров для хранения электролита; 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 является водным, безопасным по своей природе и негорючим;[10] и состав поколения 3 с использованием смешанного раствора кислоты, разработанный Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория работает в более широком диапазоне температур[11] с учетом пассивного охлаждения.[12] 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.[нужна цитата ]. Эти значения намного превышают срок службы твердотельных батарей, который обычно составляет порядка 4000-5000 циклов заряда / разряда. Следовательно, нормированная стоимость энергии (LCOE, т. Е. Стоимость системы, деленная на полезную энергию, срок службы и эффективность приема-передачи) существующих систем VRFB обычно составляет порядка нескольких десятков центов или евро, а именно намного ниже, чем LCOE для эквивалентны твердотельным батареям и близки к целевым показателям в 0,05 и 0,05 евро, заявленным Министерством энергетики США и Планом стратегических энергетических технологий (SET) Европейской комиссии соответственно.[13]

Недостатки от других типов батарей

Основными недостатками окислительно-восстановительной технологии ванадия являются относительно низкое соотношение энергии к объему по сравнению со стандартной аккумуляторные батареи, 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 блока питания клетки в котором два электролита разделены протонообменная мембрана. Электроды в ячейке VRB сделаны на основе углерода; наиболее распространенными типами являются углеродный войлок, копировальная бумага, углеродная ткань и графитовый войлок. Недавно, углеродная нанотрубка электроды на основе стали вызвали заметный интерес со стороны научного сообщества.[14][15][16] Оба электролита ванадий - электролит в положительных полуячейках содержит VO2+ и VO2+ ионы, электролит в отрицательных полуячейках, В3+ и V2+ ионы. Электролиты могут быть приготовлены любым из нескольких процессов, включая электролитическое растворение пятиокись ванадия (V2О5) в серная кислота (ЧАС2ТАК4). 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 больших стационарных установках.

При зарядке ванадиевой батареи VO2+ ионы в положительной полуячейке преобразуются в VO2+ ионы, когда электроны удаляются с положительной клеммы батареи. Аналогичным образом в отрицательную полуячейку вводятся электроны, преобразующие V3+ ионы в V2+. Во время разряда этот процесс обратный и приводит к типичному холостое напряжение 1,41 В при 25 ° C.

Другими полезными свойствами проточных ванадиевых батарей являются их очень быстрая реакция на изменение нагрузки и чрезвычайно большая перегрузочная способность. Исследования Университета Нового Южного Уэльса показали, что они могут обеспечить время 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.[17] Эффективность приема-передачи в практических приложениях составляет около 65–75%.[18]

Предлагаемые улучшения

Второе поколение[19] ванадиевые окислительно-восстановительные батареи (ванадий /бром ) может примерно удвоить плотность энергии и увеличить диапазон температур, в котором может работать аккумулятор. В ванадий /бром и другие системы на основе ванадия также снижают стоимость ванадиевых окислительно-восстановительных батарей за счет замены ванадия в положительном или отрицательном электролите более дешевыми альтернативами, такими как церий.[20]

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. Этот удельная энергия довольно низкий по сравнению с другими аккумуляторная батарея типы (например, свинцово-кислотные, 30–40 Втч / кг (108–144 кДж / кг) и литий-ионные, 80–200 Втч / кг (288–720 кДж / кг)).

Механизмы проникновения электрода электролитом.

Ряд исследовательских групп по всему миру сообщили о потере емкости VRFB в течение длительных периодов использования. Хотя было рассмотрено несколько причин, влияние микроструктуры электрода на электрохимию ячейки внутри электрода малоизвестно. Электролитическое смачивание угольных электродов в VRFB важно для устранения источников деградации и применения соответствующих рабочих процедур. В последнее время выяснилось, что на электролитическое смачивание электрода могут влиять локальные эффекты концентрации, а также капиллярное действие.[21] Быстрое смачивание или проникновение также может привести к образованию нерастворенных газов, которые могут вызвать деградацию электрода.

Приложения

Чрезвычайно большая емкость, возможная от ванадиевых окислительно-восстановительных батарей, делает их хорошо подходящими для использования в крупных 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 минимальными затратами на обслуживание при сохранении состояния готовности. Это привело к их применению в некоторой военной электронике, такой как компоненты датчиков Система шахты 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 в диапазоне от 20% до 100%, то есть они используют только 80% своей емкости.[22]

Их чрезвычайно быстрое время отклика также делает их идеально подходящими для бесперебойный источник питания (ИБП) типа приложений, где они могут быть использованы для замены свинцово-кислотные батареи и даже дизель-генераторы. 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, регулирования частоты и имеют потребность в переключении нагрузки (от высокой степени проникновения возобновляемых источников энергии, сильно изменяющейся нагрузки или желания оптимизировать КПД генератора за счет смещения во времени).

Самые большие ванадиевые сетчатые батареи

Самые большие действующие ванадиевые окислительно-восстановительные батареи
ИмяДата ввода в эксплуатациюЭнергия (МВтч )Мощность (МВт )Продолжительность (часы)Страна
Подстанция Минами Хаякита[23][24]Декабрь 2015 г.60154Япония
Pfinztal, Баден-Вюртемберг[25][26][27]Сентябрь 201920210Германия
Вонюши, Ляонин[28][29]1052Китай
Ветряная ферма Томамаэ[30]2005641:30Япония
Проект Чжанбэй[31]2016824Китай
Проект СноПУД MESA 2 [32][33]Март 2017 г.824Соединенные Штаты Америки
Подстанция Сан-Мигель[34]2017824Соединенные Штаты Америки
Пуллман Вашингтон[35]Апрель 2015 г.414Соединенные Штаты Америки

Ванадиевая окислительно-восстановительная батарея мощностью 200 МВт, 800 МВт / ч (4 часа) строится в Китае; ожидалось, что он будет завершен к 2018 году[36] и его первая очередь мощностью 250 кВт / 1 МВтч была в эксплуатации в конце 2018 г.[37]

Компании, финансирующие или разрабатывающие ванадиевые окислительно-восстановительные батареи

  • В США
  • Европа
    • Технология динамики возобновляемых источников энергии[42]
    • Enerox GmbH (ранее Gildemeister Energy Storage)
    • Invinity Energy Systems[43] (ранее RedT в Великобритании),[44]
    • Группа Шмид,[45]
    • VoltStorage [46]
    • Вольтерион [47]
    • VisBlue [48] (Дания)
    • Накопитель энергии Pinflow [49] (Чехия).
  • Азия
    • Cellennium в Таиланде;
    • Rongke Power в Китае;[50]
    • Prudent Energy в Китае;[51]
    • Сумитомо в Японии; H2, Inc. в Южной Корее;[52]
    • Австралийский ванадий в Австралии,[53]


Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Vanadium Battery Group Университет Нового Южного Уэльса
  2. ^ а б М. Скиллас-Казакос, М. Рыччик и Р. Робинс, в патенте Австралии 575247 (1986), Unisearch Ltd.
  3. ^ Хранение электроэнергии и возобновляемые источники энергии: затраты и рынки до 2030 года. IRENA (2017), Хранение электроэнергии и возобновляемые источники энергии: затраты и рынки до 2030 года, Международное агентство по возобновляемым источникам энергии, Абу-Даби.
  4. ^ Ци, Чжаосян; Кениг, Гэри М. (июль 2017 г.). «Обзорная статья: проточные аккумуляторные системы с твердыми электроактивными материалами». Журнал Vacuum Science & Technology B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления. 35 (4): 040801. Дои:10.1116/1.4983210. ISSN  2166-2746.
  5. ^ Лоуренс Найт (14 июня 2014 г.). «Ванадий: металл, который вскоре может стать источником энергии для вашего района». BBC. Получено 2 марта 2015.
  6. ^ 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.CS1 maint: ref = harv (связь)
  7. ^ П. А. Писсоорт, в патенте Франции 754065 (1933).
  8. ^ A. Pelligri и P.M. Spaziante, в патенте Великобритании 2030349 (1978), Oronzio de Nori Impianti Elettrochimici S.p.A.
  9. ^ М. Рыччик и М. Скиллас-Казакос, J. Power Sources, 22 (1988) 59–67
  10. ^ Продукция UniEnergy Technologies[мертвая ссылка ] Доступ 21 января 2016 г.
  11. ^ "Ванадиевые окислительно-восстановительные батареи Flow" (PDF). Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория. Октябрь 2012 г.
  12. ^ Миллер, Келси. UniEnergy Technologies переходит от молекул к мегаваттам В архиве 31 января 2016 г. Wayback Machine, Альянс чистых технологий, 7 июля 2014 г. По состоянию на 21 января 2016 г.
  13. ^ Spagnuolo, G .; Петроне, Г .; Mattavelli, P .; Гварньери, М. (2016). «Проточные ванадиевые окислительно-восстановительные батареи: возможности и проблемы новой технологии хранения». Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine. 10 (4): 20–31. Дои:10.1109 / MIE.2016.2611760.CS1 maint: ref = harv (связь)
  14. ^ Мустафа, Ибрагим; Лопес, Иван; Юнес, Хаммад; Сусантьёко, Рахмат Агунг; Аль-Руб, Рашид Абу; Альмхейри, Саиф (март 2017 г.). «Изготовление отдельно стоящих листов многослойных углеродных нанотрубок (Buckypapers) для проточных батарей с окислительно-восстановительным потенциалом ванадия и влияние технологических параметров на электрохимические характеристики». Electrochimica Acta. 230: 222–235. Дои:10.1016 / j.electacta.2017.01.186. ISSN  0013-4686.
  15. ^ Мустафа, Ибрагим; Bamgbopa, Musbaudeen O .; Алрайси, Эман; Шао-Хорн, Ян; Sun, Hong; Альмхейри, Саиф (1 января 2017 г.). «Понимание электрохимической активности пористых углеродистых электродов в проточных батареях с неводным окислительно-восстановительным потенциалом ванадия». Журнал Электрохимического общества. 164 (14): A3673 – A3683. Дои:10.1149 / 2.0621714jes. ISSN  0013-4651.
  16. ^ Мустафа, Ибрагим; Аль-Шеххи, Асма; Аль-Хаммади, Айуб; Сусантьёко, Рахмат; Пальмизано, Джованни; Альмхейри, Саиф (май 2018 г.). «Влияние углеродистых примесей на электрохимическую активность электродов из многослойных углеродных нанотрубок для проточных батарей окислительно-восстановительного потенциала ванадия». Углерод. 131: 47–59. Дои:10.1016 / j.carbon.2018.01.069. ISSN  0008-6223.
  17. ^ Министерство энергетики / Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (17 марта 2011 г.). «Надежность электрических сетей: увеличение накопления энергии в батареях с окислительно-восстановительным потенциалом ванадия на 70 процентов». Science Daily. Получено 2 марта 2015.
  18. ^ Часто задаваемые вопросы по VRB Power Systems В архиве 13 февраля 2010 г. Wayback Machine
  19. ^ История ванадиевых редокс-батарей
  20. ^ Шанкарасубраманиан, Шрихари; Чжан, Юньчжу; Рамани, Виджай (2019). «Проточная ванадиево-цериевая проточная батарея с изолированным электродом на основе метансульфоновой кислоты демонстрирует значительно улучшенную емкость и срок службы». Устойчивая энергетика и топливо. 3 (9): 2417–2425. Дои:10.1039 / C9SE00286C. ISSN  2398-4902.
  21. ^ Тарик, Фарид; Rubio-Garcia, J .; Юфит, Владимир; Бертей, Антонио; Chakrabarti, Barun K .; Куцернак, Энтони; Брэндон, Найджел (2018). «Выявление механизмов проникновения электролита в пористые электроды для проточных окислительно-восстановительных батарей с помощью трехмерной визуализации in situ в реальном времени». Устойчивая энергетика и топливо. 2 (9): 2068–2080. Дои:10.1039 / C8SE00174J. ISSN  2398-4902.
  22. ^ Олбрайт, Грег и др. al. Сравнение свинцово-кислотной и литий-ионной систем в стационарных хранилищах All Cell, март 2012 г.
  23. ^ Стоун, Майк (3 февраля 2016 г.). «Взгляд на крупнейшие проекты по хранению энергии, построенные в мире за последний год». Получено 12 августа 2017.
  24. ^ «Глобальная база данных по хранению энергии Министерства энергетики». www.energystorageexchange.org. Архивировано из оригинал 9 ноября 2017 г.. Получено 9 ноября 2017.
  25. ^ «Редокс-Флоу-Баттериен». Получено 27 июля 2014.
  26. ^ "Der Rotor steht noch still".
  27. ^ «Großprojekt» RedoxWind «». Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie.
  28. ^ «Хранение энергии в Китае». www.ees-magazine.com. Получено 12 августа 2017.
  29. ^ Zonghao, L. I. U .; Хуамин, Чжан; Суджун, Г. а. O .; Xiangkun, M. A .; Юйфэн, Л. И. У .;刘宗浩, 张华民. «Самая большая в мире система хранения энергии на полностью ванадиевых батареях с окислительно-восстановительным потенциалом для ветряной электростанции, 风 场 配套 用 全球 最大 全 钒 液流 电池 储能». 储能 科学 与 技术. 3 (1): 71–77. Дои:10.3969 / j.issn.2095-4239.2014.01.010.
  30. ^ «Глобальная база данных по хранению энергии Министерства энергетики». www.energystorageexchange.org. Получено 9 ноября 2017.
  31. ^ "Глобальная база данных по хранению энергии Министерства энергетики". www.energystorageexchange.org. Архивировано из оригинал 31 августа 2018 г.. Получено 9 ноября 2017.
  32. ^ «UET и PUD округа Снохомиш выделяют самую мощную в мире контейнерную проточную батарею». Новости хранения энергии. 29 марта 2017. Архивировано с оригинал 18 августа 2018 г.. Получено 29 декабря 2017.
  33. ^ «PUD инвестирует 11,2 миллиона долларов в энергоблоки». Everett Herald. 2 ноября 2016 г.. Получено 29 декабря 2017.
  34. ^ «SDG & E и Sumitomo представляют крупнейшую в США батарею с окислительно-восстановительным потоком ванадия». Новости хранения энергии. 17 марта 2017 г.. Получено 12 августа 2017.
  35. ^ Весофф, Эрик, Сент-Джон, Джефф. Батарея Flow с самой большой емкостью в Северной Америке и ЕС уже в сети, Greentech Media, июнь 2015 г. По состоянию на 21 января 2016 г.
  36. ^ "Он большой и долговечный, и он не загорится: ванадиевая окислительно-восстановительная батарея ⁠Flow". IEEE Spectrum: Новости технологий, инженерии и науки. Получено 12 ноября 2017.
  37. ^ «Первая фаза крупнейшей в Китае проточной батареи, введенная в эксплуатацию VRB Energy». Новости хранения энергии. Получено 4 мая 2019.
  38. ^ "Ванадиевые проточные батареи | Invinity Energy Systems". Инвинность. Получено 16 июн 2020.
  39. ^ «Батарея Авалон».
  40. ^ Стив Вильгельм (3 июля 2014 г.). «Жидкий аккумулятор размером с грузовик даст заряд коммунальным службам». Бизнес-журнал Puget Sound. Получено 2 мая 2015.
  41. ^ БИЛЛ ХЭГСТРАНД (23 августа 2013 г.). «Редокс ванадия: поддержка местных сообществ». Кливлендский бизнес Крейна. Получено 2 мая 2015.
  42. ^ «Инвестиции США в чистые технологии достигают 1,1 миллиарда долларов. Где Ирландия?». Кремниевая Республика. 11 апреля 2011 г.. Получено 2 мая 2015.
  43. ^ "Ванадиевые проточные батареи | Invinity Energy Systems". Инвинность. Получено 16 июн 2020.
  44. ^ Накопитель энергии redT - максимизируйте свою энергию
  45. ^ "Шмид Эверфлоу".
  46. ^ «Voltstorage разрабатывает безопасное и экологичное решение для хранения». 16 января 2018.
  47. ^ "Unsere Stacks machen Redox-Flow-Batterien wettbewerbsfähig".
  48. ^ «Новая технология хранения зеленой энергии».
  49. ^ "Сила в потоке".
  50. ^ 系统 发生 错误
  51. ^ Джефф Сент-Джон (2 марта 2010 г.). «Сделано в Китае: разумная энергия требует $ 22 млн на проточные батареи». ГигаОм. Получено 2 мая 2015.
  52. ^ (주) 에이치 투
  53. ^ «Австралийская компания Vanadium Ltd отправляет из Австрии первую ванадиевую батарею». Активные инвесторы. 13 июля 2016 г.. Получено 24 ноября 2017.

Дополнительные ссылки

внешняя ссылка