Wat is een flow-batterij?
2024-12-25
Flow Battery is een elektrochemische energieopslagtechnologie die in 1974 door Thaller werd voorgesteld. Het is een nieuw type batterij.
Een Flow Battery bestaat uit een batterijstackeenheid, elektrolyt, elektrolytopslag- en toevoereenheid, en een beheersysteem. Het is een high-performance batterij die de positieve en negatieve elektrolyten scheidt en ze afzonderlijk laat circuleren. Het heeft de kenmerken van een hoge capaciteit, een breed toepassingsgebied (omgeving), en een lange levensduur van de cyclus. Het is een nieuw energieproduct.
De belangrijkste functies van Flow Batteries
Vloeibare Flow Batteries bereiken de wederzijdse conversie van elektrische energie en chemische energie via omkeerbare redoxreacties (d.w.z. omkeerbare veranderingen in de valentie) van actieve stoffen in de positieve en negatieve elektrolytoplossingen. Tijdens het opladen vinden oxidatiereacties plaats bij de positieve elektrode om de valentie van actieve stoffen te verhogen, en reductiereacties vinden plaats bij de negatieve elektrode om de valentie van actieve stoffen te verlagen. Het ontladingsproces is het tegenovergestelde.
In tegenstelling tot algemene vaste batterijen worden de positieve en/of negatieve elektrolytoplossingen van vloeibare Flow Batteries opgeslagen in tanks buiten de batterij en via pompen en leidingen naar de binnenkant van de batterij gebracht voor de reactie.
Flow Battery is een nieuw type batterij. De Flow Battery is een high-performance batterij die de positieve en negatieve elektrolyten scheidt en afzonderlijk laat circuleren. Het heeft de kenmerken van een hoge capaciteit, een breed toepassingsgebied (omgeving) en een lange levensduur van de cyclus. Het is een nieuw energieproduct.
Redox Flow Battery is een nieuw type groot-capaciteit elektrochemisch energieopslagsysteem dat actief wordt onderzocht en ontwikkeld. Het verschilt van batterijen die meestal vaste materiaal-elektroden of gas-elektroden gebruiken. Het actieve materiaal is een stromende elektrolytoplossing. Het meest kenmerkende kenmerk is de grootschalige elektriciteitsopslag. Met de oproep voor het wijdverspreide gebruik van hernieuwbare energie is het te voorzien dat flowbatterijen een periode van snelle ontwikkeling tegemoet zullen gaan.
Werkingsprincipe van Flow Battery
Figuur 1 is een schematisch diagram van de vloeibare Flow Battery en een schematisch diagram van de batterijstackstructuur. De positieve en negatieve elektrolyten van de batterij worden respectievelijk opgeslagen in twee opslagtanks, en de elektrolyten worden via een vloeistofpomp door de batterij gecirculeerd. Binnen de batterijstack worden de positieve en negatieve elektrolyten gescheiden door een ionenwissel membraan (of ionen diafragma), en de batterij is aangesloten op een externe belasting en stroomvoorziening.
Als een nieuw type grootschalige en efficiënte elektrochemische energieopslag (elektriciteit) technologie, realiseert vloeibare Flow Battery technologie de wederzijdse conversie en energieopslag van elektrische energie en chemische energie door de valentie van reactieve stoffen te veranderen. In vloeibare Flow Batteries worden actieve stoffen opgeslagen in elektrolyten en hebben ze vloeibaarheid, waardoor de ruimtelijke scheiding van de elektrochemische reactieplaats (elektrode) en de energieopslag actieve stof mogelijk is. Het ontwerp van het batterijvermogen en de capaciteit zijn relatief onafhankelijk, wat geschikt is voor de grootschalige energieopslagbehoeften.
In tegenstelling tot gewone secundaire batterijen, worden de energieopslag actieve materialen van Flow Batteries volledig gescheiden van de elektroden, en zijn de ontwerpen van vermogen en capaciteit onafhankelijk van elkaar, wat het gemakkelijker maakt om modules te combineren en batterijstructuren te plaatsen. De elektrolyt wordt in een tank opgeslagen en zal niet zelfontladen. De batterijstack biedt alleen een plaats voor elektrochemische reacties en ondergaat zelf geen redoxreacties. De actieve materialen zijn opgelost in de elektrolyt, en het risico van het groeien van elektrode-dendrieten die het diafragma doorboren, wordt in de Flow Battery aanzienlijk verminderd. Tegelijkertijd kan de stromende elektrolyt de warmte die wordt gegenereerd door het laad-/ontlaadproces van de batterij afvoeren, waardoor schade aan de batterijstructuur of zelfs verbranding door batterijverwarming wordt voorkomen.
Classificatie van Flow Batteries
Flow Batteries kunnen worden onderverdeeld in all-vanadium Flow Batteries, lithium-ion Flow Batteries en loodzuur Flow Batteries, afhankelijk van de verschillende actieve elektrodematerialen.
All-vanadium Flow Batteries zijn een nieuw type energieopslagsysteem. Ze kunnen niet alleen worden gebruikt als energieopslagapparaten voor zonne- en windenergieopwekking, maar ook voor het piekbeheer van het elektriciteitsnet. Ze verbeteren de stabiliteit van het elektriciteitsnet en zorgen voor de veiligheid van het net.
Zink-brominebatterijen zijn een type flow-energieopslagbatterij, die een inherente kostenvoordeel heeft.
Lithium-ion Flow Batteries zijn de nieuwste ontwikkelde chemische energieopslagbatterijtechnologie. Ze combineren de voordelen van lithium-ionbatterijen en flowbatterijen. Het zijn een nieuw type groene oplaadbare batterij met onafhankelijke outputvermogen en energieopslagcapaciteit, hoge energiedichtheid en lage kosten.
All-vanadium liquid flow battery
All-vanadium Liquid Flow Battery (VRB, ook vaak aangeduid als vanadiumbatterij) werd in 1985 voorgesteld door Marria Kazacos van de University of New South Wales, Australië
Als een elektrochemisch systeem slaat de vanadiumbatterij energie op in een elektrolyt die redoxparen van vanadiumionen met verschillende valenties bevat. Elektrolyten met verschillende redoxparen vormen respectievelijk de positieve en negatieve elektrolyten van de batterij, en de positieve en negatieve elektrolyten worden gescheiden door een ionenwisselmembraan. De oplossing wordt vanuit het reservoir de batterijstack in gepompt via een externe pomp om de elektrochemische reactie te voltooien. Na de reactie keert de oplossing terug naar het reservoir en circuleert het actieve materiaal continu, waarmee de oplading en ontlading wordt voltooid.
In vergelijking met andere energieopslagbatterijen hebben all-vanadium flowbatterijen de volgende kenmerken:
(1) Controleerbaar uitgangsvermogen en energieopslagcapaciteit
Het uitgangsvermogen van de batterij hangt af van de grootte en het aantal batterijstacks, en de energieopslagcapaciteit hangt af van de capaciteit en concentratie van de elektrolyt. Daarom is het ontwerp zeer flexibel. Om het uitgangsvermogen te verhogen, hoeft men alleen het oppervlak en het aantal batterijstacks te vergroten. Om de energieopslagcapaciteit te verhogen, hoeft men alleen het volume van de elektrolyt te vergroten
(2) Hoge veiligheid
Het bestaande batterij-systeem maakt voornamelijk gebruik van een aqueuze oplossing als elektrolyt, en het batterij-systeem heeft geen explosie- of brandgevaar.
(3) Snelle opstarttijd
Als de batterijstack volledig gevuld is met elektrolyt, kan deze binnen 2 minuten worden opgestart. Tijdens de werking duurt het slechts 0,02 seconden om de laad- en ontlaadtoestand om te schakelen
(4) Goede batterijprestatie
Het actieve materiaal van de all-vanadium flowbatterij zijn vanadiumionen van verschillende valenties, opgelost in een aqueuze oplossing. Tijdens het laad- en ontlaadproces van de all-vanadium flowbatterij verandert alleen de ionvalentie, en er treedt geen faseveranderingsreactie op. De laad- en ontlaadsnelheid is snel.
(5) Lange levensduur van de batterij
Het elektrolytmetaalion is alleen vanadiumion, zodat er geen kruisbesmettingsprobleem ontstaat tussen de actieve stoffen van de positieve en negatieve elektrolyten. De batterij heeft een lange levensduur en de elektrolytoplossing is gemakkelijk te regenereren en te recyclen.
(6) De zelfontlading van de batterij is controleerbaar
Wanneer het systeem in de uitschakelmodus staat, zal de elektrolyt in de tank niet zelfontladen.
(7) Gemakkelijke fabricage en plaatsing
De wave flowbatterij heeft een grote vrijheid in de locatiekeuze, en het systeem kan volledig automatisch worden afgesloten en bediend zonder vervuiling, met eenvoudige onderhoudskosten en lage operationele kosten.
(8) Batterijmaterialen zijn gemakkelijk te recyclen en hergebruiken
De componenten van de vloeibare flowbatterij bestaan voornamelijk uit goedkope koolstofmaterialen en engineeringkunststoffen. De materiaalbronnen zijn overvloedig, en er is geen vervuiling tijdens het recyclingproces. Het is milieuvriendelijk en goedkoop. Bovendien is het relatief eenvoudig om de status van de lading (SOC) van het batterij-systeem in realtime te monitoren, wat het beheer en de dispatching van het elektriciteitsnet ten goede komt.
Lithium-ion Flow Battery
Werkingsprincipe van de Lithium-ion Flow Battery
De Lithium-ion Flow Battery bestaat voornamelijk uit een batterijreactor, positieve elektrode suspensiebewaar tank, negatieve elektrode suspensiebewaar tank, vloeistofpomp en afgesloten pijpen. De positieve elektrode suspensiebewaar tank bevat een mengsel van actieve materiaal deeltjes van de positieve elektrode, geleidende stoffen en elektrolyt, en de negatieve elektrode suspensiebewaar tank bevat een mengsel van actieve materiaal deeltjes van de negatieve elektrode, geleidende stoffen en elektrolyt. De batterijreactor is de kern van de lithium-ion flowbatterij, en de structuur bestaat voornamelijk uit: positieve elektrode stroomverzamelaar, positieve elektrode reactiekamer, poreus diafragma, negatieve elektrode reactiekamer, negatieve elektrode stroomverzamelaar en behuizing.
Wanneer de lithium-ion flowbatterij werkt, wordt een vloeistofpomp gebruikt om de suspensie te circuleren. De suspensie stroomt continu of intermitterend tussen de suspensiebewaar tank en de batterijreactor via een afgesloten pijp, aangedreven door de vloeistofpomp of andere kracht. De stroomsterkte kan worden aangepast op basis van de concentratie van de suspensie en de omgevingstemperatuur.
Wanneer de lithium-ion flowbatterij werkt, wordt een vloeistofpomp gebruikt om de suspensie te circuleren. De suspensie stroomt continu of intermitterend tussen de suspensiebewaar tank en de batterijreactor via een afgesloten pijp, aangedreven door de vloeistofpomp of andere kracht. De stroomsterkte kan worden aangepast op basis van de concentratie van de suspensie en de omgevingstemperatuur.
Wanneer de batterij werkt, komt de positieve elektrode suspensie de positieve elektrode reactiekamer van de batterijreactor binnen via de positieve elektrode vloeistofinlaat, en keert na de reactie terug naar de positieve elektrode suspensiebewaar tank via de positieve elektrode vloeistofuitlaat door een afgesloten pijp. Tegelijkertijd komt de negatieve elektrode suspensie de negatieve elektrode reactiekamer van de batterijreactor binnen via de negatieve elektrode vloeistofinlaat, en keert na de reactie terug naar de negatieve elektrode suspensiebewaar tank via de negatieve elektrode vloeistofuitlaat door een afgesloten pijp. Tussen de positieve elektrode reactiekamer en de negatieve elektrode reactiekamer bevindt zich een elektronisch niet-geleidend poreus diafragma, dat de positieve elektrode actieve materiaal deeltjes in de positieve elektrode suspensie en de negatieve elektrode actieve materiaal deeltjes in de negatieve elektrode suspensie van elkaar scheidt, waardoor direct contact tussen de positieve en negatieve elektrode actieve materiaal deeltjes wordt vermeden en kortsluiting binnen de batterij wordt voorkomen. De positieve elektrode suspensie in de positieve elektrode reactiekamer en de negatieve elektrode suspensie in de negatieve elektrode reactiekamer kunnen met elkaar uitgewisseld en overgedragen worden via lithium-ionen door het elektrolyt in het poreuze diafragma.
Wanneer de batterij wordt ontladen, worden de lithium-ionen in de negatieve elektrode actieve materiaal deeltjes in de negatieve elektrode reactiekamer gedemonteerd, komen in het elektrolyt terecht en bereiken de positieve elektrode reactiekamer via het poreuze diafragma, waar ze zich in de positieve elektrode actieve materiaal deeltjes inbedden. Tegelijkertijd stromen de elektronen binnen de negatieve elektrode actieve materiaal deeltjes in de negatieve elektrode reactiekamer naar de negatieve elektrode stroomverzamelaar, en stromen via de negatieve elektrode tab van de negatieve elektrode stroomverzamelaar naar het externe circuit van de batterij. Na het voltooien van het werk stromen de elektronen naar de positieve elektrode stroomverzamelaar via de positieve plaat tab en worden uiteindelijk in de positieve elektrode actieve materiaal deeltjes in de positieve elektrode reactiekamer ingebed. Het batterij-oplaadproces is het tegenovergestelde.
Daarnaast zijn er veel classificaties van flow batteries, zoals:
Zink-bromine flow battery
Zinc-cerium flow battery
Zinc-nickel flow battery
Lead flow battery
Iron-chromium flow battery
Sodium polysulfide/bromine flow battery
Zinc-iron flow battery
Zinc-nickel flow battery
Lead flow battery
Iron-chromium flow battery
Sodium polysulfide/bromine flow battery
Zinc-iron flow battery
Samenvatting en vooruitzichten van flow batteries
Voor traditionele dual-flow batterijen is het, terwijl de commercialisering van volwassen technologieën zoals all-vanadium flow batteries geleidelijk wordt gerealiseerd, een zeer zinvolle en veelbelovende taak om nieuwe elektrodeparen en niet-aqueuze systemen te ontwikkelen. Deze systemen moeten kenmerken vertonen zoals hoge oplosbaarheid, stabiele chemische eigenschappen, hoge reversibiliteit van elektrode reacties, geen zuurstof/waterstof evolutie bij bijreacties, en een groot evenwichts potentiaalverschil van elektrodeparen.
Vergeleken met dual-flow batterijen, hebben deposition-type single-flow batterijen de kenmerken van een vereenvoudigde structuur, hoge specifieke energie, en lage kosten. Echter, de capaciteit van single-flow batterijen wordt beperkt door vaste elektroden, en de levensduur moet worden verbeterd. De uniformiteit en stabiliteit van de deposition-type metalen elektroden en de elektrolyt die zowel de prestaties van de positieve als negatieve elektroden in overweging neemt, moeten verder worden opgelost.
Nieuwe flow battery technologieën, zoals vanadium/lucht flow batterijen, (Fe3+/Fe2+) flow/methanol brandstofcellen, of semi-vaste lithium-ion flow batterijen, bevinden zich in de beginfase van onderzoek. Of het nu gaat om prestaties, betrouwbaarheid of cyclische levensduur, ze kunnen nog niet voldoen aan de eisen van praktische toepassingen. Daarom hebben deze nieuwe technologieën nog een lange weg te gaan voordat ze volwassen commerciële technologieën worden.
Grootschalige, hoog efficiënte, kosteneffectieve en lange levensduur zijn de ontwikkelingsrichtingen en doelen van vloeibare flow energieopslag batterijtechnologie in de toekomst. Daarom is het noodzakelijk om het onderzoek naar belangrijke materialen (zoals elektrolyten, ionenwisseling membranen, elektrode materialen, etc.) en batterijstructuren van vloeibare flow energieopslag batterijen te versterken om de betrouwbaarheid en duurzaamheid van de batterij te verbeteren. Tegelijkertijd moet er een ontwikkeling van grootschal.
Wat is supercondensator energieopslag en de toepassingsgebieden?
Waterstofenergieopslag: de toekomst van oplossingen voor hernieuwbare energie
Gerelateerd artikel
