Проточный аккумулятор своими руками: принцип работы, отличия, тесты, схема

Проточные аккумуляторы — аккумуляторы нового типа, представляющие собой накопители электрической энергии, отличающиеся по конструкции от традиционных аккумуляторов. В проточном аккумуляторе жидкий электролит прокачивается через ядро при помощи насосов.

Электролит проточного аккумулятора физически распределен оп двум резервуарам (анодный и катодный резервуары — для анодной и катодной частей электролита), размер которых для аккумуляторов разной емкости может варьироваться. При необходимости замены ячеек на новые, допускается повторное использование электролита, что приводит к существенной экономии материалов.

Самая же уязвимая часть проточного аккумулятора — мембрана в центре ячейки, отделяющая друг от друга соответствующие полуячейки. Проблема в том, что мембрана со временем (испытывает разрушительную коррозию), поэтому к электролиту добавляют специальные примеси, замедляющие коррозию мембраны.

Тем не менее тенденция к использованию ванадия в чистой энергетике уже намечается, ведь это позволит создавать

аккумуляторы большой емкости, по характеристикам превосходящие , при том вдвое более дешевые. Стандартизированные проточные аккумуляторы на мощность 250 кВт могут собираться в батареи необходимой емкости вплоть до огромных.

Самые первые проточные аккумуляторы строились по запатентованной в 1954 году технологии, где в качестве электролита выступал хлорид титанав 1986 году, в Австралийском Университете Нового Южного Уэльса, и получила название «редокс» — Reduction-Oxidation.

Россия пока лишь отрабатывает технологию проточных аккумуляторов в условиях лаборатории — исследует режимы и характеристики, изучает реальный потенциал системы.

Конечно, концепция остается стандартной: окислительно-восстановительная батарея с парой емкостей для жидкого электролита, который пропускается одновременно через положительную и отрицательную полуячейки, разделенные мембраной. При движении в одну сторону, электролит заряжается, а при движении в противоположную сторону — отдает накопленную энергию.

Объемы резервуаров варьируют, изменяя таким образом емкость аккумулятора, а для повышения токовых характеристик — увеличивают площадь мембраны между полуячейками, что позволяет повысить предельно допустимую скорость передачи энергии через батарею.

Хотя тема проточных аккумуляторов давно набирает популярность в мире, в России ей пока не очень активно занимаются, лаборатория Сколтеха, на начало 2020 года, была единственной.

Сейчас выявлен основной минус технологии — высокая стоимость ванадия — больше 60 долларов за килограмм оксида. Кроме того исследователи ищут более оптимальный материал для мембраны: этот недорогой материал должен уметь пропускать лишь определённые ионы, при этом быть химически стойким.

Справедливости ради отметим, что еще в 1996 году японцы уже использовали у себя в стране подобные проточные аккумуляторы

общей мощностью более 100 кВт. Сегодня уже можно говорить о достижимых мощностях в десятки мегаватт.

По сей день такие системы применяются в Японии для стабилизации частоты переменного тока с номинальной мощностью в 60 мегаватт. Таким образом, уже сейчас перспективы проточных аккумуляторов вполне очевидны. Они хорошо подойдут для хранения электрической энергии в больших объемах, остается довести технологию до совершенства.

Читайте наш Телеграм-канал https://t.me/ieport_new

Читайте также: Носледние новости России и мира сегодня.

Содержание

Проточные батареи на основе органических редокс-систем для хранения электрической энергии

В связи с расширением сферы практического использования проточных батарей в последние годы исследователи продолжают работать над повышением экономической эффективности проточных батарей и над поиском более эффективных редокс-систем.

Электрохимическая энергетика. 2021. Т. 21, № 2. С. 59– 85

Electrochemical Energetics, 2021, vol. 21, no. 2, pp. 59–85
https://energetica.sgu.ru/ru/journal/2021/2

Обзорная статья
УДК 544.6.076.32

ПРОТОЧНЫЕ БАТАРЕИ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕДОКС-СИСТЕМ
ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНОГО ХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

М. В. Годяева, И. А. Казаринов, Д. Е. Воронков, В. В. Олискевич, И. Г. Остроумов
Саратовский национальный исследовательский государственный университет
имени Н. Г. Чернышевского Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83
Научно-исследовательский институт технологий органической, неорганической химии
и биотехнологий Россия, 410005, г. Саратов, ул. Б. Садовая, д. 239Л

Flow batteries based on organic redox-system for large-scale electric energy storage

M. V. Godyaeva, I. A. Kazarinov , D. E. Voronkov, V. V. Oliskevich, I. G. Ostroumov
Saratov State University 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia
Research Institute of Organic, Inorganic and Biotechnology Chemistry Technologies

239L B. Sadovaya St., Saratov 410005, Russia

Аннотация. Технология проточных редокс-батарей известна с 1970-х годов. Их низкие удельные характеристики в течение длительного периода существенно сдерживали интерес к ним. Практический интерес возник в последние десятилетия в связи с интенсивным развитием альтернативной энергетики (солнечной, ветровой) и регулированием пиковых нагрузок в промышленных электрических сетях. Оказалось, что крупномасштабные накопители энергии для компенсации колебаний выработки энергии солнцем и ветром при производстве электромобилей и систем обеспечения электроэнергией крупных домохозяйств выгоднее реализовывать на проточных редокс-батареях. Во-первых, они очень легко масштабируются, во-вторых, энергия, запасаемая в таких батареях, дешевая.

В связи с расширением сферы практического использования проточных батарей в последние годы исследователи продолжают работать над повышением экономической эффективности проточных батарей и над поиском более эффективных редокс-систем. Одним из таких направлений является использование более дешевых окислительно-восстановительных систем органической природы, в частности хинона, антрахинона и их аналогов. Их высокая растворимость в воде, хорошо разделенные потенциалы окисления-восстановления, практически исключающие расщепление воды, стабильность, безопасность и низкая стоимость в масштабах массового производства являются наиболее важными характеристиками для новых водных органических электролитов.

Пока органические проточные редокс-батареи все же уступают ванадиевым и другим неорганическим редокс-батареям по своим эксплуатационным параметрам. Это сдерживает их развитие в промышленном масштабе. Но результаты, которые продемонстрированы в настоящем обзоре, допускают их дальнейшее усовершенствование и возможную в будущем коммерциализацию.

Ключевые слова: проточные редокс-батареи, неорганические редокс-системы, органические редокс-системы, хиноны, антрахиноны, ализарин

Abstract. Redox flow battery technology has been around since the 1970s. Their low specific characteristics for a long period significantly restrained interest in them. Practical interest has arisen in recent decades in connection with the intensive development of alternative energy (solar, wind) and the regulation of peak loads in industrial electrical networks. It turned out that large-scale energy storage systems to compensate for fluctuations in the generation of energy by the sun and wind, in the production of electric vehicles and power supply systems for large households, are more profitable to implement on flowing redox batteries. Firstly, they are very easily scalable, and secondly, the energy stored in such batteries is cheap.

In connection with the expansion of the scope of practical use of flow-through batteries, in recent years, researchers continue to work on increasing the economic efficiency of flow-through batteries, on the search for more efficient redox systems. One of these areas is the use of cheaper redox systems of organic nature, in particular, quinone, anthraquinone and their analogs. Their high solubility in water, well-separated oxidationreduction potentials, practically eliminating water splitting, stability, safety, and low cost on a scale of mass production are the most important characteristics for new aqueous organic electrolytes.

So far, organic flowing redox batteries are still inferior to vanadium and other inorganic redox batteries in terms of their operational parameters. This hinders their development on an industrial scale. However, the results shown in this review allow for their further improvement and their possible commercialization in the future.

Keywords: flowing redox batteries, inorganic redox systems, organic redox systems, quinones, anthraquinones, alizarin

ВВЕДЕНИЕ

Замена энергии ископаемого топлива возобновляемыми источниками энергии в настоящее время увеличивается, поскольку стоимость энергии солнца и ветра быстро снижается. Последние отчеты показывают, что стоимость ветроэнергетики снизилась на 41%, солнечных фотоэлектрических установок на крыше – на 54%, а фотоэлектрических установок коммунального масштаба – на 64%. Стоимость солнечных панелей в настоящее время составляет менее 30% от полностью установленной солнечной электрической системы [1].

Хотя стоимость электроэнергии от ветра и солнечного света резко снизилась, их широкому распространению мешает внутренняя прерывистость возобновляемых источников энергии. Безопасное, недорогое, эффективное и масштабируемое хранилище энергии может решить эту проблему. Доступен ряд вариантов накопления энергии, таких как насос с гидроприводом, маховики, сжатый воздух, суперконденсаторы, твердоэлектродные батареи, водородный цикл и окислительно-восстановительным проточные батареи, так называемые редокс-проточные батареи.

Технология проточных редокс-батарей (redox-flow battery) (RFB) известна с 1970-х годов. Их низкие удельные характеристики в течение длительного периода существенно сдерживали интерес к ним. Практический интерес возник в последние десятилетия в связи с интенсивным развитием альтернативной энергетики (солнечной, ветровой) и регулированием пиковых нагрузок в промышленных электрических цепях. Оказалось, что крупномасштабные накопители энергии для компенсации колебаний выработки энергии солнцем и ветром,
для снижения пиковых нагрузок в промышленных электрических сетях, для систем обеспечения электроэнергией крупных домохозяйств выгоднее реализовывать на проточных редокс-батареях. Также возможно их применение в качестве электроустановок на транспорте.

Основные преимущества RFB: во-первых, они легко масштабируются, и, во-вторых, энергия, запасаемая в таких батареях, дешевая (табл. 1).

Таблица 1 / Table 1

Однако в связи с расширением сферы практического использования проточных батарей в последние годы исследователи продолжают работать над повышением экономической эффективности проточных батарей, над поиском более эффективных редокс-систем [2]. Одним из таких направлений является использование более дешевых окислительно-восстановительных систем органической природы, в частности хинона и его аналогов.

Для перечисленных выше приложений проточных батарей емкость на килограмм не так важна, как емкость на доллар. Оценочные расчеты показывают, что даже самые дешевые ванадиевые батареи стоят сегодня не менее $350 на кВт·ч емкости, в то время как для широкого внедрения цена должна упасть до $100 за кВт·ч. Улучшение технологии производства собственно ванадиевых батарей вряд ли поможет: только сам ванадий стоит $81 на кВт·ч, т. е., как ни совершенствуй технологию, аккумулятор в комплекте будет всегда дороже.

Поэтому дальнейшее совершенствование проточных батарей связано с переходом на редокс-системы органической природы, в частности на хинон/гидрохиноновую окислительно-восстановительную систему. От ванадиевых батарей новую хиноновую проточную батарею отличает дешевизна компонентов: хинон распространен как в живой природе, так и в сырой нефти, отчего дешевле ванадия. На сам хинон приходится лишь $27 на кВт·ч емкости батареи, что ровно втрое меньше, чем для основного компонента ванадиевого редокс-аккумулятора. Следовательно, у такой или подобной батареи есть все шансы уложиться в прокрустовы $100 за кВт·ч, установленные энергетиками в качестве ориентира.

Очень важным также является то, что хинон-гидрохиноновая реакция протекает примерно в тысячу раз быстрее, чем процессы восстановления и окисления ванадия. А это позволяет значительно увеличить мощность проточных батарей: заряжать и разряжать такую батарею куда оперативнее ванадиевого варианта и, в конечном счете, добиться существенно более стабильных параметров работы сети при той же номинальной
емкости накопителей.

В данном обзоре рассмотрен принцип работы редокс-проточных батарей, проанализированы системы, которые в настоящее время достигли коммерческого применения, и проведен обзор научных работ в области
создания проточных редокс-батарей на основе перспективных органических и органо-неорганических систем.

1. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРОТОЧНОЙ РЕДОКС-БАТАРЕИ

В редокс-проточных батареях используют окислительно-восстановительные системы. Окисленная и восстановленная формы, участвующие в электрохимических реакциях на электродах, находятся в отдельных емкостях. Это позволяет отделить электрохимическую ячейку (генератор) от резервуаров, где находятся реагенты.

Окислительно-восстановительная батарея состоит из двух резервуаров для хранения разряженных/заряженных электролитов, системы преобразования энергии (батарея), состоящей из нескольких элементов, соединенных последовательно или параллельно, насосов для перекачки электролитов через систему преобразования энергии и подключения к устройству генерирования/потребления энергии. Общая схема RFB показана на рис. 1 [3].

Рис. 1. Общая схема проточной окислительно-восстановительной батареи [3]
Fig. 1. General diagram of a redox flow battery [3]

Электролиты в каждом полуэлементе химически запасают энергию в виде растворов и перекачиваются через электродный блок батареи, где происходят реакции переноса электронов на инертных электродах. Циркуляция растворов через электродный блок снимает такую проблему, как отведения тепла. Как правило, в каждом окислительно-восстановительном элементе используются ионообменные мембраны для разделения электролитов (анолита и католита) и электродов. Растворы электролита содержат электроактивные частицы и высокую концентрацию поддерживающего электролита, чтобы минимизировать сопротивление раствора. Электролит каждого полуэлемента ячейки находится в отдельном резервуаре для хранения.

На клеммы подается внешний источник питания, и, по мере того, как два полуэлементных раствора прокачиваются через блок ячеек, разряженная форма каждой редокс-пары преобразуется в соответствующую заряженную форму. Когда нагрузка соединяется через клеммы заряженного или частично заряженного элемента или батареи, поток электронов между окислительно-восстановительными веществами преобразуется в электрическую энергию.

Таким образом, мощность и энергия редокс-батарей не зависят друг от друга: запас энергии зависит от объема раствора, а мощность – от количества и размера ячеек. Это дает возможность усовершенствовать RFB для получения большой мощности, увеличивая количество ячеек, и получения большей энергии, увеличивая объем электролита.

Проточные окислительно-восстановительные батареи имеют ряд достоинств:
– надежны, долговечны и ориентированы на промышленное использование;
– могут достичь практически неограниченной мощности при использовании все больших и больших емкостей для хранения (как уже упоминалось ранее);
– простота перезарядки;
– очень быстро реагируют на изменение нагрузки и не боятся перегрузок, допуская в течение
10 с превышение номинального тока более чем в четыре раза;
– идеально подходят для установки в источники бесперебойного питания и могут использоваться в ветровой и солнечной энергетике;
– «запас прочности» по цене – стоимость таких батарей примерно в два раза ниже литий-ионных.

Наряду с достоинствами имеются следующие недостатки:
– сложность самой системы по сравнению с обычными батареями;
– сильная зависимость от окружающей температуры;
– небольшая плотность хранения энергии (если на каждый килограмм литий-ионного аккумулятора приходится от 80 до 200 Вт·ч·кг−1, то в проточном редокс-аккумуляторе только 35 Вт·ч·кг−1 – при такой плотности энергии накопитель получится огромным).

2. ПРОТОЧНЫЕ БАТАРЕИ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ РЕДОКС-СИСТЕМ

В табл. 2 приведены некоторые электрохимические системы неорганической природы, которые используются в редокс-проточных батареях.
В настоящее время коммерческого применения достигли три электрохимические системы: V|V (Golden Energy Fuel Cell, Prudent Energy, Cellstrom Power) [4], Fe|Cr (Deeya Energy) [5] и Zn|Br (Premium Power) [6]. Наибольшее распространение получила только ванадиевая редокс-проточная батарея, изобретенная в 1984 г. Skyllas-Kazacos и его коллегами из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) [7].

Таблица 2 / Table 2

Полностью ванадиевая окислительно-восстановительная батарея (Vanadium Redox-Flow Battery – VRFB) считается одной из важных технологий накопления энергии, поскольку она имеет много преимуществ, включая длительный срок службы, высокую энергоэффективность, разделенную емкость батареи и низкую стоимость обслуживания [7]. Окислительно-восстановительные пары V3+/V2+ и V5+/V4+ в качестве отрицательных и положительных полуэлементов ванадиевой батареи дают напряжение разомкнутой цепи приблизительно 1.2 В при 100%-ном состоянии заряда [8] (рис. 2).

Рис. 2. Принцип работы ванадиевой проточной редокс-батареи
Fig. 2. Principle of operation of vanadium redox flow battery

На отрицательном электроде идет реакция:

На положительном:

Суммарная реакция:

Разница между этими электродными потенциалами приводит к полному напряжению ячейки 1.25 В в 1 М растворе кислоты, которое увеличивается с уменьшением рН, поскольку только вторая реакция протоно-зависимая и, следовательно, имеет более высокий потенциал при более низком рН.

Стандартное напряжение разомкнутой ячейки составляет 1.26 В. В реальных условиях при использовании 2.5 М раствора H2SO4 потенциал разомкнутой цепи ячейки составляет 1.35 В при 50%-ном состоянии заряда и 1.60 В – в полностью заряженном состоянии. Система может работать в температурном диапазоне 10–40°C [9]. Ванадиевая редокс-проточная батарея была детально изучена группой Skyllas-Kazacos [7, 9, 10] и промышленными организациями в Японии в течение 1980-х годов.

Преимущества, которыми обладает ванадиевая проточная батарея, можно суммировать следующим образом:
– использование одного и того же элемента в обоих полуэлементах, имеющих четыре различных степени окисления ванадия в растворе, устраняет проблему перекрестного загрязнения путем диффузии различных ионов через мембрану;
– элемент не требует катализатора для каждой электродной реакции, а относительно быстрая кинетика окислительно-восстановительных пар ванадия позволяет получить высокую эффективность (до 85%) по заряду и по напряжению;
– многоразовый электролит увеличивает срок службы и снижает стоимость системы, он может быть перезаряжен и глубоко разряжен в пределах емкости электролитов [3].

Эти преимущества и делают VRFB перспективной технологией для масштабного хранения возобновляемой энергии.

Именно ванадиевая система в настоящее время приобрела наибольшее развитие и представляет промышленный интерес. Так, в 1998 г. компания «Hedro Tasmania» (Австрия) построила установку из 3-х ветряных турбин мощностью приблизительно 250 кВт для сельскохозяйственного назначения. Ванадиевые редокс-аккумуляторы также были установлены для выравнивания колебаний нагрузки в сети. Были достигнуты успехи в разработке этих батарей с самой большой установкой мощностью 200 МВт/800 МВт·ч, которая была создана компанией «Rongke Power» (Далянь, Китай). Хотя окислительно-восстановительные пары ванадия стабильны, цена ванадия слишком изменчива и в среднем слишком высока для повсеместного использования в крупномасштабных установках RFB.

В настоящее время долговременная производительность этих систем ограничена значительной потерей запасенной энергии (потерей емкости) в электролитах с течением времени. Потеря емкости происходит, главным образом, из-за нежелательного переноса активных частиц ванадия через мембрану, который известен как кроссовер.

Также важным недостатком VRFB является низкая удельная плотность энергии (25–30 Вт·ч·кг−1), высокая окислительная активность V5+, которая ограничивает выбор ионообменной мембраны и материала положительного электрода (углеродным или графитовым войлоком), и низкий температурный диапазон. Эти ограничения увеличивают стоимость системы VRFB и затрудняют их проникновение на рынок.

С тех пор, как на это указали Skyllas-Kazacos и Robins [7], было проведено много исследований, однако в технологии существуют проблемы, которые еще предстоит решить. Шах c соавт. в 2010 г. [11] подчеркнули, что остается несколько проблем в оптимизации и улучшении текущих конструкций VRFB, в частности в отношении масштабирования, минимизации выделения газа, улучшения стабильности электролита, устойчивости к окислению углерода и загрязнению мембран.

Батареи на основе системы Fe|Cr (Iron/Chromium Redox-Flow Battery – ICFB) хотя и считаются экономически эффективными, но страдают от многих важных недостатков, таких как низкая плотность энергии, медленная кинетика по хрому, сильное выделение водорода и перекрестное загрязнение, и поэтому за последние десятилетия было проведено лишь несколько работ по этой системе [12].

Батареи на основе (Zn|Br) системы (Zinc/Bromine Redox-Flow Battery – ZBFB), в которых в качестве электролита используется недорогой и распространенный бромид цинка, проявляют высокое напряжение ячейки, а также высокую плотность энергии, широко рассматриваются как один из наиболее перспективных кандидатов для крупномасштабного применения в качестве накопителя энергии. В типичном ZBFB бромид цинка служит как активным веществом, так и ионным проводником. Электрохимические реакции могут быть изображены следующим образом:

на отрицательном электроде:

на положительном электроде:

суммарная реакция:

Благодаря высокой растворимости ZnBr2 и высокой разности потенциалов между цинком и бромом теоретическая плотность энергии ZBFB может достигать 440 Вт·ч·кг−1 при практической плотности энергии около 65–75 Вт·ч·кг−1, что значительно выше, чем у VRFB (25–30 Вт·ч·кг−1) и ICFB (< 10 Вт·ч·кг−1) [3.13].

Одной из проблем с цинково-бромной батареей является высокая скорость саморазряда, вызванная миграцией ионов брома в отделение цинкового электрода. Чтобы избежать этого процесса, требуется микропористый сепаратор или ионообменная мембрана. Кроме того, важно использовать комплексообразующие агенты для содержанияи хранения брома.

Проблемы с цинково-бромной батареей включают в себя дорогостоящие электроды, коррозию материала, образование дендритов во время осаждения цинка при заряде, высокие скорости саморазряда, неудовлетворительную энергоэффективность и относительно низкий срок службы цикла. Другим недостатком этой системы является то, что пара Zn/Zn2+ реагирует быстрее, чем пара Br2/Br, вызывая поляризацию и, в конечном итоге, отказ батареи. Несмотря на недостатки этой системы, цинково-бромная батарея с 1970-х гг. является одной из наиболее развитых, серийно выпускаемых проточных аккумуляторных систем из-за высокой плотности энергии, достаточно высокого напряжения элемента (1.82 В), высокой энергоэффективности (80%), высокой степени обратимости и недорогих реагентов.

Низкая плотность мощности является результатом большого внутреннего сопротивления, вызванного низкой проводимостью электролита и большой поляризацией на положительном электроде. Для повышения электропроводности электролита можно использовать вспомогательные электролиты, такие как KCl или NH4Cl.

Однако образование цинкового дендрита является давней проблемой в последние несколько десятилетий. Рост дендритного цинка можно каким-то образом подавить, добавив небольшое количество добавок, но их эффективность все еще не была удовлетворительной. Поэтому много работ посвящено разработке электролита, который не только обеспечивает высокую ионную проводимость, но и препятствует дендритному осаждению цинка. Например, в работе [14] авторы впервые сообщают об использовании метансульфоновой кислоты в качестве вспомогательного электролита для ZBFB, который может не только улучшить проводимость электролита, но и подавить рост дендрита цинка.

Экспериментальные результаты показывают, что кинетика и обратимость Zn2+/Zn и Br2/Br улучшены в этом модифицированном электролите. Кроме того, после добавления 1 М метансульфоновой кислоты внутреннее сопротивление батареи значительно снижается с 4.9 до 2.0 Ом·см2, что приводит к повышению энергоэффективности с 64 до 75% при плотности тока 40 мА/см2. Эти превосходные результаты указывают на то, что метансульфоновая кислота является многообещающим электролитом для проточных цинковых аккумуляторов.

3. ГИБРИДНЫЕ РЕДОКС-ПРОТОЧНЫЕ БАТАРЕИ

В настоящее время многими исследователями ведется интенсивный поиск новых, более эффективных и недорогих редокс-систем для проточных батарей, прежде всего органической природы. Основой целью этих исследований является замена или улучшение ванадиевых редокс-батарей, которые наряду с несомненными достоинствами имеют ряд недостатков, упомянутых ранее.

На первом этапе начали использовать органические редокс-системы, создавая гибридные проточные батареи, в которых лишь один электрод изготавливался на основе органических веществ, чаще всего это был отрицательный электрод.

Так, в 2009 г. Xu с соавт. предложили новую гибридную окислительно-восстановительную батарею на основе 4,5-дигидрокси-1,3-бензолдисульфоната (тирон) и 2,5-дигидроксибензолдисульфоната (сульфохинол) в качестве положительных материалов и PbSO4/Pb в качестве отрицательного электрода в водном растворе H2SO4 с ионообменными мембранами между положительными отрицательным полуэлементами [15].

Электрохимическое поведение тирона и сульфохинола исследовали с помощью циклической вольтамперометрии и гальваностатических методов. Испытания циклической вольтамперометрии проводились относительно SCE (насыщенный каломельный электрод) при скорости сканирования 50 мВ/с в сборке с трехэлектродной конфигурацией, состоящей из графитового электрода (0.24 см2) в качестве инертного рабочего электрода, графитовая пластина в качестве противоэлектрода и насыщенный каломельный электрод (SCE) в качестве электрода сравнения.
На рис. 3 приведены циклические вольтамперограммы, полученные в процессе заряд-разрядного цикла исследуемых ячеек.

Рис. 3. Циклические вольтамперограммы 0.05 М растворов тирона (a ) и сульфохинола (б) на графитовом электроде в 3 М H2SO4: 1 – до и 2 – после заряд-разрядного цикла, скорость сканирования потенциала 10 мВ/с [15]
Fig. 3. Cyclic voltammograms of 0.05 M tiron (a) andsulfonic quinol (b) at graphite electrode in 3 M H2SO4medium: (1) before and (2) after chargedischarge cycle, potential scan rate 10 mV/s [15]

Результаты, полученные с помощью небольшой лабораторной ячейки, показывают, что высокая эффективность может быть достигнута при средней кулоновской эффективности 98% и энергоэффективности 70% за 100 циклов. Полученные высокие показатели свидетельствуют о том, что растворимые хиноны являются перспективными положительными материалами для новых органических окислительно-восстановительных проточных батарей.

Michael J. Aziz и Brian Huskinson с соавт. в 2014 г. опубликовали работу [16], в которой продемонстрировали безметалловую батарею, основанную на окислительно-восстановительной химии 9,10-антрахинон-2,7-дисульфоновой кислоты (AQDS). AQDS подвергается чрезвычайно быстрому и обратимому двухэлектронному и двухпротонному восстановлению на стеклоуглеродном электроде в серной кислоте. Водная проточная батарея с недорогими угольными электродами, сочетающая в себе пару AQDS/AQDSH2 с редокс-парой Br2/Br, показала довольно хорошие результаты: максимальная плотность мощности превышала 0.6 Вт·см−2 при 1.3 A·см−2. Для сравнения: ванадиевая редокс-батарея достигает плотности мощности 1.36 Вт·см−2 [17], отсюда следует, что данная система требует дальнейших доработок.

Применение органических антрахиноновых веществ очень перспективно, так как они могут быть синтезированы из недорогих товарных химикатов. Органический подход позволяет регулировать важные свойства, такие как потенциал восстановления и растворимость, путем добавления в структуру молекул различных функциональных групп [18]. Например, добавление двух гидроксигрупп в AQDS увеличивает потенциал разомкнутой цепи ячейки на 11%. Растворы AQDS в серной кислоте (отрицательный полуэлемент) и Br2 в HBr (положительный полуэлемент) прокачивались через проточную ячейку, как схематически показано на рис. 4. Батарея с антрахинон-бромидным потоками (AQBFB) была сконструирована с использованием мембраны Nafion 212, помещенной между электродами из углеродной бумаги без катализаторов.

Рис. 4. Схема антрахинон-бромидной проточной батареи (показан режим разряда; стрелки перевернуты для режима заряда) [16]
Fig. 4. Schematic diagram of an anthraquinone-bromide redox flow battery (the arrows are reversed for charge mode) [16]

Была зарегистрирована зависимость потенциал-ток и потенциал-мощность для различных состояний заряда. Все данные были собраны при 40°С с использованием 3 М раствора HBr + 0.5 М Br2 на положительном электроде и 1 М раствора AQDS + 1 M H2SO4 на отрицательном электроде.

Также авторы представили результаты циклических исследований для этой батареи, чтобы проверить ее стабильную работу в течение более длительных временных масштабов. Циклические данные, представленные относительно стандартного водородного электрода (SHE), являются высоко воспроизводимыми.

Для того чтобы лучше понять полуреакцию антрахинона на углероде, AQDS подвергали электрохимическим исследованиям. Снимали циклические вольтамперограммы 1 мМ раствора AQDS и DHAQDS в 1 М H2SO4 на рабочем электроде из стеклоуглеродного диска, которые показывают пики тока, соответствующие восстановлению и окислению видов антрахинонов (рис. 5). Разделение анодных и катодных пиков тока составило 34 мВ, что указывает на хорошую обратимость исследуемой редокс-пары.

Рис. 5. Циклические вольтамперограммы 1 мМ AQDS и DHAQDS в 1 М H2SO4 на стеклоуглеродном электроде (скорость сканирования потенциала 25 мВ/с) [16]
Fig. 5. Cyclic voltammograms of 1 mM AQDS and DHAQDS in 1 M H2SO4 on a glass-carbon electrode
(potential scan rate 25 mV/s) [16]

Авторы определили коэффициент диффузии антрахинона (D = 3.8 · 10−6 см2·с−2) и константу скорости его восстановления (k0 = 7.2 · 10−3 см·с−1). Константа скорости больше, чем у других редокс-систем, используемых в проточных батареях.

Функционализация основной цепи антрахинона с помощью электронодонорных групп, таких как гидрокси, снижает потенциал восстановления AQDS (E0), тем самым повышая напряжение элемента. Для доказательства этого авторы провели квантово-химические расчеты. Кроме того, ожидается, что увеличение числа гидроксизаместителей повысит растворимость в воде из-за водородных связей.

Хиноны, которые используются в органических редокс-проточных батареях, имеют много преимуществ. Во-первых, масштабируемость. Во-вторых, кинетические преимущества: хинон-гидрохиноновая реакция протекает примерно в тысячу раз быстрее, чем процессы восстановления и окисления ванадия на простых недорогих углеродных электродах и не требуют дорогостоящего катализатора из драгоценных металлов. Кроме того, этот электрод допускает более высокие зарядные напряжения, подавляя неблагоприятные реакции расщепления воды. В-третьих, стабильность. Наконец, перестраиваемость: потенциал восстановления и растворимость хинонов могут быть дополнительно оптимизированы путем введения функциональных групп, таких как –OH.

Те же авторы в 2016 г. [19] изучали рабочие характеристики проточной батареи с антрахинон-бромидом (AQBFB) и их зависимость от состава электролита, скорости потока, рабочей температуры, материалов электродов, мембран и предварительной обработки этих материалов. Результаты исследования позволяют повысить плотность мощности до 1.0 Вт/см2.

По сравнению с ванадиевыми батареями AQBFB предполагает значительное снижение стоимости. Оптимизация технических и эксплуатационных параметров, таких как конструкция электрода, мембранный сепаратор и температура, должно привести к значительным улучшениям производительности в будущем, как это было с ванадиевыми проточными батареями, для достижения которых потребовалось много лет, чтобы достичь высокой плотности мощности [13].

Kaixiang Lin с соавт. [20] представили щелочную проточную батарею, основанную на органических редокс-системах, которые являются нетоксичными, негорючими и безопасными для использования в жилых и коммерческих помещениях.

Авторы заменили токсичный бром нетоксичным ферроцианидом калия (пищевая добавка Е536) и использовали коммерчески доступный 2,6-дигидроксиантрахинон (2,6-DHAQ). Использование ферроцианидакалия предлагает заметные преимущества по сравнению с бромом, потому что он нелетучий и не вызывает коррозии, что позволяет создавать более простые и менее дорогие материалы. Кроме того, данные комплексные соединения демонстрируют низкие скорости кроссовера через катионообменные мембраны. Батарея работает эффективно
при высокой плотности мощности и при комнатной температуре. Результаты авторов демонстрируют стабильность и эффективность органических молекул в щелочных батареях, потенциально позволяя экономически выгодное стационарное хранение возобновляемой энергии.

В щелочном растворе ОН-группы депротонируются для обеспечения растворимости и большей способности к донорству электронов, что приводит к увеличению напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) на 47% по сравнению с ранее описанной системой. Эта система может достигать удельной мощности > 0.45 Вт/см2 при комнатной температуре и 0.7 Вт/см2 при 45°С.

Циклические вольтамперограммы 2,6-DHAQ и ферро/феррицианида предсказывают равновесный потенциал ячейки в 1.2 В при комбинации этих двух полуреакций (рис. 6).

Рис. 6. Циклические вольтамперограммы (ЦВ) 2 мМ растворов 2,6-DHAQ и ферроцианида в 1 М КОН, сканированная при 100 мВ/с на стеклоуглеродном электроде (стрелки указывают направление сканирования). Пунктирная линия представляет ЦВ 1 М КОН-фона, отсканированного при 100 мВ/с на графитовом фольговом электроде [20]
Fig. 6. Cyclic voltammograms (CV) of 2 mM solutions of 2,6-DHAQ and ferrocyanide in 1 M KOH, scanned at 100 mV/s on a glass-carbon electrode (arrows indicate scan direction). Dotted line represents CV of 1 M KOH background scanned at 100 mV/s on graphite foil electrode [20]

Количественный анализ 2,6-DHAQ при pH 14 выявил окислительно-восстановительное поведение, согласующееся с двумя одноэлектронными восстановлениями при потенциалах, разделенных всего 0.06 В, с быстрой кинетической скоростью, аналогичной скорости хинонов в кислоте.

Тестирование ячеек проводили при 20°С с растворами 0.5 М 2,6-DHAQ дикалиевой соли и 0.4 М ферроцианида калия, растворенных в 1 М KOH. Эти растворы прокачивали через проточную ячейку, изготовленную из графитовых проточных пластин и электродов из копировальной бумаги, которые были разделены мембраной Nafion. Для заряда элемента был приложен зарядный ток 0.1 А·см−2, и были измерены поляризационные кривые при 10, 50 и 100% состояниях заряда хинона (State of Charge (SOC)).

Напряжение ячейки составляет 1.2 В при 50% SOC. Поляризационные кривые показывают максимальную плотность мощности, превышающую 0.4 Вт/см2. Ячейка была задействована при постоянной плотности тока ±0.1 А/см2 в течение 100 циклов. Коэффициент полезного действия по току превысил 99% при стабильной энергоэффективности в обоих направлениях, равной 84%. Во время цикла наблюдалась потеря емкости на 0.1% за цикл, что, по-видимому, является непрерывной потерей электролита в течение 100 циклов.

Для того чтобы показать производительность ячейки, были сняты зависимость напряжения элемента от состояния заряда, зависимости напряжения ячейки и плотность мощности от плотности тока при 20 и 45°C, при 10, 50 и 100% SOC [20] соответственно.

При увеличении температуры до 45°C пиковая плотность мощности увеличивается с 0.45 до 0.7 Вт/см2, а удельное сопротивление ячейки уменьшается примерно с 0.878 до 0.560 Ом/см2, оцененная из линейных частей поляризационных кривых.

Кроссовер был распространенным явлением в кислотных редокс-проточных батареях, где большинство электроактивных молекул либо нейтральны, либо положительны и имеют тенденцию мигрировать через протонпроводящие мембраны.

Однако в этой щелочной системе все электроактивные молекулы остаются отрицательно заряженными во всех состояниях заряда, что приводит к резкому снижению степени кроссовера во время цикла, так как комплексные соединения демонстрируют низкие скорости кроссовера через катионообменные мембраны.

Результаты, представленные в данной работе, подчеркивают способность гидроксизамещенных антрахинонов и ферроцианидов функционировать в качестве стабильных электролитов проточных батарей в щелочном растворе. Авторы подчеркнули, что использование органических и металлоорганических координационных комплексов в щелочи, а не ионов металлов в кислоте, решает серьезные проблемы с затратами, коррозией и безопасностью предыдущих проточных батарей. Кроме того, в щелочной среде антрахинон-ферроцианидная система позволяет избежать кроссовера, коррозионной активности и токсичности, связанных с бромом.

В 2017 г. Z. Yang с соавт. [21] также использовали в своей работе ферроцианид калия. Авторы создали водно-органическую проточную окислительно-восстановительную ячейку (AORFB) с теоретическим потенциалом 1.21 В, используя на отрицательной стороне 2,5-дигидрокси- 1,4-бензохинона (DHBQ), а на положительной – ферроцианид калия.

Ячейки демонстрировали пиковые плотности мощности до 300 мВт/ см2, ограниченные главным образом удельным сопротивлением мембраны и показателями сохранения емкости.

Авторы считают, что потеря емкости 0.24% цикла−1, по-видимому, вызвана комбинацией перехода DBQ через мембрану и химической нестабильностью DHBQ. Были приняты стратегии для повышения коэффициента удержания мощности. Блокируя незамещенные атомы углерода в DHBQ, ячейка на основе гидроксилированного бензохинона была получена с улучшенной стабильностью, демонстрируя степень сохранения емкости 99.96% цикла−1 в течение 400 последовательных циклов, хотя и с повышенным внутренним сопротивлением.

Первоначальные эксперименты с циклической вольтамперометрией подтвердили, что DHBQ подвергается обратимому двухэлектронному восстановлению/окислению с четко выраженными анодными и катодными пиками, имеющими небольшое разделение (рис. 7).

Рис. 7. Циклические вольтамперограммы 1 · 10−3 М растворов K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6, и DHBQ/восстановленный DHBQ в 1 М КОН при скорости сканирования 10 мВ/с. Потенциалы представлены относительно стандартного водородного электрода (SHE) [21]
Fig. 7. Cyclic voltammograms of 1 · 10−3 М solutions of K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6, and DHBQ/reduced DHBQ in 1 М КОН at a scan rate of 10 mV/s. Potentials are referenced to the standard hydrogen electrode (SHE) [21]

DHBQ является химически стойким и синтетически доступным, что сделало его логической альтернативой для исследования. Сравнение DHBQ с другими AORFB показывает, что DHBQ обладает высокой коммерческой доступностью, высокой растворимостью, низкой стоимостью и низким окислительно-восстановительным потенциалом.

Ячейка DHBQ/K4Fe(CN)6 работала при pH 12, при котором DHBQ демонстрирует четко определенные обратимые пики окисления и восстановления. Положительный резервуар (6 мл) состоял из 0.4 М ферроцианида калия в 1 М KOH, а отрицательный резервуар (22.5 мл) был собран из 0.5 М DHBQ в 2 М KOH.

Потенциал ячейки при 10% SOC составлял 1.141 В и поднимался до 1.202 В при 50% SOC. Напряжение в ячейке достигало 1.255 В при ≈100% SOC.

Авторы [21] оценивали первоначальную эффективность ячейки с помощью трех различных коммерческих катионообменных мембран, а именно: Nafion 212 (N 212), Nafion 115 (N 115) и Nafion 117 (N 117). Поляризационные кривые показывают, что ячейки, собранные с N 212, N 115 и N1 17, имеют пиковые плотности мощности 300, 164 и 137 мВт/см2 соответственно. Разница в пиковой плотности мощности является результатом общего сопротивления ячейки. Авторы [21] подчеркивают, что при использовании мембраны меньшей толщины (N 212) ячейка страдает от низкой кулоновской эффективности, нежели чем при использовании более толстых мембран. С другой стороны, толстые мембраны обеспечивают более высокое удельное сопротивление, что приводит к снижению энергоэффективности в обоих направлениях.

Были предприняты усилия для проверки эффективности улучшения химической стабильности DHBQ путем блокирования незамещенных позиций.

Учитывая перспективность DHBQ, авторы [21] провели виртуальный скрининг модифицированных молекул DHBQ, чтобы выявить потенциальные улучшения и получить представление о химическом пространстве в непосредственной близости от молекулы.

В работе [21] авторы указали наиболее перспективные молекулы для дальнейших исследований в редокс-батареях. Результаты показывают, что реагенты на основе DHBQ являются перспективными для щелочных органических проточных редокс-аккумуляторов. По сравнению с антрахиноновыми реагентами бензохиноны имеют более высокую щелочную растворимость, более низкую молекулярную массу и более низкую стоимость. Однако более низкая молекулярная масса вызывает повышенную проницаемость мембраны и тем самым создает проблемы для развития мембраны.

DHBQ не является достаточно стабильным, чтобы обеспечить срок службы, необходимый для практической реализации.

Исследователи подтвердили гипотезу о том, что нуклеофильная атака гидроксидных ионов на незамещенные атомы углерода арильного кольца DHBQ ответственна за наблюдаемое затухание емкости. Синтезированные производные DHBQ, в которых арильное кольцо полностью замещается различными способами, существенно изменили скорость удержания емкости, а также растворимость и окислительно-восстановительную активность.

Результаты, полученные в работе [21], указывают на пути дальнейшего повышения производительности и дают реальный шанс использовать щелочные органические RFB на основе бензохинона для обеспечения безопасного, экономичного и надежного стационарного хранения электрической энергии.

В табл. 3 приведены эксплутационные характеристики некоторых органо-неорганических редокс-протонных батарей в водных электролитах [22].

Таблица 3 / Table 3
Эксплуатационные параметры и эксплуатационные характеристики органо-неорганических редокс-проточных аккумуляторных систем в водных электролитах [22, 23]
Operating parameters and performance characteristics of organo-inorganic redox flow battery systems in aqueous electrolytes [22, 23]

4. ПРОТОЧНЫЕ БАТАРЕИ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕДОКС-СИСТЕМ

Как было сказано выше, с органическими редокс-системами возможно разнообразие молекулярных структур, что позволяет настраивать их свойства: группы заместителей могут быть использованы для изменения растворимости в воде, стандартного окислительно-восстановительного потенциала, а также кинетики. Высокая растворимость в воде, хорошо разделенные потенциалы восстановления, практически исключающие расщепление воды, стабильность, безопасность и низкая стоимость в масштабах массового производства – все это послужило созданию и разработке полностью органических редокс-проточных батарей.

B. Yang с соавт. [24] описали органическую окислительно-восстановительную батарею, также известную как ORBAT, в которой водорастворимые органические окислительно-восстановительные пары используются в качестве безопасной, масштабируемой и эффективной системы накопления энергии с потенциалом покрытия расходов Министерства энергетики США в 100 $/кВт·ч для крупномасштабного накопления энергии.

В такой батарее водные растворы двух различных водорастворимых органических окислительно-восстановительных пар – хинонов и антрахинонов или их производных – циркулировали мимо углеродных электродов в электрохимической ячейке.

В частности, исследователи продемонстрировали возможность работы водной окислительно-восстановительной ячейки с обратимыми водорастворимыми органическими окислительно-восстановительными парами на обоих электродах, которые можно заряжать и разряжать несколько раз с высокой фарадеевской эффективностью без каких-либо признаков деградации: ORBAT на основе 1,2-бензохинон-3,5-дисульфоновой кислоты (BQDS) на положительном электроде с антрахинон-2-сульфоновой кислотой (AQS) или антрахиноном-2, 6-дисульфоновая кислота (AQDS) на отрицательном электроде.

Анализ работы ячейки показал, что для достижения высоких плотностей тока с этими типами редокс-пар решающее значение имеет массоперенос реагентов и продуктов, высокая растворимость реагента/продукта и открытая электродная структура с достаточной площадью поверхности. Поскольку конфигурация ячейки не была оптимизирована, авторы достигли лишь скромного значения плотности мощности 0.025 Вт/см2.

Кроме того, Aspuru-Guzik с соавт. [25] опубликовали компьютерные исследования для определения хиноновых соединений, которые были бы полезны в полностью органической окислительно-восстановительной батарее. Хотя некоторые из этих молекул по прогнозам демонстрируют высокие положительные электродные потенциалы, необходимо учитывать их химическую стабильность, растворимость в водных средах и склонность неионизированных форм к пересечению через катионообменную мембрану.

В 2016 г. B. Yang с соавт. [26] описали систему, в которой положительный электрод помещался в раствор 4,5-дигидроксибензол-1,3-дисульфоновой кислоты (BQDS), а отрицательный электрод в раствор антрахинон- 2,6-дисульфоновой кислоты (AQDS). В данном исследовании наблюдалось десятикратное увеличение производительности ячейки ORBAT по сравнению с предыдущей работой [24]. В результате были достигнуты плотности тока 200 мА/см2 и кулоновская эффективность 100%.

Отделения положительного и отрицтельного электрода разделены протонопроводящей полимерной мембраной, как показано на рис. 8. Во время заряда и разряда окислительно-восстановительные пары подвергаются быстрому переносу электронов для сохранения или выделения электрической энергии.

Рис. 8. Схема полностью органической окислительно-восстановительной проточной батареи с использованием водных растворов 4,5-дигидроксибензол-1,3-дисульфоновой кислоты (BQDS) на положительном электроде и антрахинон-2,6-дисульфоновой кислоты (AQDS) на отрицательной стороне [24, 26]
Fig. 8. Schematic of a fully organic redox flow battery using aqueous solutions of 4,5-dihydroxybenzene-1,3-disulfonic acid (BQDS) on the positive electrode and anthraquinone-2,6-disulfonic acid (AQDS) on the negative side [24, 26]

ORBAT не полагается на какие-либо тяжелые металлы, такие как ванадий, хром или цинк, а также избегает использования летучих и легковоспламеняющихся органических растворителей, таких как те, которые используются в литий-ионных батареях. Кроме того, окислительно-восстановительные реакции не требуют дорогих катализаторов из драгоценных металлов. Имея перспективу удовлетворения требований к производительности и будучи недорогой и безопасной, эта батарея является привлекательным кандидатом для накопления энергии. Однако необходимо удвоить значения плотности мощности, чтобы приблизиться к уровню производительности некоторых коммерческих ванадиевых редокс-батарей.

Все эксперименты проводили с растворами окислительно-восстановительных пар в 1 М H2SO4 при 23°С. Два стеклянных контейнера служили резервуарами для растворов окислительно-восстановительных пар. Поток аргона всегда поддерживали над этими растворами, чтобы избежать реакции восстановления окислительно-восстановительных пар с кислородом. Исключение кислорода имеет решающее значение для поддержания стабильной емкости ячейки. Вольт-амперные характеристики ячеек измерялись при различных состояниях заряда.

Авторы обнаружили, что стабильная емкость может быть достигнута примерно после пяти циклов заряда и разряда. Кулоновская эффективность в первом цикле составила около 33%. Однако в последующих циклах кулоновская эффективность постепенно приближалась к 100%.

Начальное значение зарядного напряжения элемента до преобразований составляло 0.9 В, и оно уменьшалось до 0.7 В к концу 100 циклов, это позволяет предположить, что химические превращения окислительно-восстановительных активных веществ происходили во время цикла. Электрохимические исследования подтвердили, что BQDS подвергался медленному химическому превращению во время заряда и разряда. Также авторы подтвердили отсутствие кроссовера через мембрану Nafion, что свидетельствует о низкой проницаемости данной мембраны для анионной формы окислительно-восстановительных молекул.

Исследователи также показали, что использование большей площади поверхности электрода и улучшение массопереноса к поверхности электрода привели как минимум к трехкратному увеличению плотности мощности. При этом можно достичь плотности мощности 100 мВт/см2 при высокой концентрации реагентов в кислотной форме.

Авторы продемонстрировали возможность многократного циклирования водной окислительно-восстановительной ячейки с обратимыми водорастворимыми органическими окислительно-восстановительными парами (ORBAT), эффективность которого составляет 70% при 100 мА/см2 при 100% кулоновской эффективности.
В табл. 4 представлены эксплуатационные характеристики некоторых полностью органических редокс-проточных батарей [22].

Таблица 4 / Table 4
Эксплуатационные параметры и эксплуатационные характеристики полностью органических редокс-проточных батарей [22]
Performance parameters and performance characteristics of fully organic redox-flow batteries [22]

Концепция симметричной системы ячеек была предложена в различных аккумуляторных системах из-за ее простоты в конструкции и была продемонстрирована как в неводных проточных батареях [27], так и в батареях с твердыми электродами [28, 29].

Чтобы построить симметричную ячейку, окислительно-восстановительный материал должен иметь не менее трех стабильных степеней окисления. Например,неорганические комплексы металлов имеют несколько степеней окисления [29]. Органические молекулы часто делокализируют заряды в протяженных π-электронных системах, таких как порфирины [30], или имеют биполярные функциональные группы [28], но эти функциональные группы обычно несовместимы с водными системами.

В работе [31] исследователи, мотивированные успехом в разработке материалов с отрицательным электролитом на основе антрахинона для высокопроизводительных водных проточных батарей [16, 32–34], предложили для симметричной проточной ячейки использовать производные антрахинона – ализарин. Ализарин, исторически использовавшийся в качестве природного красителя, в изобилии присутствует в растениях рода марены и был первым природным красителем, синтезированным в промышленных масштабах [35]. В одной молекуле антрахинона существуют три степени окисления (рис. 9). Во время заряда центральное ароматические кольцо пара-хинона может быть восстановлено до пара-гидрохинона в отрицательном полуэлементе ячейки с образованием конденсированного гидрохинона, а правое ароматическое кольцо орто-гидрохинона может быть окислено до орто-хинона в положительном полуэлементе с образованием конденсированного хинона. И наоборот, во время разряда конденсированный гидрохинон и конденсированный хинон будут электрохимически переходить обратно в ализарин. Следовательно, все эти процессы в твердотельной батарее могут привести к относительно меньшему изменению объема окислительно-восстановительных активных материалов и вызвать меньшее механическое напряжение на электродах в результате минимальных изменений молекулярной структуры.

Рис. 9. Ализарин (в центре) принимает два электрона и два протона для полного восстановления (слева) или отдает два электрона и два протона для полного окисления (справа) в окислительно-восстановительных реакциях [31]
Fig. 9. Alizarin (center) accepting two electrons and two protons to become fully reduced (left), or donating two electrons and two protons to become fully oxidized (right) in redox reactions [31]

Чтобы изучить окислительно-восстановительную активность системы, авторами [31] было проведено исследование с помощью циклической вольтамперометрии растворимого ализарина, ализаринсульфоната. Как и ожидалось, окислительно-восстановительная пара с низким потенциалом показала превосходную окислительно-восстановительную активность около 0.0 В относительно стандартного водородного электрода, однако для высокопотенциальной окислительно-восстановительной пары не наблюдалось никакого сигнала восстановления, но был показан аномально высокий пик окисления (рис. 10, a). Такое поведение не было специфическим для ализарина, оно также наблюдалось для других конденсированных хинонов, включая хинизарин и другие производные конденсированного хинона.

Рис. 10. Циклические вольтамперограммы ализаринсульфоната (R = SO3 ), растворенного в растворе 1 M H2SO4 и адсорбированного на электроде из углеродной бумаги (скорость сканирования 10 мВ/с). Положительный ток – окислительный. Диапазон сканирования составляет от −0.25 до 1.75 В относительно стандартного водородного электрода (SHE) для ализаринсульфоната, растворенного в 1 M H2SO4, и от −0.05 до 1.20 В относительно стандартного водородного электрода для ализаринсульфоната, адсорбированного на электроде (a ). Циклическая вольтамперограмма для полной симметричной ячейки на гибкой углеродной ткани [31] (б)
Fig. 10. Cyclic voltammograms of alizarin sulfonate (R = SO3 ) dissolved in solution and physisorbed on a carbon paper electrode in 1 M H2SO4 (scan rate: 10 mV/s). Positive current is oxidative. The scanning range is −0.25 to 1.75 V referenced to the standard hydrogen electrode (SHE) for alizarin sulfonate dissolved in solution 1 M H2SO4, and −0.05 to 1.20 V referenced to the standard hydrogen electrode for alizarin sulfonate physisorbed on electrode (a). Cyclic voltammogram for symmetric full cell on flexible carbon cloth [31] (b)

В предыдущей работе Carretero-Gonzalez с соавт. [36] обнаружили, что обратимые циклические вольтамперограммы при высоком потенциале могут быть получены на рабочем электроде с микрополостями, заполненными ализарином и частицами углерода, но было неясно, чем вызвано различие в наблюдаемом окислительно-восстановительном поведении. Чтобы выяснить, является ли продукт окисления стабильным, авторы химически синтезировали окисленный ализарин (конденсированный хинон) и обнаружили, что он стабилен в водном растворе. В ализаринсульфонате только при высоких скоростях сканирования вольтамперограмм (> 5 В/с) появился пик восстановления при высоких потенциалах, который стал более симметричным с его пиком окисления. Это указывает на то, что окисленная форма, по-видимому, стабилизируется только в твердом состоянии (как адсорбат или нерастворимое твердое вещество) (рис. 11). Была выдвинута гипотеза, что ализарин подвергается двум отдельным одноэлектронным процессам во время окисления, и в растворе промежуточный радикал может диффундировать и вызывать последующую деградацию, прежде чем он окислится до стабильной формы тетраона [37].

Рис. 11. Кривые циклической вольтамперометрии 5 мМ сульфированного ализарина в 1 М h3SO4 при различных скоростях сканирования (a , б): 0.025, 0.1, 0.25, 0.5, 2 В/c (a ), 5, 10, 20 и 30 В/с (б). (Потенциалы представлены относительно стандартного водородного электрода (SHE)) [31]
Fig. 11. The cyclic voltammetry curves of 5 mM sulfonated alizarin in 1 M h3SO4 with varying scan rates (a, b): 0.025, 0.1, 0.25, 0.5, 2 V/s (a); 5, 10, 20, and 30 V/s (b). (Potentials are referenced to the standard hydrogen electrode (SHE)) [31]

Таким образом, повышение электрохимической обратимости при высоком потенциале возможно при улучшении кинетики переноса электрона в процессе окисления за счет поддержания тесного контакта между молекулами ализарина и токопроводящим материалом. Действительно, когда сульфонат ализарина был предварительно адсорбирован на копировальную бумагу и использован непосредственно в качестве рабочего электрода, обратимый окислительно-восстановительный процесс наблюдался для части молекулы с высоким потенциалом даже при значительном понижении скорости сканирования потенциала до 10 мВ/с (см. рис. 10, a). Повышение скорости передачи электронов позволяет быстро завершить двухэлектронный перенос между углеродным электродом и адсорбированным сульфонатом ализарина. Таким образом, адсорбированный сульфонат ализарина показывает два набора обратимых и симметричных окислительно-восстановительных пиков при 0.0 и 1.0 В.

Разница потенциалов дает возможность построить твердотельную батарею на 1 В в пределах термодинамической стабильности воды 1.23 В. Кроме того, авторами установлено, что солюбилизирующие группы, которые обычно присоединяются к хинонам для улучшения растворимости в проточных батареях, не имеют отношения к наблюдаемому поведению, а нефункционализированный, нерастворимый ализарин показал такое же поведение при адсорбции на копировальной бумаге (рис. 12).

Рис. 12. Кривые циклической вольтамперометрии адсорбированного ализарина и сульфоната ализарина в 1 М H2SO4. Скорость сканирования 10 мВ/с [31]
Fig. 12. The cyclic voltammetry curves of adsorbed alizarin and alizarin sulfonate in 1 M h3SO4 (scan rate 10 mV/s) [31]

В качестве доказательства концепции симметричной окислительно-восстановительной пары хинона был собран псевдо-конденсатор с использованием двух листов гибкой углеродной ткани с большой площадью поверхности (ткань с активированным углем Spectracarb 2225 тип 900) с адсорбированным ализарином. Полное напряжение ячейки составляло 1.04 В при 50% заряда (см. рис. 10, б). Этот гибкий симметричный псевдоконденсатор на водной основе хинона успешно прошел 200 последовательных циклов полного заряда-разряда.

С целью увеличения практически полезной плотности энергии коммерческий порошок ализарина измельчали в шаровой мельнице и наносили на поверхность углеродной ткани. Такая предварительная операция позволяла улучшить контакт между окислительно-восстановительным активным материалом и электронопроводящим материалом в псевдоконденсаторе. Собранная симметричная ячейка, в которой положительный и отрицательный электроды были разделены гидрофильной пористой мембраной (PP 3401 с покрытием Celgard) и погружены в 1 M сернокислый электролит, показала среднее напряжение 1 В и доступную при токе разряда 10С удельную емкость 81.5 мА·ч/г, которая основана на общем количестве ализарина на обоих электродах и составляет 73.0% от теоретического значения.

Электрохимические характеристики симметричной ализариновой ячейки были дополнительно оценены. На рис. 13, a показаны удельные емкости и профили напряжения при различных значениях тока. При том же количестве активного материала ализарина на обоих электродах разрядная емкость составляла 81.5, 60.5, 51.5 и 42.5 мА·ч/г, а напряжения разряда в средней точке составляли 1.00, 0.95, 0.87 и 0.74 В при циклическом включении элемента при токах 10С, 20С, 50С и 100C соответственно. Перенапряжение увеличивается, а емкость уменьшается с увеличением плотности тока.

На рис. 13, б показаны результаты циклирования симметричной полной ячейки на основе ализарина при токе 10C. Этот неоптимизированный элемент сохранил 47% своей начальной емкости после 100 циклов полных заряда и разряда, а кулоновский КПД стабилизировался на уровне 95%. Чтобы получить представление о потере емкости полной ячейки, эффективность циклирования каждого электрода оценивалась независимо относительно электрода сравнения. Было установлено, что емкость катода уменьшается с гораздо большей скоростью, чем емкость анода, при циклировании током 10C.

Рис. 13. Характеристики симметричной ализариновой ячейки: a – скоростная характеристика симметричного ализаринового элемента при 10, 20, 50 и 100C, удельная емкость основана на общем количестве активного материала ализарина на обоих электродах (223.3 мА/г при 1С); б – циклическая стабильность ализариновой ячейки при 10C [31]
Fig. 13. Characteristics of a symmetric Alizarin cell: a – the rate performance of the symmetric alizarin cell at 10, 20, 50, and 100C, the specific capacity is based on the total quantity of alizarin active material on both electrodes (223.3 mА/g at 1С); b – cycling stability of the alizarin cell at 10C [31]

Таким образом, разработан и испытан твердотельный симметричный редокс-элемент на основе ализарина с напряжением 1.04 В и удельной емкостью 163 мА·ч/г при разряде током 10C. Симметричный элемент на основе ализарина сохраняет 45% своей емкости после 100 циклов со 100%-ным разрядом. Разработанная безметалловая батарея потенциально безвредена для окружающей среды. Естественное изобилие и дешевый коммерческий источник электродных материалов обещают низкую стоимость при производстве в больших масштабах. Новый химический состав и простая конструкция ячейки обеспечивают новую платформу для будущей оптимизации, которая может обеспечить существенное снижение затрат и быстрое инженерное развитие. Дальнейшая оптимизация конденсированных хинонов с улучшенным окислительно-восстановительным потенциалом и стабильностью, а также конструктивное усовершенствование ячеек могут дополнительно улучшить характеристики батареи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Конструкция редокс-проточных батарей обеспечивает значительное преимущество перед твердотельными аккумуляторными батареями за счет разделения энергии и выходной мощности: первая определяется размером бака и концентрацией электролита, вторая – площадью электрода.

В обзоре проведен анализ литературных источников, в которых представлены недавние исследования и разработки в области современных органических редокс-проточных батарей и оценены их преимущества и недостатки по сравнению с ванадиевыми батареями, а также показаны перспективы их дальнейшего развития.

Водные органические окислительновосстановительные батареи используют водорастворимые органические и металлоорганические окислительно-восстановительные молекулы, состоящие только из доступных органических соединений. В основном это производные хинона, антрахинона и ализарина. Их высокая растворимость в воде, хорошо разделенные потенциалы окисления-восстановления, практически исключающие расщепление воды, стабильность, безопасность и низкая стоимость в масштабах массового производства являются наиболее важными характеристиками для новых водных органических электролитов.

Помимо этого, органический подход освобождает окислительно-восстановительную химию от ограничений, связанных с небольшим числом элементарных окислительно-восстановительных пар неорганической природы, которые реально могут быть использованы в проточных редокс-батареях.

Пока органические проточные редокс-батареи все же уступают ванадиевым и другим неорганическим батареям по своим эксплуатационным параметрам. Это сдерживает их развитие в промышленном масштабе. Но результаты, которые продемонстрированы в настоящем обзоре, допускают их дальнейшее усовершенствование и возможнуюв будущем коммерциализацию.

Гибридные батареи, где используются органические и неорганические материалы, показали довольно хорошие результаты и вполне могут заменить в ближайшей перспективе неорганические редокс-батареи. Оптимизация технических и эксплуатационных параметров, таких как конструкция электрода, мембранный сепаратор, должна привести к значительному улучшению производительности и способствовать достижению высокой плотности мощности.

Перспективным направлением в разработке проточных батарей на основе органических редокс-систем является концепция симметричных батарей, в которых окислительно-восстановительный материал принимает участие как на отрицательном электроде (окисляется), так и на положительном электроде (восстанавливается). Эта методология позволяет создавать твердотельные симметричные редокс-батареи для накопления электроэнергии. Использование же органических веществ в симметричном элементе расширяет ресурсы недорогих окислительно-восстановительных материалов для водных аккумуляторных батарей, а простая конструкция элемента позволит в будущем оптимизировать работу в направлении безопасной, дешевой, легкой и гибкой электроники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Obama B. The irreversible momentum of clean energy // Science. 2017. Vol. 355. P. 126–129.
2. Huskinson B., Rugolo J., Mondal S. K., Aziz M. J. A high power density, high efficiency hydrogen–chlorine regenerative fuel cell with a low precious metalcontent catalyst // Energy Environ. 2012. Vol. 5. P. 8690–8698.
3. Skyllas-Kazacos M., Chakrabarti M. H., Hajimolana S. A., Mjalli F. S., Saleem M. Progress in Flow Battery Research and Development // Journal of the Electrochemical Society. 2011. Vol. 158, № 8. P. 55–79.
4. Zhou L., Zhao T. S., An L., Zeng Y. K., Zhu X. B. Performance of a vanadium redox flow battery with a VANADion membrane // Applied Energy. 2016. Vol. 180, № 15. P. 353–359.
5. Zeng Y. H., Zhao T. S., Zhou X. L., Zeng L., Wei L. The effects of design parameters on the charge-discharge performance of iron-chromium redox flow batteries //Applied Energy. 2016. Vol. 182, № 15. P. 204–209.
6. Yang J. H., Yang H. S., Ra H. W., Shim J., Jeon J. Effect of a surface active agent on performance of zinc /bromine redox flow batteries : Improvement in current efficiency and system stability // Journal of Power Sources. 2015. Vol. 275. P. 294–297.
7. Skyllas-Kazacos M., Rychcik M., Robins R. G., Fane A. G., Green M. A. New All Vanadium Redox Flow Cell // Journal of the Electrochemical Society. 1986. Vol. 133, № 5. P. 1057.
8. Rychcik M., Skyllas-Kazacos M. Characteristics of a new all-vanadium redox flow battery // Journal of Power Sources. 1988. Vol. 22. P. 59–67.
9. Kazacos M., Cheng M., Skyllas-Kazacos M. Vanadium redox cell electrolyte optimization studies // Journal of Applied Electrochemistry. 1990. Vol. 20. P. 463–467.
10. Kazacos M., Skyllas-Kazacos M. Performance Characteristics of Carbon Plastic Electrodes in the All Vanadium Redox Cell // Journal of the Electrochemical Society. 1989. Vol. 136, № 9. P. 2759–2760.
11. Shah A. A., Al-Fetlawi H., Walsh F. C. Modelling the effects of oxygen evolution in the all-vanadiumredox flow battery // Electrochimica Acta. 2010. Vol. 55. P. 3192–3205.
12. Zeng Y. K., Zhao T. S., Zhou X. L., Zou J., Ren Y. H. A hydrogen-ferric ion rebalance cell operating at low hydrogen concentrations for capacity restoration of ironchromium redox flow batteries // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 352. P. 77–82.
13. Leung P., Li X., Ponce de León C., Berlouis L., John Low C. T., Walsh F. C. Progress in redox flow batteries, remaining challenges and their applications in energy storage // RSC Advances. 2012. Vol. 2, № 27. P. 10125–10156.
14. Wu M. C., Zhao T. S., Wei L., Jiang H. R., Zhang R. H. Improved electrolyte for zinc-bromine flow batteries // Journal of Power Sources. 2018. Vol. 384. P. 232–239.
15. Xu Y., Wen Y., Chenga J., Yanga Y., Xie Z., Cao G. Novel organic redox flow batteries using soluble quinonoid compounds as positive materials // Non-Grid-Connected Wind Power and Energy Conference, IEEE Publication. 2009. Vol. 13. P. 24–26.
16. Huskinson B., Marshak M. P., Aziz M. J., Suh C., Er S., Gerhardt M. R., Galvin C. J., Chen X. A metal-free organic–inorganic aqueous flow battery // LETTER. 2014. Vol. 505, № 7482. P. 195–198.
17. Perry M. L., Darling R. M., Zaffou R. High Power Density Redox Flow Battery Cells // ECS Transactions. 2013. Vol. 53, № 7. P. 7–16.
18. Song Y., Buettner G. R. Thermodynamic and kinetic considerations for the reaction of semiquinone radicals to form superoxide and hydrogen peroxide // Free Radical Biology & Medicine. 2010. Vol. 49, № 6.P. 919–962.
19. Chen Q., Gerhardt M., Hartle L., Aziz M. J. A Quinone-bromide Flow Battery with 1 W/cm2 Power Density // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 1. P. 5010–5019.
20. Lin K., Chen Q., Gerhardt M., Tong L., Kim S., Eisenach L., Valle A. Alkaline quinone flow battery // Science. 2015. Vol. 349, № 6255. P. 1529–1532.
21. Yang Z., Tong L., Tabor D., Beh E., Goulet M., Aziz M., Gordon R. Alkaline Benzoquinone Aqueous Flow Battery for Large-Scale Storage of Electrical Energy // Science Advances News. 2017. Vol. 8, № 8. P. 8–17.
22. Leung P., Shah A. A., Sanz L., Flox C., Morante J. R., Xu Q., Mohamed M. R. Recent developments in organic redox flow batteries : A critical review // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 360. P. 243–283.
23. Kwabi D. G., Ji Y., Aziz M. J. Electrolyte Lifetime in Aqueous Organic Redox Flow Batteries : A Critical Review // Chemical Reviews. 2020. Vol. 120, № 14. P. 6467–6489.
24. Yang B., Hoober-Burkhardt L. E., Wang F., Surya Prakash G. K., Narayanan S. R. An Inexpensive Aqueous Flow Battery for Large-Scale Electrical Energy Storage Based on Water-Soluble Organic Redox Couples // Journal of the Electrochemical Society. 2014. Vol. 161, № 9. P. 1371–1380.
25. Aspuru-Guzik A., Er S., Suh C., Marshak M., Aspuru-Guzik A. Computational design of molecules for an all-quinone redox flow // Chemical Science. 2015. Vol. 6. P. 885–893.
26. Yang B., Hoober-Burkhardt L. E., Krishnamoorthy S., Murali A., Surya Prakash G. K., Narayanan S. R. High-Performance Aqueous Organic Flow Battery with Quinone-Based Redox Couples at Both Electrodes // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 7. P. 1442–1449.
27. Potash R. A., McKone J. R., Conte S., Abruña H. D. On the benefits of a symmetric redox flow battery // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 3. P. 338–344.
28. Suga T., Sugita S., Ohshiro H., Oyaizu K., Nishide H. p- and n-Type bipolar redox-active radical polymer : Toward totally organic polymer-based rechargeable devices with variable configuration // Advanced Materials. 2011. Vol. 23, № 6. P. 751–754.
29. Gao H., Goodenough J. B. An aqueous symmetric sodium-ion battery with NASICON-structured Na3MnTi(PO4)3 // Angewandte Chemie International Edition. 2016. Vol. 128, № 41. P. 12960–12964.
30. Ma T., Pan Z., Miao L., Chen C., Han M., Shang Z., Chen J. Porphyrin-based symmetric redox-flow batteries towards coldclimate energy storage // Angewandte Chemie International Edition. 2018. Vol. 130, № 12. P. 3212–3216.
31. Tong L., Jing Y., Gordon R., Aziz M. J. Symmetric All-Quinone Aqueous Battery // ACS Applied Energy Materials. 2019. Vol. 2. P. 4016–4021.
32. Ji Y., Goulet M-A., Pollack D. A., Kwabi D. G., Jin S., Porcellinis D., Kerr E. F., Gordon R. G., Aziz M. J. A phosphonatefunctionalized quinone redox flow battery at near-neutral pH with record capacity retention rate // Advanced Energy Materials. 2019. Vol. 9, № 12. P. 1900039.
33. Gerhardt M. R., Tong L., Gómez-Bombarelli R., Chen Q., Marshak M. P., Galvin C. J., Aspuru-Guzik A., Gordon R. G., Aziz M. J. Anthraquinone derivatives in aqueous flow batteries // Advanced Energy Materials. 2017. Vol. 7, № 8. P. 1601488.
34. Kwabi D. G., Lin K., Ji Y., Kerr E. F., Goulet M.-A., De Porcellinis D., Tabor D. P., Pollack D. A., Aspuru-Guzik A., Gordon R. G., Aziz M. J. Alkaline quinone flow battery with long lifetime at pH 12 // Joule. 2018. Vol. 2, № 9. P. 1894–1906.
35. Bien H. S., Stawitz J., Wunderlich K. Anthraquinone Dyes and Intermediates // Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim : Wiley-VCH, 2012. Vol. 3. P. 514–573.
36. Carretero-González J., Castillo-Martínez E., Armand M. Highly water-soluble three-redox state organic dyes as bifunctional analytes // Energy & Environmental Science. 2016. Vol. 9, № 11. P. 3521–3530.
37. Yamamoto N., Kubozono T., Kinoshita Y. Mechanism for oxidative decomposition of anthraquinone dye with hydrogen peroxide // Journal of Oleo Science. 2011.Vol. 50, № 6. P. 507–513.

Как устроен аккумулятор

Недавно я писал статью — сколько по времени заряжать аккумулятор , вам статья понравилась много положительных отзывов за что вам спасибо , лайков и просмотров. Как обычно это бывает, посыпалось много дополнительных вопросов и особенно много от новичков. Многие задают — а как вообще работает батарея автомобиля? Какой принцип действия и для чего она вообще нужна? Конечно, вопросов гораздо больше я их ВСЕ постараюсь осветить немного позже , но первым отвечу новичкам, причем эта информация как я считаю ключевая — дает понимание об электропитании машины.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Разбираем 18650 Li-ion. Li- ионная аккумуляторная батарея Вскрытие покажет!

Как устроен проточный аккумулятор


Проточный редокс аккумулятор — это электрическое устройство хранения энергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. Смотрите BU Как устроен топливный элемент. Жидкий электролит, состоящий из раствора металлических солей, прокачивают через ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электрода, разделенных мембраной. Возникающий между катодом и анодом ионный обмен приводит к выработке электричества. Большинство коммерческих проточных аккумуляторов используют раствор серной кислоты и ванадиевой соли в качестве электролита; электроды изготавливаются из графитовых двухполюсных пластин.

Ванадий является одним из немногих доступных активных веществ, с которыми процесс эрозии можно держать под контролем, но, тем не менее, она присутствует. Были опробованы проточные аккумуляторы, содержащие драгоценные металлы, например, платину, которая также используется в различных типах топливных элементов.

Исследования продолжаются и сегодня, ведь легкодоступное и дешевое активное вещество поможет сделать технологию проточных аккумуляторов более распространенной. Аккумуляторы EverExceed. Приводимые в действие мощными насосами, проточные аккумуляторы показывают лучший результат работы при размерах больше 20 кВт.

Каждая ячейка производит 1,,55 В, для достижения нужных значений напряжения они последовательно соединяются. Подобно топливному элементу, плотность энергии и быстродействие у проточного аккумулятора умеренны.

Это делает его более оптимизированным для хранения больших объемов энергии; и менее — для электрических силовых агрегатов и устройств, требующих быстродействия аккумулятора.

Электролит в таком аккумуляторе хранится в резервуарах. При замене аккумулятора электролит может быть использован повторно, что предоставляет дополнительную экономию.

Проблемной частью проточного аккумулятора является мембрана, которая имеет тенденцию к коррозии. Высокая стоимость мембраны побуждает использовать примеси к электролиту, которые препятствуют коррозии.

На рисунке 1 показан концепт проточного аккумулятора. Рисунок 1: Проточный аккумулятор. Электролит хранится в резервуарах и прокачивается через ядро для выработки электричества; при зарядке процесс идет в обратном направлении. Объем электролита регулирует емкость аккумулятора. Ванадий — й элемент периодической таблицы, основные запасы которого расположены в Китае, России и ЮАР. Тяговые аккумуляторы Trojan USA. Большие системы проточных аккумуляторов суммарной мощностью более кВт были в эксплуатации в Японии уже в году.

Мощность же современных установок достигает десятков мегаватт, например, в той же Японии существует система для регулирования частоты тока мощностью 60 мВт. Присутствует тенденция к уменьшению стоимости и размеров таких аккумуляторов. Вместо того, чтобы конструировать огромный аккумулятор, напоминающий размерами целый химический завод, современные модели поставляются в типовом размере, как правило, кВт, которые могут быть собраны в систему необходимой мощности подобно конструктору.

Проточные аккумуляторы постепенно завоевывают популярность не только в Японии, но и в других частях света. Первые проточные аккумуляторы использовали хлорид титана в электролите, эта технология была запатентована в июле года. Контроль и защита аккумуляторов. Все права защищены. Копирование материалов только при наличии активной ссылки в первом абзаце статьи. Производители стабилизаторов Высокое напряжение в сети Низкое напряжение в сети Скачки напряжения Какой лучше стабилизатор?

Вы здесь: Главная Поддержка Аккумуляторные батареи Проточный аккумулятор. Как устроен проточный аккумулятор Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано Киев, пр-т Л. Курбаса, 14 Call-центер с до Наши сообщества. Standard Range AGM. Gellyte Range GEL. Flooded 6V.

Flooded 8V. Flooded 12V. Батарейный монитор. Защита от глубокого разряда. Батарейный балансир.


Как работает аккумулятор

Батарея сохраняет энергию для использования в будущем. Она вырабатывает напряжение из химической реакции вследствие погружения двух разных материалов, таких как положительная и отрицательная пластины, в электролит, то есть раствор серной кислоты и воды. В типичной свинцово-кислотной батарее напряжение составляет приблизительно 2 вольт на ячейку, то есть в целом 12 вольт. Батарея отдает электричество, как только создается цепь между положительным и отрицательным выводами. Это происходит, когда к батарее подсоединяется какой-либо потребитель электроэнергии, например, радио.

Рассказано, как устроены кислотные аккумуляторы в источнике бесперебойного питания (ИБП), упомянуто об основных их параметрах — емкости и.

Как устроены аккумуляторы телефонов

От читателей сайта часто приходят вопросы о том, как выполнить разборку аккумулятора ноутбука. В принципе, эта процедура несложная, и её можно без проблем выполнить своими руками. Однако из-за низкой ремонтопригодности большинства аккумуляторных батарей ноутбуков их владельцы часто сталкиваются с проблемами при разборке. Поэтому было решено написать этот небольшой мануал по разбору аккумулятора ноутбука. К примеру, ремонт аккумулятора ноутбука. Он заключается в замене литиевых банок на новые. В качестве банок используются литиевые аккумуляторы

Как устроен аккумулятор и батарейка?

Но, разговорной речи на бытовом уровне может также применяться в отношении нескольких отдельных элементов, соединённых последовательно для увеличения напряжения или параллельно для увеличения силы тока друг с другом, то есть для обозначения аккумуляторной батареи. Первый прообраз аккумулятора, который, в отличие от батареи Алессандро Вольты , можно было многократно заряжать, был создан в году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. После пропускания через данное устройство тока от вольтова столба оно само начинало вести себя как источник электричества [1].

Сегодня редко встретишь устройство, работающее от механической энергии, — подавляющее большинство гаджетов питается электричеством.

Как работает аккумулятор автомобиля. Кратко об устройстве + видео

Тесла Моторс является создателем поистине революционных экомобилей, которые не только выпускаются серийно, но и обладают уникальными показателями, позволяющими их использование буквально ежедневно. Залогом успеха данной модели является наличие литий-ионных батарей, основные составляющие которых поставляются для Тесла компанией Panasonic. Аккумуляторы Тесла овеяны легендами. И поэтому один из обладателей такой батареи решился нарушить ее целостность и выяснить, что она представляет из себя внутри. Кстати, стоимость подобной батареи равна 45 USD. Аккумулятор расположен в днище, благодаря чему Тесла обладает низким центром тяжести и прекрасной управляемостью.

Электрический аккумулятор

Советы и хитрости. Xiaomi Redmi Note 4X Blackx View Rating Log. Grand Master Bunny. Advanced Bunny.

Если аккумуляторные батареи используют чаще все в автомобилях, то обычные батарейки, мы вовсю применяем в быту и даже не.

Как лучше разобрать аккумулятор от ноутбука?

Аккумулятор представляет собой устройство, которое накапливает энергию в химической форме при подключении к источнику постоянного тока, а затем отдает ее, преобразуя в электричество. Его используют многократно за счет способности к восстановлению и обратимости химических реакций. Разряжается — снова заряжают.

Аккумулятор: устройство, назначение, принцип работы

Производители телефонов постоянно говорят о том, что устройство следует эксплуатировать правильно. Если не придерживаться обычных правил, то смартфон может взорваться. Некоторые пользователи относятся к этому скептически, потому что ежедневно устройствами пользуются миллиарды людей, и никто не сообщает о несчастных случаях, связанных с эксплуатацией мобильных телефонов. Чтобы понять, кто прав в этом случае, а кто и нет, необходимо разобраться в устройстве аккумулятора. Вне зависимости от того, какая батарея установлена в телефоне, она работает благодаря разному напряжению, возникающему между металлическими пластинами, помещёнными в электролитный раствор. Сегодня производители создают максимально безопасные батареи.

Ни разу не видел за время работы сервисником ИБП, чтобы электроника опиралась на зарядку.

Если аккумуляторные батареи используют чаще все в автомобилях, то обычные батарейки, мы вовсю применяем в быту и даже не задумываемся как же они устроены. Все батареи вырабатывают электричество из химических веществ, находящих внутри нее. Сухие батареи, которые используются в радиоприемниках, карманных фонариках и калькуляторах, работают ограниченное время. Они заполнены специальной густой смесью, в центре которой находится угольный стержень. Когда вся смесь израсходована, батарейка перестает работать, и перезарядить ее нельзя. В автомобилях используются аккумуляторы — батареи, которые можно перезаряжать электричеством и использовать снова и снова.

СмартПульс — держите руку на пульсе высоких технологий! То, что доктор прописал! Характеристики, тесты, обзоры смартфонов, планшетов, электронных книг, плееров и другой мобильной техники. Разборка, ремонт, решение проблем.


Проточные батареи (аккумуляторы) — почему за ними будущее

На чтение 15 мин. Просмотров 4.1k. Опубликовано

Изобретение проточных батарей — нового уникального источника хранения энергии, стало настоящим прорывом в промышленной отрасли. Почему их называют аккумуляторами будущего, где они применяются и чем лучше других накопителей энергии, мы подробно расскажем в данной статье.

Проточная батарея (аккумулятор) — что это такое и как работает

Проточная батарея (или проточная редокс-батарея) – тип гальванического элемента, в котором химическая энергия обеспечивается за счет двух химических компонентов, растворенных в жидкости, содержащейся в системе и разделенной мембраной.

Ионный обмен, сопровождающийся движением электрического тока, происходит через мембраны, в то время как обе жидкости циркулируют в собственном отдельном пространстве.  Напряжение элемента определяется химически через уравнение Нернста и в практических отраслях колеблются от 1 до 2,2 Вт.

Проточная батарея может использоваться как топливный элемент (где извлекается потраченное топливо и добавляется новое), или как перезаряжаемая батарея (где источник электрической энергии запускает регенерацию топлива).

Хотя она обладает такими техническими преимуществами над традиционными перезаряжаемыми батареями, как потенциально отделяемые баки для жидкости и почти безграничный срок службы, на данный момент разработки обладают сравнительно меньшей мощностью и требуют большего количества сложной электроники.
Энергетическая емкость зависит от объема электролита (количества жидкого электролита), а мощность – от площади поверхности электродов.

Принцип построения

Проточная батарея – перезаряжаемая топливная ячейка, где электролит содержит один или больше растворенных электропроводящих элементов, протекающих сквозь гальванический элемент, который напрямую преобразует химическую энергию в электричество (электропроводящие элементы – «элементы в растворе, которые могут участвовать в реакции электрода, или которые могут быть адсорбированы электродом»).

Резервный электролит располагается снаружи, как правило – в емкости, и, как правило, закачивается через элемент (или элементы) реактора, хотя известны и системы подачи самотеком. Проточные батареи могут быстро «перезаряжаться» путем замены жидкого электролита (наподобие заправки топливных баков для двигателей внутреннего сгорания), или синхронного восстановления затраченного материала для повторной подачи питания.

Другими словами, проточная батарея практически похожа на обычный гальванический элемент за исключением того, что ионный раствор (электролит) не сохраняется в элементе вокруг электродов. Чаще всего, ионный раствор хранится вне элемента и может подаваться туда для выработки электричества. Общий объем потенциально произведенной энергии зависит от размера емкостей для хранения.

Работа проточных батарей происходит по принципам, заложенным электрохимической технологией.

Типы батарей

Были разработаны различные типы проточных элементов (батарей), в том числе – редокс-батареи, гибридные и безмембранные. Фундаментальным отличием между стандартными батареями и проточными элементами является то, что энергия хранится не в материале электродов, как в стандартных батареях, а в электролите, как в проточных элементах.

Редокс-батареи

Редокс-элемент (окислительно-восстановительный элемент) – реверсивный элемент, где электрохимические компоненты растворены в электролите. Проточные редокс-батареи являются перезаряжаемыми (аккумуляторами). Так как они работают чаще по принципу переноса разнозаряженных электронов, чем диффузии в твердом теле или внедрения, они, скорее всего, могут называться топливными элементами, а не батареями. В промышленной практике топливные элементы – обычное дело, и, как правило, первичные элементы типа системы h3/O2, не требуются.

Еще одним примером реверсивного топливного элемента является составной регенеративный топливный элемент, используемый на аппарате «Helios Prototype» от НАСА. Европейская патентная организация классифицирует проточные редокс-элементы (H01M8/18C4) как подкласс регенеративных топливных элементов (H01M8/18). Примерами проточных редокс-элементов являются ванадиевая проточная батарея, полисульфидно-бромидная батарея (Regenesys) и урановая проточная батарея. Топливные редокс-элементы менее распространены в коммерческих масштабах, хотя предлагалось большое количество подобных систем.

Был продемонстрирован прототип полийодно-цинковой проточной батареи с плотностью 167 Вт*ч/л. Более старые бромидно-цинковые элементы достигают плотности в 70 Вт*ч/л. Для сравнения, литий-железо-фосфатные батареи накапливают 233 Вт*ч/л энергии.

Заявляется, что полийодно-цинковая батарея безопаснее, чем другие проточные батареи благодаря отсутствия кислотных электролитов, негорючесть и рабочий диапазон температур от -4 до 122F (от -20 до 50C), что убирает потребность во внешней охлаждающей схеме, которая бы дала лишнюю массу и заняла место. Нерешенной проблемой остается то, что цинк оседает на негативном электроде, пропитывая мембрану и уменьшая КПД.

Из-за роста дендритов цинка галоидно-цинковые батареи не могут работать при высокой плотности электрического тока (свыше 20 мА/см2), что, таким образом, ограничивает емкость энергии. Добавление спирта в электролит йодно-цинковой батареи частично помогает решить проблему.

При полной разрядке батареи обе емкости содержат одинаковый раствор электролита: смесь положительно заряженных ионов цинка (Zn2+) и отрицательно заряженных ионов йода, I-. При заряде одна из емкостей содержит еще один отрицательно заряженный ион йода – полийодид (I3-). Батарея производит энергию, закачивая жидкость из внешних емкостей в сечение канала батареи, где жидкости смешиваются. Внутри канала ионы цинка проходит через селективную мембрану и превращается в металлический цинк в отрицательной клемме сечения канала.

Чтобы увеличить энергетическую емкость йодно-цинковой проточной батареи, ионы бромида (Br-) используются в качестве комплексообразующего агента для стабилизации свободного йода, формируя ионы бромистого йода (I2Br-) для освобождения ионов йода для хранения заряда.

Стандартные химикаты проточной батареи обладают как низкой удельной энергией (которая делает их слишком тяжелыми для полноразмерных электромобилей), так и малой удельной мощностью (которая делает ее слишком дорогой для стационарного накопления энергии). Однако была продемонстрирована высокая мощность (в 1,4 В/см2) для бромо-водородных проточных батарей, а броматно-водородные проточные батареи показали удельную энергию в 530 Вт*ч/кг на уровне емкости.

Одна из систем использует органические полимеры и солевой раствор с целлюлозной мембраной. Прототип был способен выдержать 10 000 циклов зарядки при сохранении значительной доли емкости. Плотность энергии составляла 10 Вт*ч/л. Плотность тока достигала 100 мА/см2.

Гибридные батареи

Гибридная проточная батарея использует один и более электропроводящих компонентов, оседающих как твердый слой. В этом случае гальванический элемент содержит один электрод батареи и один электрод топливного элемента. Этот тип ограничен в производстве энергии из-за площади поверхности электрода. Среди гибридных батарей – цинк-бромные, цинк-цериевые и свинцово-кислые проточные батареи.

Безмембранные батареи

Безмембранные батареи основаны на принципе ламинарного потока, где две жидкости перекачиваются через канал. Они проходят через электрохимические реакции для хранения и высвобождения энергии. Растворы перетекают параллельно и немного смешивается. Поток легко разделяет жидкости, устраняя потребность в мембране.

Мембраны часто – самый дорогостоящий и ненадежный компонент батарей, так как они могут ржаветь при повторном воздействии определенных реагентов. Отсутствие мембран позволяет использовать раствор жидкого брома и водорода. Это сочетание проблематично при использовании мембран, потому что они образуют бромистоводородную кислоту, которая может разрушить мембрану. Оба материала доступно по низкой цене.

Концепт использует маленький канал между двумя электродами. Жидкий бром перетекает через канал над графитовым катодом, а бромистоводородная кислота – под пористым анодом. В то же время газообразный водород протекает через анод. Химическая реакция может быть обращена для перезарядки батареи – новация для безмебранных батарей. Одна из таких безмембранных проточных батарей была продемонстрирована в августе 2013 года. Ее максимальная емкость энергии составляет 7950 Вт/м2 — в три раза больше, чем у других безмембранных систем – а ее размеры — гораздо больше, чем у ионно-литиевых батарей.

Компания «Primus Power» разработала запатентованную технологию для своей цинк-бромной проточной батареи – типа проточной редокс-батареи, для устранения потребности в мембране или сепараторе, что уменьшает цену и количество ошибок. Безмембранная проточная редокс-батарея от этой компании работает в сооружениях США и Азии, а появление изделия второго поколения обещалось на 21 февраля 2017 года.

Органические батареи

По сравнению с традиционными водными неорганическими проточными редокс-батареями, как-то ванадиевые или бромисто-цинковые, которые были разработаны десятки лет назад, органические проточные редокс-батареи появились в 2009 году и подавали большие надежды в плане уменьшения главных недостатков, предотвращающих экономическое и экстенсивное сворачивание разработок традиционных неорганических проточных редокс-батарей. Главной заслугой органических проточных редокс-батарей являются изменяемые окислительно-восстановительные свойства редокс-активных компонентов.

В дальнейшем органические проточные редокс-батареи можно разделить на две категории: Водные Органические Проточные Редокс-Батареи (ВОПРБ) и Неводные Органические Проточные Редокс-Батареи (НВОПРБ).

ВОПРБ используют воду в качестве электролита, а НВОПРБ используют органические растворители для растворения редокс-активных материалов.

В зависимости от использования одного или двух органически редокс-активных материалов в качестве анода и/или катода, ВОПРБ и НВОПРБ можно разделить на исключительно органические системы и гибридные органические системы, использующие неорганические материалы в качестве анода или катода. Экспериментальная версия ВОПРБ произошла раньше, чем НВОПРБ.

В случае накопления энергии в промышленных масштабах, ВОПРБ обладает потенциалом куда большим, чем НВОПРБ, так как первые – дешевле, лучшие эксплуатационные характеристики и производительность, а также – преимущества водных электролитов в области безопасности над неводными.

НВОПРБ могут быть применены в ограниченных специальных отраслях за счет более высокой плотности энергии по сравнению с ВОПРБ, несмотря на большее количество проблем безопасности, стоимость органических растворителей, вызванные радикалами побочные реакции, смешение электролитов и ограниченный срок службы. Данные ниже демонстрируют, в основном, особенности ВОПРБ.

Основой некоторых ВОПРБ являются хиноны. В одном исследовании в качестве катодов использовались 1,2-дигидробензохинон-3,5-дисульфокислота и 1,4- дигидробензохинон-2-дисульфокислота, а анолитом в кислотном ВОПРБ служило соединение Pb/PbSO4.

Первые ВОПРБ были гибридными системами, так как они используют органические редокс-активные материалы только для катода. Хиноны принимают две единицы электрического заряда, в сравнении с одной в традиционном католите, что подразумевает, что такая батарея может хранить в два раза больше энергии при аналогичном объеме.

9,10-антрихинон-2,7-дисульфокислота, как и хинон, также была оценена по достоинству. Это соединение подвергается быстрому обратимому восстановлению двух электронов/двух протонов в электроде из стеклоуглерода, погруженного в серную кислоту.

Водная проточная батарея с недорогими углеродными электродами, сочетающая хиноновую/гидрохиноновую пару с окислительно-восстановительную пару Br2/Br-, вырабатывают пиковую гальваническую удельную мощность свыше 6 000 Вт/м2 при 13 000 А/м2. Циклирование показывает сохранение емкости за цикл на уровне свыше 99 %. Удельная энергия за единицу объема достигала 20 Вт*ч/л. Антрахинон-2-дисульфокислота и антразинон-2,6-дисульфокислота на отрицательном полюсе и 1,2-дигидробензохинон-3,5-дисульфокислота на положительном полюсе предотвращают образование опасного брома.

Несмотря на отсутствие опубликованной официальной информации, заявлялось о том, что батарея после тысячи циклов не показала тенденции к ухудшению свойств. Несмотря на то, что эта целиком органическая система оказалась громоздкой, она обладает небольшим напряжением элемента (около 0,55 В) и малой плотностью энергию (менее 4 Вт*ч/л.).

Бромистоводородная кислота, используемая в качестве электролита, была замещена гораздо менее токсичным щелочным раствором (1 моль/литр гидроксида калия) и ферроцианидом. Более высокий pH дает меньшую коррозию, что позволяет использовать недорогие полимерные емкости. Увеличившееся электрическое сопротивление в мембране компенсируется ростом напряжения.

Напряжение элемента составило 1,2 В. КПД элемента превышает 99 %, в то время как цикличный КПД равен 84 %. Батарея обладает ожидаемым сроком службы, как минимум, в 1 000 циклов. Теоретическая плотность энергии составила 19 Вт*ч/л. Химическая стабильность ферроцианидов в растворе гидроксида калия с высоким pH без формирования гидроксида железа (II) и гидкросида железа (III) должна быть проверена, прежде чем пойти в промышленность.

Другая органическая ВОПРБ показала работу параквата в качестве анолита, а 4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил – в качестве католита, а также – соль и дешевая мембрана обмена анионов для обеспечения заряда и разряда. Эта система класса «MV/TEMPO» обладает наибольшим напряжением элемента (1,25 В) и, возможно, наименьшими капитальными затратами (180 долларов/кВт*ч) для класса ВОПРБ.

Жидкие электролиты на водной основе были разработаны как случайная замена для нынешних систем без замены существующей инфраструктуры. Тестовая 600-мВ батарея была способна работать после 100 циклов с КПД около 100 %, плотность тока достигает 20-100 мА/см2, а оптимальная характеристика оценивается на уровне 40-50 мА, что позволяет сохранить примерно 70 % изначального напряжения батареи.

Важность исследований состоит в том, что нейтральные ВОПРБ будут гораздо безопаснее для окружающей среды, чем кислотные или щелочные аналоги, хотя они показывают электрохимические свойства, сравнимые с коррозийными кислотными или щелочными ПРБ.

ВОПРБ типа «MV/TEMPO» обладают плотностью энергии 8,4 Вт*ч/л с ограничением на полюсе «TEMPO». Следующий шаг – определение высшей емкости католита, подходящей для «MV» (растворимость в воде – примерно 3,5 М/л, 93,8 А*ч/л).

Один из концептов проточной батареи основан на редокс-активных органических полимерах, использующих паракват и TEMPO с диализными мембранами. Полимерная проточная редокс-батарея (ППРБ) использует функционализированные макромолекулы (схожие с органическим стеклом или пенопластом), растворенные в воде, выступающей в качестве активной среды и для анода, и для катода.

Таким образом, металлы и сильно коррозионные электролиты – типа солей ванадия в серной кислоте – уже не используются, и можно использовать простые диализные мембраны. Мембрана, разделяющая катод и анод в проточной ячейке, работает как фильтр и гораздо проще и дешевле в производстве, чем обычные ионоселективные мембраны. Она сохраняет крупные полимерные «спагетти-подобные» молекулы, хоть и позволяет пройти мелким противоионам.

Концепт может решить проблему дороговизны стандартной мембраны на основе полифторэтилена с боковыми сульфогруппами, но разработка и синтез редокс-активных полимеров с высокой растворимостью в воде – нестандартная задача.

Металлогидридные батареи

Протонные проточные батареи (ППБ) включает топливный элемент, состоящий из металлогидридного накопительного электрода в реверсивной мембране протонного обмена. Во время зарядки, ППБ сочетает ионы водорода, произведенные после разложения воды, с электронами и частицами метала в одном электроде топливного элемента. Энергия хранится в форме твердого металлогидрида. Разрядка производит электричество и воду, когда процесс обращается вспять, а протоны сочетаются с кислородом из окружающей среды. Могут применяться металлы, гораздо более дешевые, чем литий, и обеспечивать большую плотность энергии в сравнении с литиевыми элементами.

Батареи с сетью наночастиц

Серно-литиевая система, которая была смонтирована в сеть наночастиц, устраняет потребность в том, чтобы заряд двигался к частицам и от них, которые находятся в прямом производстве с проводящей пластиной. Вместо этого сеть наночастиц позволяет электричеству протекать сквозь жидкость. Это позволяет извлекать больше энергии.

Полутвердые батареи

В полутвердых проточных батареях, аноды и катоды состоят из частиц, подвешенных в жидкости-носителя. Суспензии для положительных и отрицательных полюсов хранятся в отдельных емкостях и перекачиваются по отдельным трубопроводам в ряд смежных реакционных камер, где они разделяются барьером типа тонкой пористой мембраны. Подход сочетает основную структуру проточных батарей на водной основе, использующих электродный материал, подвешенный в жидком электролите, с химией ионно-литиевых батарей с безуглеродными суспензиями и жидкими растворами с проводящей углеродной сетью. Безуглеродной полутвердой проточной редокс-батареей также иногда называется проточная редокс-батарея с твердой суспензией. Растворение материала сильно меняет ее химический процесс. Однако, взвешенные частицы твердого материала сохраняют характеристики твердого тела. В результате появляется вязкая суспензия, текущая как меласса.

Преимущества и недостатки

Проточные редокс-батреи и менее распространенные гибридные проточные батареи обладают преимуществами в плане гибкости компоновки (благодаря разделению активных составляющих), длительности срока службы (так как там не происходит фазовых переходов их твердого состояния в твердое), скорости времени отклика, отсутствия потребности в «уравнивании» заряда (перезарядка батареи для обеспечения равным зарядом всех элементов) и отсутствия вредных выбросов. Некоторые типы также предлагают легкое изменение заряда (через зависимость напряжения от заряда), низкую стоимость обслуживания и допуск перезарядки и переразряду. В сравнении с твердыми перезаряжаемыми батареями типа ионно-литиевых, проточные редокс-батареи, а также – их аналоги на водной основе, в частности, могут работать при больших напряжении и плотности энергии. Эти технические достоинства делают проточные редокс-батареи отличным вариантом для хранения энергии в промышленных масштабах.

В качестве недостатка выступает плотность энергии, которая, хоть и сильно отличается, но все же ниже, чем у портативных батарей типа ионно-литиевых.

Также в сравнении с нереверсивными топливными элементами или электролизерами, использующими простые электролитические соединения, проточные батареи, в основном, обладают несколько меньшим КПД.

Развитие и экономия, идущая от лабораторий к промышленным предприятиям, продолжается и сегодня. Стоимость компонентов – один из важных аспектов этого процесса. В лаборатории было продемонстрировано серно-кислородно-солевое соединение.

Отрасли применения

Проточные батареи в большинстве случаев нужны для относительно крупных (1 кВт*ч – 10 МВт*ч) стационарных сооружений. Здесь присутствуют следующие отрасли:

  1. Выравнивание нагрузки, где батарея, соединенная с электрической сетью, накапливает избыточное электричество во внепиковые периоды и высвобождает его в периоды пиковой потребности. Общая проблема, которая ограничивает использование большинства химических веществ в проточных батареях – их низкая площадная мощность (рабочая плотность тока), которая приводит к высокой стоимости энергии;
  2. Хранение энергии из возобновляемых источников типа ветряной или солнечной для разрядки во время периодов пиковой потребности;
  3. Ограничение пика нагрузки, где его удовлетворяет батарея;
  4. Бесперебойное питание, где батарея используется в случае, если главный источник энергии не может обеспечить ее непрерывную подачу;
  5. Преобразование энергии, так как все элементы содержат один и тот же электролит(ы). Следовательно, электролит(ы) могут быть заряжены с использованием определенного числа элементов и разряжаться с его изменением. Так как напряжение батареи пропорционально количеству используемых в батарее элементов, следовательно, она может быть крайне мощным преобразователем постоянного тока. К тому же, если постоянно изменяется число элементов (на стороне входа и/или стороне выхода), также может происходить преобразование переменного тока в постоянный, переменного тока или постоянного тока в переменный с частотой, ограниченной коммутационным оборудованием;
  6. Электромобили – так как проточные батареи можно быстро перезарядить, заменив электролит, они могут использоваться там, где транспорту требуется взять энергию так же быстро, как и транспорту с ДВС. Обшей проблемой, связанной с большинством химикатов в ПРБ при применении их в электромобилях – низкая плотность энергии, что приводит к короткому запасу хода. Проточные батареи на основе высокорастворимых галогенатов являются исключением, достойным внимания.
  7. Автономные электростанции – Примером такого применения являются автоматические телефонные станции, где не требуется электросеть. Батарея может использоваться вместе с солнечными или ветряными источниками энергии для компенсации колебаний уровня мощности или вместе с генераторами для максимального увеличения КПД и сохранения топлива. На данный момент, проточные батареи используются в солнечных микрогридах по всем Карибским островам.

Проточная батарея с органическими компонентами | Новости

Учёные из Гарвардского университета (США) во главе с Майклом Азизом создали новый тип так называемого проточного аккумулятора из довольно дешёвых материалов. Авторы отмечают чрезвычайную важность их разработки для будущего «зелёной» энергетики. 

Проточные аккумуляторы обладают высокой надёжностью и долговечностью (свыше 10 000 циклов) и, что крайне важно, они дешевле литий-ионных батарей в расчёте на киловатт-час запасённой энергии. Наиболее успешным оказался ванадиевый редокс-аккумулятор, принцип работы которого основан на смене степени окисления ванадия в рабочем растворе. Используемых состояний окисления четыре: в аккумуляторе есть 2 сосуда с электролитом, насосы и основная камера, где две жидкости разделены специальной мембраной, поддерживающей протонообмен. В первой ёмкости содержатся ионы V5+, во второй – V2+. Во время работы батареи, будь то разрядка или зарядка, электролиты закачиваются в центральную камеру, запуская реакцию по «сдвиганию» заряда ионов в ту или иную сторону.

Специалисты поймут, а для неспециалистов объясним: в схеме использовано сравнительно небольшое количество ванадия, отсутствует литий. Благодаря этому, стоимость одного киловатт-часа ёмкости аккумулятора может быть ниже 500 долларов. Именно эта планка считается камнем преткновения в окончательной победе электромобилей в автоиндустрии. Ёмкость  нового аккумулятора составляет 20-30 кВт/ч на 1 кг веса батареи. Это немного ниже, чем у свинцового аккумулятора в автомобиле и в разы меньше, чем у литий-ионной батареи ноутбука.

«Экономика должна быть экономной»

Однако для накопления энергии, выработанной солнцем или ветром, этот показатель не так важен, как ёмкость батареи по отношению к доллару.  К тому же, проточный аккумулятор живёт намного дольше своего литий-ионного собрата. Кстати, на острове Хоккайдо (Япония) уже началось строительство первой крупной накопительной станции на основе ванадиевых редокс-аккумуляторов ёмкость которых составляет несколько мегаватт-часов.

К сожалению, японцев мало кто поддерживает в этих начинаниях. Министерство энергетики США подсчитало, что даже наиболее доступные модификации ванадиевых аккумуляторов стоят более 350 долларов на 1 кВт/ч электроэнергии, а для повсеместного внедрения этой технологии цена должна быть ниже 100$. Совершенствование технологии ванадиевых батарей не особо поможет: только сам ванадий обойдётся примерно в 81$ на кВт/ч.

Именно по этой причине команда Майкла Азиза решила заменить ванадий на хиноны – особые органические соединения, ответственные за перенос электронов и протонов в процессе дыхания у животных и растений. Первую ёмкость новой батареи учёные наполнили водным раствором хинона, вторую – жидким бромом. Во время работы аккумулятора, молекула хинона отдаёт через мембрану пару протонов, а ещё 2 электрона – через отдельную цепь. Таким образом в ёмкости с бромом из одной его молекулы образуются 2 молекулы бромистого водорода. Во время зарядки, на бромистый водород подаются электроны, а протоны возвращаются к хинону.

Простым языком: если вам понадобится увеличить ёмкость литиевого аккумулятора, то понадобится дополнительная накопительная ёмкость и весь набор сопутствующей электротехники. В случае проточных батарей таких ограничений нет, поэтому стоимость накопления очень больших объёмов энергии может стать вполне умеренной. Особенно если не требуется большая пиковая мощность, как в случае хранения энергии от фотоэлементов на крыше.

Новая батарея способна ночью поставлять запасённую днём солнечную энергию для одного домовладения уже при ёмкости в 2 тысячи литров. Даже несмотря на большой объём, вариант намного предпочтительней, чем литиевые или свинцово-кислотные альтернативы.

 

Новая хиноновая проточная батарея отличается от ванадиевой ценой компонентов. На долю хинона приходится всего 27$ на кВт/ч ёмкости аккумулятора, что позволит поместиться в рекомендуемый предел 100$ на кВт/ч, предложенный Министерством энергетики США, которое и выступила спонсором исследований.

Важным моментом также является скорость реакции с хиноном. Она происходит в тысячу раз быстрее аналогичных реакций с ванадием. Несложно догадаться, что процесс зарядки таких батарей будет происходить намного быстрее, а также достигается большая стабильность работы такой электросети. 

В настоящее время Майкл Азиз работает над тем, чтобы полностью исключить ядовитый бром из реакции. Заменить его хотят на ещё одну разновидность хинона, видимо, исследуя всё те же дыхательные процессы у животных, которые не используют для этих целей бром.

Коммерческий запуск технологии возможен уже в обозримом будущем. Частная компания Sustainable Innovations, LLC намерена в течении трёх лет представить демонстрационную модель такой батареи. В качестве первых потребителей компания видит домовладельцев и бизнесменов, которые владеют зданиями с солнечными батареями на крышах. 

В проточных аккумуляторах будет использоваться органический электролит

Новый состав проточной батареи предложен учеными Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Ожидается, что стоимость производства будет на 60% ниже, чем у существующих аналогов. Технология, разработанная специалистами PNNL, заключается в использовании недорогого органического электролита вместо стандартных материалов – метила и ванадия, которые имеют высокую стоимость, токсичны и небезопасны. Кроме того, новую технологию можно легко использовать в уже существующих классических проточных аккумуляторах.Проточные батареи имеют две раздельные емкости, в которых содержатся электролиты. Для производства электроэнергии электролиты закачиваются системой в общий резервуар, в котором находятся два электрода, разделенные мембраной. В процессе обмена ионами через мембрану вырабатывается электричество. Проточные аккумуляторы более безопасны, чем литий-ионные аналоги, могут выдерживать высокую температуру и легко переносят длительные периоды бездействия. Такие батареи идеально подходят для хранения и высвобождения энергии из возобновляемых источников – солнечных панелей или ветрогенераторов. Теперь исследователи смогли усовершенствовать технологию работы аккумуляторов, устранив существовавший до этого момента недостаток – необходимость в дорогих и токсичных материалах.Ученые заменили метил и ванадий органическими электролитами. Ожидаемая стоимость киловатт-часа батареи с новым составом – 180 долларов, что на 60% меньше чем у стандартных проточных аккумуляторов. Сейчас исследователи планируют создать масштабный прототип, способный выдерживать нагрузки стандартного частного дома (до пяти киловатт).Конкурентом новинки может стать инновационный аккумулятор, разработанный инженерами Гарварда. Новая батарея обеспечит безопасное и эффективное хранение энергии, используя раствор воды и редкоземельных элементов.

Тэн в батарею — 15 глупых ошибок при сборке радиатора отопления своими руками.

Обычная радиаторная батарея с тэном — это очень хорошая альтернатива не только заводским обогревателям, но и зачастую полноценному отоплению от электрического котла.

Не всегда есть возможность и экономическая целесообразность в прокладке трубной системы.

Например, на даче, в гараже или просто в курятнике. Кто-то возразит и скажет, что проще сдать чугуняку в чермет, и добавив чуть-чуть деньжат, прикупить полноценный масляный обогреватель.

Это далеко не так. Тут все зависит от площади обогрева. Такую батарею можно собрать из 10-20 секций, и нагрев их всего до 50 градусов, получить за те же деньги гораздо больше тепла, чем на 6 ребрах стандартного масляника.

А еще все масляные радиаторы считаются чрезвычайно пожароопасными приборами. Чего не скажешь про батарею с обычной водой.

Кроме того, чугунные и алюминиевые радиаторы будут иметь меньшую температуру на поверхности, меньше запаха от краски, масла и как следствие, чище воздух в помещении.

В общем, для дачи или гаража это дешевле, проще и лучше, чем маленькие заводские отопительные приборы и дуйчики.

Однако, как и в любой самоделке, главное в этом деле – безопасность. У вас в конструкции обязательно должна присутствовать защита от превышения давления и утечки тока.

Как же грамотно собрать такую батарею и не наделать грубых ошибок? Давайте разбираться.

Для такого самодельного обогревателя обычно применяют два типа радиаторов:

  • чугунные с резьбой на 32мм (1 1/4 дюйма)
  • алюминиевые или биметаллические с резьбой на 25мм (1 дюйм)

Чугунные можно использовать даже без тэна. Поднимаете батарею и начинаете переносить ее из угла в угол, пока не согреетесь 😊 КПД выше 100%

А если серьезно, под чугунную батарею тэн найти гораздо проще, так как они получили большее распространение.

Вся конструкция будет выглядеть следующим образом. В нижней части через силиконовую прокладку вкручивается водяной тэн.

По диагонали от него устанавливаются две глухих заглушки. Сверху с обратной стороны от тэна монтируется проходная заглушка с полдюймовым отверстием под кран маевского или аварийный клапан.



Ошибка №1

Не ставьте кран Маевского над самим тэном.



Отсюда может подкапывать вода, а она не должна попадать на электрические контакты нагревательного элемента.

Какой тэн покупать? Естественно, он должен быть со съемным термостатом.

Есть специальные тены для батарей со встроенным терморегулятором. У них вся электрическая часть уже запрятана в изолированных кожух, а сверху выведено электронное табло или механическая крутилка.

Материал — нержавейка в чугунную батарею, медь — в алюминиевую. У меди больше ресурс работы в нержавеющих емкостях.

Страна производитель – Италия. Фирма Термоватт (Thermowatt) неплохо зарекомендовала себя на этом рынке (не реклама).

Ошибка №2

На китайских тэнах УЗО зачастую выбивает сразу, как только тэн привезли из магазина и окунули его в воду.

Поэтому с ними нужно быть осторожнее. Также при покупке не перепутайте форму тэна.



Ошибка №3

Трубки у него должны идти одна возле другой, а не расширяться в форме петли или подковы.

Последние идут в основном для заводских масляных батарей или бойлеров, а не радиаторов с водой. Они просто не пролезут в ниппель между секциями.

А сплющивать или сдавливать их нельзя. Иначе придется на вход добавлять трубу на 32мм и помещать тэн в нее.

Еще проверяйте расстояние между трубкой термодатчика и нагревательными трубками.

Ошибка №4

Между ними должно быть минимум 1,5мм и они не должны соприкасаться.



Рекомендуемое расстояние между самими нагревательными трубками – 3мм.

Расчет мощности радиатора

Какой мощности должен быть тэн?

Ошибка №5

Здесь не нужно исходить из принципа – чем больше, тем лучше.

В первую очередь нужно обеспечить плавную работу нагревательного элемента. Он не должен выключаться и включаться через чур часто.

Подберете слишком мощный тэн и при выходе на рабочую температуру он у вас будет работать в следующем режиме: 1 минута выключено – щелчок – менее минуты включено – щелчок – 1 минута выключено и т.д.

При грамотном подборе мощности и хорошем утеплении помещения, батарея будет 2/3 времени “отдыхать”, отдавая тепло в окружающую среду, и только 1/3 времени работать, потребляя эл.энергию.

Исходя из этого можете примерно рассчитать расход эл.энергии за месяц.

Помимо щелчков, мощная батарея будет сильно шуметь и булькать. Добавление уксуса или лимонной кислоты для смягчения жидкости не особо помогает.

Здесь наблюдается эффект как в электрическом чайнике. При мощности 2квт мы имеем очень малые размеры сосуда, плюс наличие пустот.

В результате резкого выделения тепла в воду и возникает подобный шум. Чем меньше воды в чайнике, тем сильнее он шумит.

То же самое и в батарее. Когда тэн слишком мощный, скорость нагрева получается на порядок выше скорости отвода тепла, плюс сказывается невысокая скорость циркуляции теплоносителя.

Ошибка №6

Зачастую сильный шум при работе возникает при неаккуратном завинчивании или кривом тэне и случайном соприкосновении трубки с перегородкой ниппеля.

Чтобы решить эту проблему, попробуйте немного провернуть тэн по часовой или против часовой стрелки, изменив его положение. Шумная работа на пределе и постоянные щелчки не только раздражают, но и напрямую влияют на срок службы контактов реле.

Поэтому при выборе мощности тэна исходите из правила:

  • максимум 0,5кВт – на каждые 4 секции
  • 0,7кВт – 6 секций
  • 1кВт – 8 секции
  • 1,2кВт – 10 секций
  • 1,5кВт – 12 секций

Установите тэн меньшей мощности, и он у вас вообще не будет отключаться, так как не сможет нагреть воду до нужной температуры.

С одной стороны, это хорошо, батарея никогда не перегреется, даже если будет сбой в работе термореле. Например, для чугуняки (4 секции высотой 500мм), тэн мощностью 300Вт некоторые вообще умудряются вкрутить напрямую без термостата.

Еще один плюс малой мощности – отсутствие раздражающих щелчков. Однако несмотря на это, при недостатке киловатт вы существенно теряете в теплоотдаче.

Вот и приходится искать идеальную формулу.

Когда батарея слишком длинная (12 секций), то лучше вместо одного 1,5кВт тэна, вкрутить сразу два. Снизу радиатора с одной стороны 1кВт, а с другой еще на 0,5кВт.

Либо два по 0,7кВт каждый. Тем самым, прогрев секций будет более равномерным.

Ошибка №7

Только не забудьте проверить резьбу на тэнах.

С двух сторон батареи она разная. При покупке нагревательного элемента обращайте внимание на буковку, которая обозначает правую или левую резьбу (1.1/4R или 1.1/4L).

По заводским параметрам подобные батареи (с высотой или межосевым расстоянием 500мм), при встраивании в полноценную гидравлическую систему отопления, способны рассеивать чуть менее 200Вт тепловой мощности на каждую секцию (180Вт алюминий, 140Вт чугун).

Однако в нашем случае таких цифр не ждите. Во-первых, теплоотдачу в 180/140Вт обеспечивает только новая батарея. А для подобного обогревателя, как правило используют б/у-шные варианты.

Покупать новье для такой самоделки экономически не целесообразно.

Во-вторых, такая работа возможна только при режиме 90С-подача, 70С-обратка. Мы же в этой сборке применяем тэн с оптимальной рабочей температурой 60-65С.

При морозе на улице до -25С можно накрутить и на +70-75С. Максимально возможная температура + 80С.

Поэтому никогда вы такую батарею в НОРМАЛЬНОМ режиме эксплуатации не нагреете до 90С. В принципе этого и не нужно, так как влечет за собой риски резкого повышения давления.

При вкручивании нагревательного элемента, редко какой из них достает до последней секции. Обычно их длина варьируется в пределах 35-40см.

Есть и эксклюзивные модели на все секции, но под заказ (например, Grepan). Вот сравнительные таблицы равномерности прогрева одной и той же батареи (10 секций) стандартным коротким тэном и удлиненным от Grepan.

Однако большинство из нас применяют все же коротыши. Каким же тогда образом обеспечить равномерный прогрев по всей площади?

Вода или масло?

Здесь есть определенные нюансы, связанные с наполнением водой.

Ошибка №8

Для дома рекомендуется именно вода, а не какая-то химическая незамерзайка (этиленгликоль, антифриз, тосол).

По мере работы и нагрева, жидкость в любом случае будет испаряться и находить себе выход через верхние клапана. Вы же не хотите дышать подобной химией у себя дома.

А вот для гаража, сарая или дачи с хорошей вентиляцией, хочешь-не хочешь, а придется лить незамерзайку. Подбирайте максимально экологически безвредную (sweet winter, теплый дом и т.п.).

В противном случае, надолго отключенная батарея с водой, просто-напросто разморозится.

У кого есть возможность, заливают масло. Не веретенку или отработку, а трансформаторное. С ним батарея никогда не замерзнет.

А еще такое масло отличный изолятор. Не нужно будет бояться утечек тока при разрушении оболочки нагревательного элемента.

Только имейте в виду, что при такой “заправке” придется искать специальный масляный тэн.

Ошибка №9

Обычный водяной из-за густого масла и плохой конвекции будет перегреваться и быстро выходить из строя.

В целях пожаробезопасности нагрев при прямом соприкосновении с маслом не должен превышать 250 градусов. Кроме того, масло быстро разъест все резиновые прокладки между секциями.

Заполнение радиатора водой

Сколько же жидкости нужно для такого обогревателя?

Ошибка №10

При заполнении радиатора нельзя, чтобы он в конечном итоге оказался залит водой на 100%.

Наполнение происходит через отверстие уже установленной проходной заглушки. Сначала заливаете радиатор по горлышко.

Затем выставляете его идеально ровно и откручиваете пробку или кран маевского (не саму футорку), сливая лишний объем.



Если батарея уже висит на стене, можете воспользоваться небольшой лейкой с натянутой на носик трубкой или шлангом.

Ошибка №11

Старайтесь не заливать обычную воду из-под крана.

Вода должна быть мягкая. Жесткая очень быстро убьет ваш обогреватель.

Лучше всего дистиллированная или дождевая (она бесплатная). В крайнем случае, вода из фильтра-осмоса.

Воды нужно ровно столько, чтобы она перестала вытекать через отверстие под кран маевского. То есть, уровень жидкости должен заканчиваться как раз на уровне маленького отверстия проходной футорки.

При заливке воды по краешек отверстия, вы автоматически получите нужный уровень столба жидкости, который и обеспечит равномерную, правильную циркуляцию.

В одну секцию чугунной батареи (МС 140-500) помещается около 1,5л воды. В алюминиевую (высота 500мм) – не более 0,35-0,45л. Требуемый объем, считайте по количеству ребер.

Циркуляция без расширителя

Какую роль играют воздушные карманы? По мере прогрева, жидкость внутри батареи расширяется, давление возрастает.

Без воздушных карманов просто не будет компенсации температурного расширения. Никакого расширительного бачка в конструкции то не предусмотрено.

Эти карманы как раз и выполняют его роль. Самодельные расширители только портят внешний вид и помогают выпаривать жидкость из отопителя.

Особенно это опасно с незамерзайками и их смесями (50% тосол или антифриз + 50% дисводы).

Также закрытая система без расширителя за счет создания давления, способствует уменьшению шумов при работе отопителя. Шум — это явление кавитации, когда микропузырьки газа отделяются при нагреве ТЭНа, и их появление напрямую зависит от внешнего давления.

Даже 1,5-2 бара сделают работу батареи значительно тише.

Однако воздух внутри секций таит в себе и скрытую угрозу. При перегреве батареи (не отключился тэн, залипли контакты реле), давление будет возрастать все больше и больше.

Достигнув критической точки, радиатор разорвет. От него может отлететь острый кусок, или вас просто ошпарит горячим паром.

А что будет, если батарею залить по горлышко, вообще без остатков воздуха? В этом случае давление будет нарастать гораздо быстрее, одна из секций в один “прекрасный” момент даст трещину.

Никаким взрывом, это как правило не сопровождается. Но воздушные карманы из-за отсутствия расширителя нам в любом случае нужны.

Установка предохранительного клапана

Поэтому-то в конструкции и следует предусмотреть защиту в виде аварийного клапана.

Ошибка №12

Не ставьте стандартный взрывной клапан, как на бойлерах.

Вам нужен прибор с давлением срабатывания в 3 бара.

Рабочее давление стандартной чугунной батареи в центральной системе отопления – около 9 атмосфер (1бар=1атм). В нашей закрытой батарее в нормальном режиме обогрева оно будет не более 1,0-1,5 бар.

Для измерения давления, вместо одной из заглушек можно поставить небольшой манометр.

Вы в режиме реального времени сможете контролировать работу своей отопительной системы.

Ошибка №13

Нельзя направлять “подрывной” клапан в сторону стены, где стоит розетка с вилкой.

Для того, чтобы с него периодически не капала жидкость, предохранительный клапан можно перевернуть к верху. В этом случае будет преобладать высвобождение газов, а не воды.

Кран маевского или клапан?

Можно обойтись и краном маевского, но тогда понадобится еще одна защита.

На первую секцию батареи (считая от тэна), монтируется внешний аварийный термостат с температурой срабатывания в районе 80-90С. Причем подключается он в разрыв питания самого тэна.

Когда родной термостат тэна не срабатывает, и вода начинает подходить к точке кипения, отрабатывает аварийный термодатчик. Он прерывает подачу напряжения и спасает батарею от взрыва.

Что лучше – аварийный клапан или внешний термостат? Предпочтительнее иметь все же клапан.

Конструкция получается проще и надежнее.

Схема подключения электрики

Что касается обеспечения безопасности при подключении напряжения, то здесь всю схему нужно запитывать только через УЗО или дифф.автомат с током утечки 30мА.

Ошибка №14

Простой модульный автомат для этого не годится.

Иначе придется возле этого чуда передвигаться только в резиновых сапогах и перчатках. Водяные тены со временем разрушаются и нагревательная спираль, изначально защищенная оболочкой, оголяется.

При соприкосновении с водой происходит утечка тока на металлический корпус обогревателя. Стоит вам дотронуться до любой из секций, и вы окажетесь под напряжением.

Нечто подобное происходит в эл.титанах или бойлерах, когда вода из под крана начинает “щипаться” и “бить током”.

УЗО спасает от всего этого. Правда самостоятельно оно сработает только тогда, когда батарея будет заземлена.

В противном случае УЗО будет выжидать момента, пока вы не дотронетесь до батареи рукой. Начало выбивать УЗО – тут же меняйте тэн.

Сам терморегулятор подключается гибким проводом ПВС 3*2,5мм2.

С одной стороны провода монтируется евро вилка, которая и втыкается в ближайшую розетку.

Не зажимайте под винты терморегулятора многожильный провод без наконечников.

Особенно это касается мощных тэнов на 1,5-2,0кВт. Концы жил для надежности контакта необходимо обжать гильзами НШВИ.

Ошибка №15

Еще одна проблема – оголенные контакты на термореле.

При наличии в доме маленьких детей и домашних животных, это очень опасно.

Некоторые мастера советуют закрывать термостат сверху пластиковым корпусом от подрозетника. Он как раз подходит по диаметру.

Климат контроль с воздушным датчиком

Чтобы батарея могла автоматически включаться-отключаться не только при перегреве, но и при достижении заданной температуры в комнате, в схему можно добавить еще один элемент автоматики – реле с воздушным датчиком температуры помещения.

Такие зачастую ставят на теплые полы. Они обеспечат своеобразный климат контроль.

Есть вообще термореле розеточного типа. С ним даже не понадобится изменять схему подключения.

Достаточно будет воткнуть вилку в розетку и система автоматики готова. Подробнее

Особенно это актуально в период отсутствия сильных заморозков, когда на улице еще не так холодно. Конечно, температуру в комнате можно регулировать и встроенным термостатом, тем самым вручную уменьшая нагрев секций, однако:

  • во-первых, это не удобно – каждый раз приходится наклоняться к полу и крутить регулировочное колесико 
  • во-вторых, влечет за собой сильный разброс колебаний температуры в комнате 
  • в-третьих, с электронным термостатом по воздуху вы забудете про раздражающие щелчки от реле 

Статьи по теме

Проточная окислительно-восстановительная батарея, изготовленная из отходов металлургической промышленности

Исследователи из Университета Южной Калифорнии нашли способ сделать эффективную и конкурентоспособную проточную батарею из отходов металлургической промышленности. К счастью для нас, результаты статьи были опубликованы в открытом журнале, и мы смогли изучить технологию, стоящую за этой батареей.

Поскольку потребление электроэнергии, внедрение электромобилей и использование возобновляемых источников энергии продолжают расти, инженеры всего мира ищут идеальную аккумуляторную батарею для универсальных весов.Мы все слышали о литиевой аккумуляторной батарее Tesla мощностью 100 МВт в Южной Австралии. Система пользуется огромным успехом и уже окупилась. Тем не менее, инженеры со всего мира поспешили указать, что до тех пор, пока мы не добьемся прорыва, литиевые элементы в долгосрочной перспективе просто не будут правильным выбором для коммунальной системы. Должно быть лучшее решение.

Каким должен быть хороший аккумулятор?

Проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея, расположенная в Университете Нового Южного Уэльса. Предоставлено: Radiotrefoil

Хранение в масштабе сетки — важная и трудная для решения проблема.Если у нас не будет батарей, мы не сможем отказаться от производства электроэнергии на ископаемом топливе. Без энергосистемы каждый скачок напряжения, например, когда Англия включает свои чайники для чая, вырубил бы ее.

В настоящее время электростанции работают целый день, чтобы соответствовать спросу. Даже если бы у нас не было возобновляемых источников энергии на горизонте, более качественные батареи позволили бы нам более эффективно управлять небольшими электростанциями для удовлетворения спроса. Вы можете использовать одну установку с максимальной эффективностью в течение всего дня, и батарея сможет выровнять нагрузку.Это разница между расходом топлива вашего автомобиля, если вы замедляетесь и ускоряетесь в городе или сохраняете крейсерскую скорость на шоссе.

Идеальная батарея имеет несколько требований. Он должен брать заряд по разумной ставке. Он также должен быть в состоянии доставить этот заряд мгновенно. Самое главное, аккумулятор должен быть дешевым и служить долго. Это буквально невозможная дилемма быстро, хорошо, дешево. Инженеры испробовали все, от расплавленной соли до укладки камней. Например, плотина гидроэлектростанции — это не что иное, как батарея, состоящая из воды и гравитации.Большие батареи Tesla сделаны из литий-ионных элементов.

Основным экономическим фактором при выборе такой системы является нормированная стоимость хранения энергии (LCOS). Это сумма капитальных и эксплуатационных затрат системы на общую энергию, сохраненную и переданную в течение срока службы системы. В документе упоминается, что Министерство энергетики США указывает целевой показатель LCOS на уровне 2,5 цента/кВтч. При стоимости установки 200 долларов США за кВтч батарея должна вырабатывать 8000 кВтч энергии в течение всего срока службы.Как отмечают авторы, если учесть один цикл разрядки и зарядки в день, это означает, что батарея должна работать 22 года. Мы знаем, что литиевые элементы не справляются с этой задачей.

Проточные окислительно-восстановительные батареи

Схема из статьи, показывающая работу типичной проточной батареи.

Существует еще один тип батарей, который мы рассмотрели ранее, называемый проточной окислительно-восстановительной батареей. Эта батарея имеет практически неограниченный срок службы, низкие эксплуатационные расходы и даже может быть экологически чистой.

Химические вещества могут быть двумя отдельными химическими веществами, одним и тем же или любой произвольной смесью. Это влияет на то, насколько эффективна батарея и насколько сложно перерабатывать/обновлять химические вещества, используемые во время работы.

В этой батарее два химических вещества протекают друг мимо друга, разделенные мембраной. В зависимости от того, как вы поместите электроды в химические вещества, протоны проходят через мембрану из одной емкости в другую, создавая между ними разность потенциалов. Используемые вещества могут быть одними и теми же химическими веществами, разными или даже их смесями.

Современные окислительно-восстановительные батареи основаны на ванадии. Самая крупная установка находится в Японии на 60 МВтч. Тем не менее, действительно впечатляющие китайские суперкорпорации энергетической инфраструктуры в настоящее время строят установку мощностью 800 МВтч. Однако ванадий недешев, а материал более чем токсичен.

Железные батареи

В этих батареях прекрасно работает еще один элемент — железо. Он просто ждет прорыва, который позволил бы ему работать в больших масштабах, и именно здесь исследователи добились прорыва.Они обнаружили, что могут использовать сульфат железа, побочный продукт черной металлургии, и антрахинондисульфоновую кислоту в качестве химиката с обеих сторон ванны и получить очень эффективную окислительно-восстановительную батарею.

Он имеет все преимущества перед ванадиевой батареей, кроме более низкого напряжения элемента. Это означает, что установка батареи должна быть немного больше и сложнее, но, в конце концов, она должна быть дешевле, потому что первичный электролит является относительно безопасным промышленным ответвлением, а батарея проста в том, что она представляет собой симметричную систему: химическая смесь на обеих сторонах мембраны одинакова, что упрощает обновление раствора.По оценкам авторов, эта батарея будет стоить 54 доллара за кВтч, в то время как современные ванадиевые батареи колеблются от 160 до 180 долларов за кВтч. Это приятное сокращение.

Эти батареи представляют собой захватывающую часть технологии. Они также удивительно взломаны. Конечно, некоторые из шагов для достижения максимальной эффективности, такие как легирование мембраны углеродными нанотрубками, могут потребовать уровня хакерства [Бена Краснова]. Но элементарные батареи можно сделать из металлолома, что является хорошим показателем жизнеспособности технологии.Нам любопытно посмотреть, как революции в области хранения энергии изменят мир в будущем. Как вы думаете?

Рецепт недорогой, безопасной и масштабируемой проточной батареи

Хотим мы это признать или нет, но все мы довольно сильно зависим от батареек. В основном мы думаем о маленьких батареях на индивидуальном уровне — в наших мобильных телефонах, часах или ноутбуках. Но батареи можно использовать в технологиях, поддерживающих несколько людей, например в гибридных автомобилях.По мере того, как ученые разрабатывают аккумуляторы с большей емкостью хранения энергии, мы можем начать расширять наши взгляды на еще более масштабные приложения.

Если бы батареи можно было спроектировать для безопасного хранения большого количества энергии, их можно было бы интегрировать в существующую энергосистему. Этот тип интеграции можно использовать для хранения энергии, полученной из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер, а также для сглаживания внезапных скачков спроса. Недавние достижения в технологии, называемой проточными окислительно-восстановительными батареями (RFB), обещают масштабируемое хранение энергии.

RFB состоят из органических материалов, способных переносить электроны (редокс-активные). Почти все RFB состоят из двух бассейнов жидкого электролита, разделенных мембраной, которая позволяет некоторым ионам проходить между двумя жидкостями. В этих системах электроны перетекают из отрицательно заряженной жидкости (анолита) в положительно заряженную жидкость (католит). Эти электроны могут либо заряжать систему, либо извлекаться для использования. Поскольку основные компоненты батарей являются жидкими, их можно увеличить, просто увеличив резервуары для хранения.

Новая доступная аккумуляторная платформа

Чтобы эта технология накопления энергии работала, мембрана должна соответствовать большому списку требований. Коррозионная природа электролита требует мембраны с очень высокой химической стабильностью. Для коммерциализации систем мембрана должна быть недорогой. Все материалы, используемые в системе, также должны быть просты в производстве в больших масштабах.

Качество мембраны также имеет огромное значение для работы RFB.Он должен обеспечивать исключительно поток электронов и должен удерживать активные химические вещества. Это очень важно для предотвращения короткого замыкания и саморазряда. Высокая стоимость мембран, отвечающих этим критериям , представляет собой серьезное препятствие для коммерциализации многих RFB. На одну особенно распространенную мембрану, Нафион, приходится 40 процентов стоимости всей клетки.

Реклама

Группа ученых разработала аккумуляторную систему, в которой электролит на водной основе сочетается с органическим химически активным материалом и недорогой мембраной.Их конструкция включает органический полимер в качестве окислительно-восстановительного актива, простую соль (NaCl) в качестве электролита и обычную диализную мембрану (команда использовала диализную мембрану на основе целлюлозы). Эти мембраны очень недороги и обычно используются в лабораторных условиях для разделения полимеров

.

Команда использовала полимеры, которые были разработаны для оптимальной окислительно-восстановительной активности. Анолит содержит простое органическое химическое соединение (производное 4,4’-бипиридина), способное отдавать электроны. Католит содержит окислительно-восстановительный активный материал (радикал ТЕМПО), который способен принимать электроны.Католит и анолит ведут себя очень похоже на воду — из-за низкой вязкости требуется лишь небольшое количество энергии для прокачки жидкостей по системе. Это позволяет более эффективно транспортировать электроны. Им также удалось добиться хорошей производительности клеток за счет оптимизации проницаемости мембраны для соли.

Ученым было интересно проверить селективность мембраны — она должна пропускать электроны, но не другие материалы. Поэтому они определили, способен ли какой-либо из компонентов католита или анолита пройти через мембрану.Во-первых, они выполнили 10 000 циклов заряда-разряда тестовой ячейки RFB. Затем они взяли пробы растворов анолита и католита. Они обнаружили, что через нее проходят только следовые количества полимеров.

Проверка системы

Команда построила дополнительные батареи и проверила свойства системы. Они обнаружили, что RFB может обеспечить напряжение холостого хода 1,1 В. Это означает, что систему можно безопасно заряжать и разряжать в диапазоне напряжения 0.8- 1,35 В.

Эти элементы также смогли сохранить высокий процент своей первоначальной емкости, демонстрируя энергоэффективность от 75 до 80 процентов. Также были проведены дополнительные исследования заряда-разряда, чтобы понять стабильность напряжения. Они обнаружили, что напряжение стабильно в диапазоне от 10 до 90 процентов заряда. Даже после 10 000 циклов в статической неоткачиваемой ячейке сохранялось 80 процентов первоначальной емкости.

В целом, эта система устраняет многие опасности, связанные с более ранними проточными батареями, и в то же время является доступной альтернативой.Кроме того, окислительно-восстановительные материалы фактически меняют цвет при переносе электронов, что действует как визуальная индикация состояния заряда батареи. Это экспериментальное исследование может проложить путь к новому классу более безопасных батарей, которые можно масштабировать для работы в сети.

Nature , 2015. DOI: 10.1038/nature15746 (о DOI).

Изображение списка Энди Армстронга через Flickr

Что такое проточные батареи и как они работают?

Инженеры придумывают множество способов хранения чистой энергии, которую мы производим в батареях.Хотя производство аккумуляторов для возобновляемых источников энергии все еще находится в зачаточном состоянии, существуют некоторые популярные технологии систем накопления энергии, использующие комбинации свинцово-кислотных и мощных литий-ионных (Li-ion), которые лидируют на рынке.

Тем не менее, у вышеупомянутых типов аккумуляторов есть недостатки. Они оба имеют относительно короткий срок службы, и их не рекомендуется полностью разряжать перед повторной зарядкой. Аккумуляторщики называют последнюю особенность малой «глубиной разрядки».

Аккумуляторы

Flow — это новый участник рынка аккумуляторных батарей, предназначенный для крупномасштабных приложений по хранению энергии. Эта технология хранения находилась в стадии исследований и разработок в течение нескольких десятилетий, хотя сейчас она начинает находить практическое применение.

Технология Flow Battery

примечательна своим уникальным дизайном. Вместо одного закрытого аккумуляторного элемента, где электролит легко смешивается с проводниками, жидкость разделяется на два резервуара, а электроны проходят через электрохимические элементы и разделяющую их мембрану.

В этой статье мы более подробно рассмотрим, как они работают, сравним преимущества проточных батарей с недорогими ионно-литиевыми батареями, обсудим некоторые потенциальные области применения и предоставим отраслевые перспективы их расширенного использования.

Что такое проточные батареи и как они работают?

Основное различие между проточными батареями и другими типами перезаряжаемых батарей заключается в том, что водный раствор электролита, обычно присутствующий в других батареях, не накапливается в ячейках вокруг положительного электрода и отрицательного электрода.Вместо этого активные материалы хранятся во внешних резервуарах и перекачиваются к мембране проточной ячейки и блоку питания. Чем больше резервуары для хранения, тем больше электроэнергии может быть произведено.

Источники энергии, такие как фотоэлектрические батареи или батареи ветряных турбин, заряжают электроны в растворе электролита в баке с положительным анолитом, соединенном с анодом, посредством процесса, называемого «окислением».

Затем заряженные электроны выталкиваются в резервуар с католитом, привязанный к катоду, посредством процесса, называемого «восстановлением».Ионный обмен происходит в полуячейках, которые окружают защитную мембрану, разделяющую резервуары.

При включении батареи электроны возвращаются с помощью насоса в первый резервуар через проводящую микропористую полимерную мембрану, которая генерирует электрический ток.

Посмотрите это замечательное видео, в котором более подробно показано, как работает процесс, включая состояние заряда:

Ванадий становится предпочтительным электролитом для проточных батарей

Существуют различные типы проточных батарей, от полисульфидных окислительно-восстановительных, гибридных до органических, а также длинный список соединений электрохимической реакции (включая цинк-бром и железо-хром), хотя ни один из них не достиг производительности, эффективности, или уровни затрат, необходимые для широкомасштабного внедрения — пока.

В большинстве имеющихся в продаже проточных аккумуляторов используется ванадиевый жидкий электролит, материал, встречающийся в основном в России.

Ванадий в кристаллической форме. Изображение предоставлено: The Guardian

Отличительной чертой ванадия, помимо его российского происхождения, является его способность действовать как электрохимическая вешалка для одежды. Точно так же, как вешалка может выдерживать века надевания и снятия пальто с ее перекладин, электроны могут быть добавлены и удалены из ванадия, казалось бы, навсегда без разрушения материала в результате циклов заряда-разряда.

Процесс ионного обмена добавления и удаления электронов из одного элемента, такого как ванадий, сильно отличается от химических энергетических реакций, которые могут со временем разрушать материалы в других типах элементов батареи.

Когда ванадий используется в качестве основного ингредиента в проточной батарее, срок службы системы значительно увеличивается по сравнению с литий-ионными батареями. В то время как проточная батарея теоретически может работать бесконечно, практический срок службы составляет около 30 лет, поскольку по истечении этого срока может потребоваться капитальный ремонт насосов и графитовых резервуаров для хранения.

Резервуары проточных аккумуляторов обычно размещаются в автономных блоках, немного напоминающих грузовые прицепы:

Изображение предоставлено: Журнал накопления энергии

Некоторые массивы проточных батарей в масштабе сети имеют размер складов, которые могут хранить мегаватт-часы (мВтч) электроэнергии.

Изображение предоставлено: Аккумуляторы Invinity Flow

Например, на изображении выше британская коммунальная компания экспериментирует с использованием блока проточных батарей мощностью в несколько мегаватт в качестве буфера между своим источником питания и своей инфраструктурой распределения электроэнергии.Компания Invinity, производитель проточных батарей для этого проекта, надеется, что такие крупномасштабные установки станут более распространенными в ближайшие годы.

Будущие области применения проточных батарей

Коммунальные услуги

Операторы электросетей и коммунальные предприятия приняли к сведению обещание проточных батарей обеспечить долгосрочную надежность и гораздо большее количество часов ежедневного использования, чем другие варианты хранения батарей, такие как литий-ионные или свинцово-кислотные батареи.

Проточные батареи могут разряжаться до 10 часов подряд, в то время как большинство других коммерческих типов батарей рассчитаны на один или два часа непрерывной разрядки.

Роль проточных батарей в коммунальных приложениях предполагается в основном как буфер между доступной энергией из электрической сети и трудно предсказуемым спросом на электроэнергию. Например, летом может быть много энергии, вырабатываемой из чистых источников, таких как солнечные батареи на крыше, в некоторые дни, и заметно меньше в пасмурные дни. Если на улице жарко, потребуются дополнительные кондиционеры.

Поскольку проточная батарея может накапливать и разряжать надежное количество электроэнергии в течение почти половины дня, она позволяет коммунальным предприятиям избегать перепроизводства и снижает нагрузку на сетевую инфраструктуру из-за слишком большого количества энергии.

Микросети

Микросети представляют собой уменьшенную версию электрической сети, и в любое время они могут работать независимо от электрической сети.

Источники питания для микросетей могут поступать из небольших возобновляемых источников, таких как наборы солнечных батарей, разбросанных по деревне, и несколько ветряных турбин. У них есть несколько сильных преимуществ, в том числе: 

  • Коммунальная электроэнергия направлена ​​на важные объекты, такие как медицинские центры, во время отключения электричества
  • Энергетическая независимость для общества
  • Охрана окружающей среды благодаря использованию экологически чистой энергии

В то время как они в основном рассматривались как своего рода социалистическая несбыточная мечта хиппи, отражающая идеализированное общественное существование, они набирают популярность и в последнее время используются во многих областях.

Проточные батареи могут хорошо вписаться в архитектуру микросетей по тем же причинам, по которым коммунальные предприятия заинтересованы в их использовании. Они служат долго и могут удовлетворить потребности сообщества, когда электроэнергия в сети стоит дорого или микросеть не может производить достаточно энергии сама по себе.

Электромобили (EV)

Поскольку проточные батареи можно быстро «перезарядить», заменив жидкий электролит, они имеют большое значение для будущего топлива для электромобилей.

Теоретически отработанный электролит можно легко слить и заменить на заправочной станции. Это, безусловно, было бы более быстрым решением, чем ждать до 20 минут, пока ваш электромобиль медленно всасывает электроны обратно в свои литий-ионные элементы.

Тем не менее, проточные батареи имеют низкую плотность энергии. Это означает, что дальность полета будет очень короткой. Некоторые исследователи в области электрохимии изучают возможность использования солей с высокой растворимостью в растворе электролита для увеличения запаса хода, но применение проточных батарей в электромобилях на данный момент выглядит беспочвенным.

Проточные батареи по сравнению с ионно-литиевыми батареями

Существуют некоторые важные различия, которые необходимо учитывать при сравнении проточных аккумуляторов с ведущими технологиями аккумуляторов, такими как литий-ионные аккумуляторы:

Безопасность

Аккумуляторные системы

Flow довольно безопасны, поскольку не содержат легковоспламеняющихся электролитов.

Наиболее часто используемая в резервуарах ванадиевая жидкость, хотя и редкая и дорогая, также является экологически чистой. Поскольку резервуары могут быть размещены дальше от проводящей клеточной мембраны и блока питания, они еще более безопасны.

Победитель: Проточные батареи

Долговечность

Если вы перезаряжаете литий-ионные батареи каждый день, вы можете ожидать, что они прослужат всего около 8 лет, тогда как проточные ванадиевые батареи могут прослужить до 30 лет. Это в основном потому, что в проточных батареях нет необходимых межфазных химических реакций.

Электроны могут добавляться и удаляться из ванадиевого электролита без разрушения материала. Это приводит к гипотетически неограниченному сроку службы батареи.

Победитель: Проточные батареи

След

Как упоминалось ранее, проточные батареи имеют большой вес и требуют больших резервуаров для хранения электролита. Эта емкость для хранения занимает много места.

Литий-ионные аккумуляторы

легче и портативнее.

Победитель: Литий-ионные аккумуляторы

Стоимость

Поскольку проточные батареи имеют относительно низкую скорость заряда и разряда, их электроды и мембранные сепараторы должны иметь довольно большую площадь поверхности.Что приводит к увеличению затрат.

Кроме того, проточные батареи требуют больше насосов, водопровода и обслуживания, чем литий-ионные.

Наконец, проточные батареи не достигли зрелости отрасли литий-ионных. Следовательно, с помощью этой технологии не достигается экономия за счет масштаба производства, которая могла бы принести выгоду от более низких цен.

Победитель: Литий-ионные аккумуляторы

Плотность мощности

В то время как литий-ионные батареи могут выдавать большое количество энергии за короткий промежуток времени (от 1 до 2 часов), проточные батареи имеют гораздо меньшую удельную мощность.Это означает, что они лучше обеспечивают стабильное количество меньшего количества энергии в течение более длительного периода времени (до 10 часов).

Проточные батареи

требуют больших резервуаров для электролита для хранения того же количества энергии, что и литий-ионные батареи гораздо меньшего размера.

Победитель: Жеребьевка в зависимости от продолжительности необходимого цикла работы батареи

Перспективы отрасли проточных батарей

Поскольку все больше и больше коммунальных предприятий переходят на систему выставления счетов по времени использования, проточные батареи представляют собой привлекательное решение для операторов микросетей или крупных производственных предприятий, позволяющее перевести дорогостоящие пиковые нагрузки на длительное использование батарей.

Тем не менее, устройства хранения с проточными батареями, способные обеспечить высокие энергетические требования, необходимые для коммунальных приложений, по-прежнему непомерно дороги.

Несмотря на это, прогнозируется, что рынок проточных аккумуляторов будет иметь умеренный совокупный годовой темп роста (CAGR) более 12% до 2025 года. Большая часть спроса прогнозируется в Азии, особенно в Китае и Индии.

Ожидается, что проточные батареи с ванадиевым окислительно-восстановительным потенциалом

будут наиболее часто используемым типом проточных батарей, в первую очередь из-за их способности заряжаться и разряжаться без ухудшения характеристик.Крупнейшими игроками на рынке проточных аккумуляторов являются Redflow, Primus Power и ESS.

Промышленности проточных аккумуляторов еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем она сможет конкурировать по стоимости с более зрелыми литий-ионными технологиями. Тем не менее, они обещают очень долгий срок службы и длительные сроки разрядки, приближающиеся к половине дня, и мы ожидаем, что в будущем они будут использоваться чаще, поскольку организации и сообщества становятся более независимыми от энергии.

Узнайте, сколько вы можете сэкономить на электричестве, перейдя на солнечную энергию

Ключевые блюда на вынос

  • Проточные батареи уникальны по своей конструкции, которая перекачивает электролиты, хранящиеся в отдельных резервуарах, в блок питания.
  • Их основным преимуществом по сравнению с литий-ионными батареями является более длительный срок службы, повышенная безопасность и пригодность для продолжительной работы.
  • К их недостаткам относятся большие первоначальные затраты и низкая удельная мощность.
  • Как только проточные батареи станут более экономичными, их можно будет успешно использовать в микросетях, как часть инфраструктуры коммунальных предприятий или даже в электромобилях.
  • Ожидается умеренный рост отрасли проточных аккумуляторов в течение следующих 5 лет, хотя ожидается, что он не будет поспевать за ростом литий-ионных аккумуляторов.

Видео сборки железной батареи

В 2017 году я снимал видео на YouTube каждый будний день. Этот опыт потянул меня в мир химии аккумуляторов.Ежедневное ведение блога было трудным, но научило меня кое-чему о социальных сетях, научных исследованиях и темах, которые интересуют людей. Я был немного удивлен, обнаружив, что люди так интересуются батареями. Мне нравится возможность исследовать что-то, что представляет широкий интерес. У каждого есть аккумулятор в кармане, и каждый хочет, чтобы он работал дольше.

Хотя литиевые батареи отлично подходят для мобильных приложений, я полагаю, что литий, вероятно, не является химией будущего для крупномасштабных сетевых батарей.Автомобили требуют аккумуляторов с более высокими характеристиками и готовы платить больше за ватт-час за варианты с меньшим весом. Они, вероятно, будут предпочтительными клиентами в обозримом будущем.

Литиевые аккумуляторы

тоже не особо дружат с подходом «сделай сам». Они чувствительны к кислороду и влаге.

Более тяжелые химические вещества, которые намного дешевле лития, хорошо подходят для стационарного хранения. Если она достигнет 1 доллара за ватт, коммунальные предприятия будут покупать столько, сколько можно произвести. По моим подсчетам, если хранение стоит $0.25 за ватт-час, это выглядит экономично для сетевого хранения. Литий-ион уже есть.

Мы решили создать аккумулятор, который был бы безопаснее и дешевле, чем литиевый, и остановились на химии железа. По крайней мере, две компании пытались разработать батареи с железным потоком. В настоящее время ESS разрабатывает систему по состоянию на 2018 год; Arotech работала над системой до 2016 года. Allen Lab Cell — это не проточная батарея, а аналогичная полностью железная химия. Возможность сделать это без перчаточного ящика была критической.

Нам удалось создать клетку.Производительность не соответствует уровню литий-иона (удельная энергия ниже в 10-30 раз). Я все еще надеюсь, что цена может сделать эту химию ячеек привлекательной для стационарных батарей. Вот видео о том, как мы это сделали.

Эта запись была опубликована в рубрике Без рубрики автором Peter.

Ванадиевая проточная окислительно-восстановительная батарея

Что такое ванадий?

Ванадий является 23-м элементом в периодической таблице и в основном используется в качестве прочного сплава в инструментальной промышленности.Кроме того, это металл с высокой электрической плотностью для использования в качестве электролита в проточных окислительно-восстановительных батареях. Ванадий используется из-за его уникальной способности достигать четырех различных уровней окисления — V2, V3, V4 и V5 (от VO2 до VO5). Большинство органических материалов содержат ничтожную часть ванадия; однако в промышленности его либо извлекают из шлака при производстве чугуна, либо извлекают химическим путем.

 

Что такое проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея (VRFB)?

VRFB основан на принципах старой технологии, изобретенных в 1940-х годах.Эта технология ранее не была экономически целесообразным решением для хранения энергии, однако с помощью новых вспомогательных технологий VisBlue смогла разработать коммерческий VRFB для хранения энергии, производимой фотоэлектрическими системами (фотоэлектрическими системами). В течение дня, когда PV производят энергию, мы не обязательно потребляем энергию, а это значит, что у нас есть два варианта. Мы можем поставлять энергию в сеть (часто с дефицитом), или мы можем найти способ хранить энергию. Вечером, когда солнечные панели не работают, нам нужно черпать энергию из другого источника.VRFB позволяет накапливать энергию в течение дня и использовать ее вечером.

 

VRFB состоит из двух резервуаров, заполненных жидкостью-электролитом на основе ванадия, и так называемого блока. Стек состоит из нескольких ячеек стека, изготовленных из пластикового каркаса, графито-полимерной композитной биполярной пластины и полимерной мембраны. Количество и размер ячеек стека зависят от необходимой выходной мощности.

 

Размер баков определяет емкость аккумулятора.Жидкость в двух резервуарах действует как катод (положительный электролит) и анод (отрицательный электролит). Как обычный аккумулятор. Катод и анод состоят из одного и того же раствора ванадия с высокими электроаккумулирующими свойствами. Уникальная способность достигать четырех степеней окисления — ключевой навык, который позволяет VisBlue иметь одинаковый электролит в обоих баках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каковы преимущества проточной окислительно-восстановительной технологии ванадия по сравнению с другими проточными технологиями окислительно-восстановительного потенциала?

Что отличает VRFB от других проточных окислительно-восстановительных батарей, так это свойства электролитов.Использование ванадия вместо других типов электролитов позволило VisBlue использовать один и тот же раствор в обоих резервуарах. Это важно, потому что таким образом мы облегчаем перекрестное загрязнение электролитов и, следовательно, устраняем проблему ухудшения электролитов.

 

Еще одним преимуществом является независимость вместимости (количество жидкости) и выходной мощности (размер/количество штабелей). Таким образом, можно адаптировать батарею к вашим потребностям и требованиям.

 

Безопасна ли проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея?

VisBlue Battery Solution состоит из раствора на основе ванадия, который содержит воду и серную кислоту. Большую часть раствора составляет вода, а это значит, что даже в случае короткого замыкания, сильного нагрева или высокого давления батарея не воспламеняется. Батарея будет выделять некоторое количество тепла, но не выше уровня, безопасного для прикосновения. Проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея не содержит летучих соединений лития, кобальта и никеля, как другие типы батарей.

Кроме того, VisBlue Battery Solution не выделяет никаких газов. В случае утечки разлив не окажет токсического воздействия на окружающую атмосферу. Однако раствор представляет собой коррозионное вещество, содержащее серную кислоту и ванадий. Поэтому нежелательно вступать в контакт с жидкостью.

Проточная батарея Flex-Stak

Разберите и снова соберите свою собственную проточную батарею (ванадиевую окислительно-восстановительную батарею) из индивидуально соединенных ячеек с помощью Flex-Stak.Flow Battery Flex-Stak поставляется в конфигурации стека из 1 элемента, что позволяет легко заменить предоставленную ячейку на собственную тестовую ячейку. Стек является отличным инструментом обучения, который дает практический опыт работы с многообещающей технологией ванадиевых окислительно-восстановительных батарей. Будь то передовые исследования, создание собственной лаборатории или проведение профессионального обучения, Flow Battery Flex-Stak имеет множество практических применений.

Flex-Stak — это полностью собранная, протестированная и готовая к использованию проточная батарея! Для сборки Flex-Stak необходимы только плоская отвертка и динамометрический ключ, чтобы вы могли сосредоточиться на создании собственных электроприводов.

Содержимое стопки включает:

✔ Торцевые пластины с фитингами Push-to-Connect
✔ Карбоновая ткань
✔ Смачиваемый ПВХ и ХПВХ
✔ Поля встречно-цифрового потока
✔ Смоченный винилэфир
✔ Оборудование

Технические характеристики:

• Площадь электрода: 10 см²
• Порты: 4
• Скорость потока: от 10 до 80 см3/мин при 1 А 1 В для зарядки
• Для зарядки: 1 А/1 В
• Жидкость подается снизу и выходит сверху.
• Размеры: 3,25 x 3,25 x 2 дюйма (8,26 x 8,26 x 5,1 см)
• Рекомендуемое значение крутящего момента: 8-10 дюймофунтов

Скорость потока батареи

Скорость потока Flow Battery Flex-Stak должна начинаться с 10 см3 в минуту и ​​увеличиваться до 100 см3 в минуту. Общий расход будет определяться состоянием заряда электролита.

Какая сторона положительная, а какая отрицательная?

Когда внутри вашей проточной батареи находится заряженный электролит, вы можете определить, какая сторона положительная, а какая отрицательная.При зарядке проточной батареи убедитесь, что жидкость подается снизу и выходит сверху.


Обратите внимание, что Flex-Stak Flow Battery не поставляется с направляющими дюбелями. Для сборки пакета рекомендуется использовать направляющие дюбели 1/8″, чтобы облегчить выравнивание компонентов.

Проточные батареи и накопители энергии — новый рынок керамики

23.12.2021

Ричард Кларк, глобальный руководитель отдела хранения энергии

Первоначально опубликовано в ACerS Bulletin, январь/февраль 2022 г., Vol.101, вып. 1. https://ceramics.org. Отображается здесь с разрешения

Спрос на технологии хранения энергии приводит к резкому росту рынка проточных окислительно-восстановительных батарей, а вместе с ним и возможностей для керамического сообщества.

Проточные окислительно-восстановительные батареи

принадлежат к большой и постоянно растущей группе устройств, предназначенных для хранения энергии.

Хотя их происхождение восходит к проточной цинково-хлорной батарее, использовавшейся для питания дирижабля в 1884 году (1), быстрый и систематический рост рынка проточных окислительно-восстановительных батарей стал очевиден только в последнее десятилетие.

Чтобы понять причины этого роста и сопутствующие возможности для сообщества производителей керамики, важно понять несколько связанных областей: рынок накопителей энергии и его сегментацию; технология проточных батарей и ее сравнение с альтернативами; и проблемы, которые необходимо решить, чтобы сделать проточные батареи конкурентоспособными по стоимости в тех сегментах рынка, где они имеют преимущество перед альтернативами.

Рынок накопителей энергии и возможности для проточных окислительно-восстановительных батарей
Многие неправильно понимают, что рынок накопителей энергии сильно сегментирован, при этом характеристики, необходимые для данного приложения (в первую очередь, время разряда и требуемая мощность системы), оказывают огромное влияние на относительное важность стоимости.Еще больше усложняет этот рынок тот факт, что классификация и наименование сегментов не являются единообразными, что затрудняет сравнение информации из нескольких источников.

На верхнем уровне основными категориями хранения энергии являются транспорт (в основном электромобили) и стационарные устройства. Хотя концептуально проточные окислительно-восстановительные батареи могут использоваться в обоих случаях, практически единственным примечательным применением является стационарное хранение (если только дирижабли не неожиданно вернутся) из-за низкой объемной плотности энергии проточных окислительно-восстановительных батарей по сравнению с другими технологиями, особенно вездесущими литий-ионными. батареи.Подразделения стационарного хранения энергии обычно характеризуются услугами, которые они предоставляют в качестве альтернативы традиционному сетевому электроснабжению (2). Этими подразделениями являются (сетевое) регулирование, арбитраж, резервирование и резервирование, запуск без покрытия, отсрочка инвестиций и (автономное) независимое электроснабжение. Эти подразделения по-разному связаны с производством, передачей и распределением, а также с рынками конечных пользователей (жилые, коммерческие и промышленные).

Для каждого из сегментов рынка стационарных накопителей существует несколько конкурирующих технологий, которые классифицируются как электрохимические (батареи и суперконденсаторы), термические (расплавленная соль) и механические (маховики, сжатый воздух и гидроаккумулирующие электростанции), хотя конкретные Требования каждого сегмента не позволяют всем технологиям конкурировать за весь рынок.Аккумулирующие гидроэлектростанции (ГАЭС) доминируют в общем пространстве: по состоянию на середину 2020 года в эксплуатации находится 164 ГВт ГАЭС, что эквивалентно расчетной энергии, превышающей 17 ТВтч, с дополнительными 124 ГВт на различных стадиях реализации (3) . Оставшаяся конкуренция с точки зрения основного масштаба рынка все больше смещается в сторону литий-ионных и проточных аккумуляторов с окислительно-восстановительным потенциалом.

Прогнозируется, что глобальные продажи проточных окислительно-восстановительных батарей в 2021 году достигнут 350 МВтч, а выручка составит 270 миллионов долларов США. Тем не менее, BloombergNEF прогнозирует, что проточные окислительно-восстановительные батареи могут конкурировать с литий-ионными батареями за до 46% (69 ГВтч) от общей мощности (150 ГВтч), необходимой для стационарного хранения энергии, связанного с сетью, в 2030 году (определяется как сегмент, который в противном случае можно решить с помощью литий-ионных аккумуляторов) (3).

В этом анализе предполагалось, что проточные окислительно-восстановительные батареи имеют среднюю продолжительность работы системы четыре часа, что делает их особенно подходящими для арбитража (сохранения энергии при низких ценах на электроэнергию и передачи ее в сеть при высоких) и пиковой емкости ( обеспечение поставок для удовлетворения максимального спроса системы, включая резервные копии и резервы, а также заявки на отсрочку инвестиций). Если продолжительность работы системы может быть значительно изменена по сравнению с этим значением, с соответствующими капитальными и эксплуатационными экономическими затратами, то размер потенциального рынка проточных окислительно-восстановительных батарей соответственно увеличится.

Особенно актуально для проточных окислительно-восстановительных батарей, одним из основных факторов роста рынка стационарных накопителей энергии является растущая замена ископаемых видов топлива возобновляемыми источниками энергии (в первую очередь ветровой и солнечной), которые являются прерывистыми и, следовательно, не связаны напрямую с спрос. Экономика проточных окислительно-восстановительных батарей хорошо подходит для относительно длительного времени, необходимого для устранения этого дисбаланса. Они также предлагают дополнительные преимущества, такие как высокий уровень безопасности, длительный жизненный цикл без обслуживания и внутреннюю модульность, поскольку питание и энергия не связаны, что упрощает настройку.Во многих случаях вопросы устойчивости также решаются, потому что выбранные химические вещества получены из широко доступных ресурсов, а материалы могут быть легко использованы повторно.

Более подробное сравнение проточных окислительно-восстановительных батарей с литий-ионными батареями представлено в таблице 1 (4). По необходимости эта таблица является обобщенной, и в некоторых случаях есть исключения. Устойчивость не включена как категория, главным образом потому, что разнообразие химических веществ, используемых в проточных окислительно-восстановительных батареях, исключает обобщение.

Однако у многих наиболее популярных типов есть преимущества, и в будущем это, вероятно, будет становиться все более важным соображением.

Технология проточных окислительно-восстановительных батарей
Проточная окислительно-восстановительная батарея представляет собой электрохимическое устройство, использующее разность потенциалов между набором окислительно-восстановительных пар, обычно основанных на растворе, для преобразования электрической энергии в накопленную химическую энергию и наоборот. На самом базовом уровне есть два резервуара с электролитом, соединенные со стопкой элементов, в которых происходят окислительно-восстановительные реакции. Для одноэлементной системы элемент включает два токосъемника, две биполярные пластины, два электрода и одну мембрану, хотя есть вариации этой установки.Ячейки обычно укладываются друг на друга, поэтому для полного стека будет использоваться пара токосъемников, а биполярные пластины будут компонентами между ячейками. Схема расположения одной ячейки показана на рисунке 1.

Существует широкий спектр систем, инкапсулированных под общим определением, включая неорганические водные, органические водные и неводные, и определение часто расширяется, чтобы включить безмембранные, металл-воздушные, полутвердые (суспензия) и окислительно-восстановительные системы с гальваническим покрытием. проточные аккумуляторы.Последние системы также называют гибридными проточными окислительно-восстановительными батареями, потому что общая емкость накопления энергии зависит как от размера батареи, так и от размера резервуаров для хранения электролита. Таким образом, энергия и мощность не полностью разделены, в отличие от более «классических» типов, где разделение часто изображается как определяющая черта. Таблица 2
содержит сводку и пример каждой системы.

Читатели оценят, что технологии находятся на совершенно разных стадиях разработки: от тех, которые в настоящее время находятся в лабораторных масштабах, где еще предстоит решить фундаментальные проблемы, до тех, которые уже запущены в коммерческую эксплуатацию.Как правило, для каждой системы исследуется несколько химических процессов, а для данного базового химического состава существуют альтернативные системы и подходы. Такая гибкость открывает большие возможности для инноваций.

В таблице 3 представлены сводные данные о текущем состоянии готовности рынка для основных типов проточных батарей (7). При экспоненциальном росте рынка накопителей энергии рыночная готовность каждой батареи, вероятно, изменится, и вполне возможно, что технология, которая в настоящее время находится в зачаточном состоянии, может стать доминирующей силой в течение нескольких лет.

Ведущие коммерческие системы проточных окислительно-восстановительных батарей
Полностью ванадиевая проточная окислительно-восстановительная батарея (VRFB)

Изобретение полностью ванадиевой проточной окислительно-восстановительной батареи (VRFB) приписывают работе Марии Скиллас-Казакос и ее исследовательской группы в Университете Нового Южного Уэльса, Австралия, в 1980-х годах. Емкости с электролитом VRFB содержат ванадий в четырех различных степенях окисления. Со стороны катода ванадий находится в состояниях +IV (четырехвалентный) и +V (пятивалентный) в пределах VO2+ и VO2+ соответственно.Со стороны анода ванадий находится в состояниях +II (двухвалентное) и +III (трехвалентное).

На рис. 2 показана общая схема. Типичные материалы конструкции ячейки включают графит (биполярные пластины), графитовый войлок (электроды) и мембраны на основе химически стабилизированной перфторсульфоновой кислоты/политетрафторэтиленовой сополимерной кислоты (PFSA/PTFE), такие как Chemour Nafion 212.

Использование ванадия на обеих сторонах мембраны эффективно устраняет проблемы загрязнения при перекрестном разряде, хотя саморазряд в этом случае все равно будет происходить.Устранение возможности перекрестного загрязнения помогает увеличить срок службы батарей VRFB, обычно от 15 000 до 20 000 циклов (9), что намного больше, чем у многих других химических элементов и типов батарей.

Ранняя работа определила подходящие, хорошо обратимые окислительно-восстановительные реакции для соединений ванадия в водном электролите, содержащем соответствующий уровень серной кислоты, обеспечивающие ионную проводимость и стабилизирующие реакции. Более поздняя работа в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории показала, что использование смешанной кислоты (серной и соляной) в электролите увеличивает растворимость ионов ванадия и улучшает характеристики батареи, увеличивая удельную энергию и расширяя диапазон рабочих температур.

A VRFB предлагает ряд существенных преимуществ в области устойчивого развития.10 Во-первых, его выбросы CO2 в течение всего жизненного цикла ниже, чем у других аккумуляторных технологий — по оценкам, на 27–37 % ниже, чем у стандартных литий-ионных аккумуляторов. Во-вторых, ванадий не расходуется и не разлагается в VRFB, поэтому по истечении срока службы одной батареи его можно повторно использовать в другой батарее или для другого применения, например, в стальных сплавах. Кроме того, хотя Китай является ведущей страной по добыче ванадия, ванадий добывается и во многих других странах (в первую очередь в России, Южной Африке и Бразилии), в отличие от литий-ионных аккумуляторов, где в поставках сырья доминирует Китай.

С учетом опыта, накопленного за последние три десятилетия, и других отмеченных преимуществ неудивительно, что VRFB лидируют на рынке проточных батарей. Bushveld Energy сообщает, что в мире насчитывается 25 или более компаний VRFB и что только в Китае они отслеживают около 2 ГВт-ч строящихся VRFB.10 Крупнейший объект мощностью 200 МВт/800 МВтч в Даляне, Китай, установлен Rongke Power (11). . Ожидается, что к 2030 году Китай установит от 30 ГВтч до 60 ГВтч новых мощностей для хранения энергии, и значительная часть этих мощностей хранения, вероятно, будет VRFB, при условии, что экономика будет подходящей.

Ванадий, по оценкам, составляет 48% стоимости производства VRFB, а спотовые цены на соответствующие химические вещества в 2021 году все еще примерно на 50% выше, чем необходимо для того, чтобы VRFB имел экономическое преимущество перед литий-ионными батареями, хотя других преимуществ, таких как повышенная безопасность, может быть достаточно.

Цинк-бромная проточная батарея (ZBFB или ZBB)

Разработка проточной бромно-цинковой батареи (ZBFB) в ее нынешнем виде связана с работой в Exxon в начале 1970-х годов.В отличие от большинства других типов проточных окислительно-восстановительных батарей, ZBFB представляет собой гибридную систему, в которой общая накопленная энергия не прямо пропорциональна объему электролита, а вместо этого зависит как от объема электролита, так и от площади электрода, поскольку металлический цинк нанесен на поверхность электрода. анод во время заряда. Одновременно бромид-ионы окисляются до брома на другой стороне мембраны. Во время разряда металлический цинк окисляется до Zr 2+ и растворяется в электролите, а бром восстанавливается до ионов брома.

На рис. 3 показана общая схема ZBFB. На рисунке не показаны некоторые дополнительные требования, связанные с бромом. Во-первых, бром имеет ограниченную растворимость в воде, поэтому на катодной стороне необходим комплексообразующий агент, чтобы предотвратить его высвобождение. Из-за высокой токсичности брома важно поддерживать определенные условия, такие как умеренная температура системы, для поддержания стабильности комплекса. Во-вторых, поскольку бром обладает высокой окисляющей способностью, необходимо специально выбирать компоненты системы, что может увеличить стоимость.Есть также проблемы на стороне анода. Повторное нанесение цинка может вызвать неравномерное осаждение, и в конечном итоге дендриты цинка могут проколоть мембрану. Может потребоваться импульсный разряд во время заряда.

Несмотря на эти проблемы, двумя значительными преимуществами ZBFB являются высокое напряжение и высокая плотность энергии для проточных батарей, связанные с двумя электронами на атом цинка, которые участвуют в процессе заряда-разряда. Типичные материалы конструкции внутри ячейки включают пластик с углеродным наполнителем (биполярные пластины), углеродный войлок (электроды) и мембраны на основе сополимера/полимерного композита PFSA/PTFE.

Концептуально ZBFB могут быть очень дешевыми из-за сырья, но решение проблем, отмеченных выше, часто сводит на нет это преимущество. Потенциальное снижение затрат продолжает стимулировать работу в этой области (т. е. решать или смягчать проблемы и реализовывать преимущества более дешевого сырья), и уже есть несколько компаний, продающих ZBFB конечным пользователям. Одной из недавних разработок, возникшей в результате работы в Университете Сиднея, Австралия, является использование гелевых электролитов вместо жидких электролитов.

Полностью железная проточная батарея (Fe-RFB)
Самая ранняя работа над полностью железной проточной батареей (Fe-RFB) приписывается Л.В. 1981 (12). Fe-RFB следует тем же принципам, что и VRFB, в том смысле, что при использовании одного и того же элемента с несколькими валентными состояниями по обе стороны мембраны можно устранить потери, связанные с перекрестным загрязнением. Во время зарядки Fe2+ окисляется до Fe3+ на стороне катода, а Fe2+ восстанавливается до металлического железа на стороне анода.При разрядке все наоборот. Кроме того, железа много, оно недорогое и нетоксичное.

Хотя эти характеристики, казалось бы, делают Fe-RFB идеальными проточными батареями, существует серьезная проблема, связанная с образованием водорода, и требуется частая перебалансировка электролита. Недавняя работа в Университете Кейс Вестерн Резерв в Кливленде, штат Огайо, продемонстрировала, что герметичный Fe-RFB возможен с внутренней перебалансировкой, что способствует желаемой работе без обслуживания (13).Помимо выделения водорода, другие проблемы включают образование дендритов во время металлизации и относительно низкое напряжение на ячейке. Типичные материалы конструкции внутри ячейки включают графит (биполярные пластины), углеродный или графитовый войлок (электроды) и микропористый полиэтилен (мембрана).

В дополнение к гибридной версии Fe-RFB (изображенной на рис. 4a), в альтернативной системе используется суспензия на стороне анода, в которой металлическое железо осаждается на углеродных частицах (изображен на рис. 4b).Наряду с очевидным преимуществом полной развязки энергии и мощности, эта система также увеличивает емкость ячейки, поскольку площадь поверхности трехмерных углеродных частиц можно сделать намного больше, чем площадь отрицательного электрода. Однако у этой системы есть свои проблемы, поскольку реология суспензии должна поддерживаться в течение продолжительных периодов времени и при различных состояниях заряда, а железо должно равномерно осаждаться на частицы.

В настоящее время по меньшей мере три компании занимаются коммерциализацией технологии Fe-RFB.

Возможности для сообщества керамистов и заключение
Этот период является периодом быстрого роста для хранения энергии, и проточные окислительно-восстановительные батареи, вероятно, будут играть все более важную роль. Крупные установки для хранения энергии очень дороги, и компании уже понесли значительные убытки, вызванные пожарами, связанными с литий-ионными батареями, на объектах систем накопления энергии (ESS) в Австралии, Бельгии, Китае, Англии, Южной Корее и США. Пожары трудно и опасно тушить, и по крайней мере в одном случае погибли люди (14).В то время как стандарты безопасности для электромобилей предназначены для того, чтобы дать пассажирам достаточно времени для того, чтобы покинуть транспортные средства после возникновения тепловых событий батареи, эти стандарты не так важны для установок ESS, где предотвращение распространения теплового разгона является единственным приемлемым решением. Литий-ионные батареи, содержащие твердотельные электролиты, обеспечат решение в будущем, но еще предстоит преодолеть технические и коммерческие препятствия, прежде чем эти решения будут широко использоваться на чувствительных к стоимости рынках.

В приложениях ESS проточные окислительно-восстановительные батареи предлагают непосредственную альтернативу литий-ионным батареям, а преимущество безопасности намного перевешивает недостаток низкой плотности энергии. Решения основных технических проблем уже существуют, и если удастся также снизить стоимость (в долларах США/кВтч), проточные окислительно-восстановительные батареи могут занять лидирующие позиции на этом рынке.

Уже сейчас, согласно подробным оценкам Министерства энергетики США,15 ​​затраты относительно схожи для систем с более длительным сроком службы при сравнении установок с литий-ионными батареями с более высокой энергией и VRFB.Например, для установки мощностью 10 МВт и продолжительностью 10 часов общая стоимость установки литий-ионной аккумуляторной системы с катодом NMC составит 387 долларов США/кВтч, а для VRFB — 426 долларов США/кВтч. Тем не менее, необходимо также учитывать продолжающееся снижение стоимости литий-ионных батарей, и может быть труднее снизить стоимость проточных окислительно-восстановительных батарей после достижения больших масштабов (ГВт-ч) из-за растущего относительного преобладания химических веществ.

Для определенного химического состава проточной окислительно-восстановительной батареи существует несколько способов снижения затрат.Первый и наиболее очевидный – это замена существующих материалов для изготовления батарей более дешевыми заменителями (меньшие суммы в долларах США, те же кВтч). Второй способ заключается в замене этих материалов альтернативами, обеспечивающими улучшенные характеристики системы (тот же доллар США, больше кВтч). Например, увеличение плотности энергии стека будет означать, что общая стоимость других компонентов системы будет ниже на основе энергии системы. Третий способ заключается в использовании материалов, которые позволяют создавать более дешевые системы, например, путем комбинирования компонентов.

Биполярные пластины и электроды обычно изготавливаются из углерода или графита в твердой или гибкой форме. Биполярные пластины по необходимости должны быть непроницаемыми. Электроды могут быть изготовлены из гибкого или жесткого (пористого) материала, каждый из которых имеет некоторые преимущества, в первую очередь стоимость гибких материалов и более равномерный поток и увеличенный срок службы твердых материалов. Мембрана имеет сложную конструкцию и может преобладать в стоимости компонентов системы, особенно если она основана на сополимере ПФСА/ПТФЭ или эквивалентном полимере.Поиск альтернативной высокоэффективной и недорогой ионообменной мембраны может оказаться ключом к постоянному широкомасштабному коммерческому успеху проточных окислительно-восстановительных батарей и, следовательно, открывает прекрасную возможность для керамики

Мембрана в проточной окислительно-восстановительной батарее имеет некоторые характеристики, не существенные для других типов батарей: она должна справляться с ионным перекрестом, т. е. избирательно пропускать противоионы, но не пропускать активные частицы; он должен ограничивать водный транспорт; он должен иметь низкое поверхностное сопротивление; он должен противостоять обрастанию; и он должен быть стабильным при любом химическом составе и при любом рН, используемом для стабилизации системы.Несмотря на свои привлекательные свойства (высокая протонная проводимость и химическая стабильность), даже мембраны на основе сополимера ПФСА/ПТФЭ не являются идеальными — помимо стоимости, они также избирательно проницаемы для воды и допускают некоторое пересечение активных частиц. Одним из примеров керамики, которая может оказаться пригодной для использования в качестве мембраны в проточных батареях, является NaSICON, что было продемонстрировано в недавней работе Эрика Олкорна и других в Национальной лаборатории Сандия. стоимость мембран на основе диоксида кремния (17).

По мере того, как мы продвигаемся в этот период динамичного развития накопителей энергии, многие варианты концептуально возможны. Однако коммерциализация любой новой технологии и масштабирование ее до уровня ГВтч занимает многие годы, обычно десятилетия. Двумя наиболее вероятными системами для захвата нового пространства являются литий-ионные батареи и проточные окислительно-восстановительные батареи, каждая из которых достаточно развита, чтобы ее можно было масштабировать до необходимого уровня. Хотя у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, нет никаких сомнений в том, что проточные окислительно-восстановительные батареи более безопасны с точки зрения сведения к минимуму возгораний, связанных с батареями.Наиболее развиты три химических состава проточных окислительно-восстановительных батарей: полностью ванадий, цинк-бром и железо. Среди них пока нет явного победителя, но в каждом случае инновации помогут реализовать потенциал. Если подходящая мембрана может быть частью исполнения, проточные окислительно-восстановительные батареи станут крупным новым рынком для керамической промышленности.

Ссылки
1. Д. Сиглер, «Проточные батареи в Стэнфорде и Лихтенштейне», 8 марта 2014 г. По состоянию на 29 ноября 2021 г.http://sustainableskies.org/flow-batteries-stanford-lichtenstein
2. М. Сандерс, «Рынок аккумуляторных батарей и основные тенденции 2019–2030 гг.», avicenne ENERGY, 30 июля 2020 г., представлено на 37-м Международном семинаре по батареям. & Экспонат.
3. «Большая проблема хранения энергии: отчет о рынке хранения энергии», Технический отчет Министерства энергетики США NREL/TP-5400-78461, DOE/GO-102020-5497, декабрь 2020 г.
4. Дж. Даггетт, «Могут ли проточные батареи конкурировать с литий-ионными?» По состоянию на 29 ноября 2021 г.https://www.dnv.com/article/can-flow-batteries-compete-with-li-ion—179748
5. MJ Watt-Smith, R.G.A. Уиллс и Ф.К.Уолш, «Вторичные батареи – проточные системы, обзор», Энциклопедия электрохимических источников энергии, 2009 г.
6. Ивакири И. и др., «Проточные окислительно-восстановительные батареи: материалы, конструкция и перспективы», Энергия, 2021 г., 14( 18):5643.
7. «Проточные редокс-батареи: технологии и обзор рынка», IDTechEx, 2 июня 2020 г.
8. А. Клементе и Р. Коста-Кастельо, «Проточные редокс-батареи: обзор литературы, ориентированный на автоматическое управление», Энергия 2020 , 13:4514.
9. Э. Санчес-Диес, Э. Вентоза, М. Гуарньери и др., «Проточные окислительно-восстановительные батареи: состояние и перспективы устойчивого стационарного хранения энергии», J. Power Sources 2021, 481:228804.
10. «Атрибуты и применимость технологии VRFB в развивающихся странах», презентация Bushveld Energy, 18 ноября 2020 г. Хрушка и Р.Ф. Савинелл, «Исследование факторов, влияющих на производительность железо-окислительно-восстановительной батареи» Дж.Электрохим. соц. 1981, 128(1):18–25.
13. S. Selverston et al., «Гибридные проточные батареи, полностью выполненные из железа, с ребалансировкой в ​​баке», J.Electrochem. соц. 2019, 166:A1725.
14. «Два пожарных погибли при тушении пожара на электростанции в Пекине», China Daily, 17 апреля 2021 г.
15. «Оценка стоимости и производительности технологии накопления энергии в сетях 2020 года», Технический отчет Министерства энергетики США
, публикация № DOE/ PA-0204, декабрь 2020 г.
16. E. Allcorn et al., «Устранение кроссовера активных частиц при комнатной температуре, нейтральном pH, проточной водной батарее с использованием керамической мембраны NaSICON», J.Источники энергии 2018, 378: 353–361.
17. Г. М. Ньюблум, «Гибкие керамические мембраны для проточных окислительно-восстановительных батарей», 2018 ECS Meeting Abstracts MA2018-01 2373.

 

Ричард Кларк

Передовые материалы Моргана,
техническая керамика,
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.