O que é uma bateria de fluxo?
2024-12-25
A bateria de fluxo é uma tecnologia de armazenamento de energia eletroquímica proposta por Thaller em 1974. É um novo tipo de bateria.
A bateria de fluxo é composta por uma unidade de pilha de baterias, eletrólito, unidade de armazenamento e fornecimento de eletrólito, e unidade de controle de gestão. Trata-se de uma bateria de alto desempenho que separa os eletrólitos positivo e negativo e os circula separadamente. Ela possui características de alta capacidade, amplo campo de aplicação (ambiente) e longa vida útil de ciclo. É um produto de nova energia.
As principais funções das baterias de fluxo
As baterias de fluxo líquido realizam a conversão mútua de energia elétrica e energia química por meio de reações redox reversíveis (ou seja, mudanças reversíveis na valência) das substâncias ativas nas soluções de eletrólitos positivo e negativo. Durante o carregamento, ocorrem reações de oxidação no eletrodo positivo para aumentar a valência das substâncias ativas, e reações de redução ocorrem no eletrodo negativo para reduzir a valência das substâncias ativas. O processo de descarga é o oposto.
Ao contrário das baterias de estado sólido em geral, as soluções de eletrólito positivo e (ou) negativo das baterias de fluxo líquido são armazenadas em tanques fora da bateria e transportadas para o interior da bateria por meio de bombas e tubulações para a reação.
A bateria de fluxo é um novo tipo de bateria. A bateria de fluxo é uma bateria de alto desempenho que utiliza eletrólitos positivos e negativos para se separar e circular separadamente. Ela possui características de alta capacidade, amplo campo de aplicação (ambiente) e longa vida útil de ciclo. É um produto de nova energia.
A bateria de fluxo redox é um novo tipo de dispositivo de armazenamento de energia eletroquímica de grande capacidade que está sendo ativamente pesquisado e desenvolvido. Ela é diferente das baterias que normalmente utilizam eletrodos de material sólido ou de gás. Seu material ativo é uma solução de eletrólito fluido. Sua característica mais significativa é o armazenamento de eletricidade em grande escala. Com a demanda pelo uso generalizado de energia renovável, é previsível que as baterias de fluxo entrem em um período de rápido desenvolvimento.
Princípio de funcionamento da bateria de fluxo líquido
A Figura 1 é um diagrama esquemático da bateria de fluxo líquido e um diagrama esquemático da estrutura da pilha de baterias. Os eletrólitos positivo e negativo da bateria são armazenados respectivamente em dois tanques de armazenamento, e os eletrólitos são circulados através da bateria usando uma bomba líquida. Dentro da pilha de baterias, os eletrólitos positivo e negativo são separados por uma membrana de troca iônica (ou diafragma iônico), e a bateria está conectada a uma carga externa e fonte de energia.
Como um novo tipo de tecnologia de armazenamento de energia eletroquímica (eletricidade) em grande escala e eficiente, a tecnologia de baterias de fluxo líquido realiza a conversão mútua e o armazenamento de energia elétrica e química através da mudança de valência das substâncias reativas. Nas baterias de fluxo líquido, as substâncias ativas são armazenadas nos eletrólitos e possuem fluidez, o que pode realizar a separação espacial do local da reação eletroquímica (eletrodo) e da substância ativa de armazenamento de energia. O design de potência e capacidade da bateria são relativamente independentes, o que a torna adequada para necessidades de armazenamento de energia em grande escala.
Ao contrário das baterias secundárias comuns, os materiais ativos de armazenamento de energia das baterias de fluxo estão completamente separados dos eletrodos, e os projetos de potência e capacidade são independentes entre si, o que facilita a combinação de módulos e a disposição das estruturas das baterias. O eletrólito é armazenado em um tanque e não se descarrega sozinho. A pilha de baterias apenas fornece um local para as reações eletroquímicas e não passa por reações redox em si mesma. Os materiais ativos estão dissolvidos no eletrólito, e o risco de crescimento de dendritos nos eletrodos e perfuração do diafragma é grandemente reduzido na bateria de fluxo. Ao mesmo tempo, o eletrólito em fluxo pode remover o calor gerado pelo processo de carregamento/descarregamento da bateria, evitando danos à estrutura da bateria ou até mesmo combustão devido ao aquecimento da bateria.
Classificação das baterias de fluxo
As baterias de fluxo podem ser divididas em baterias de fluxo de vanádio puro, baterias de fluxo de íons de lítio e baterias de fluxo de chumbo-ácido, de acordo com os diferentes materiais ativos dos eletrodos.
As baterias de fluxo de vanádio puro são um novo tipo de equipamento de armazenamento de energia. Elas podem ser usadas não apenas como dispositivos de armazenamento de energia para processos de geração de energia solar e eólica, mas também para regulação de pico da rede elétrica. Melhoram a estabilidade da rede elétrica e garantem a segurança da rede.
As baterias de zinco-brometo são um tipo de bateria de armazenamento de energia de fluxo, que tem uma vantagem inerente em termos de custo.
As baterias de fluxo de íons de lítio são a tecnologia mais recente desenvolvida para armazenamento de energia química em baterias. Elas combinam as vantagens das baterias de íons de lítio e das baterias de fluxo. São um novo tipo de bateria recarregável verde, com potência de saída e capacidade de armazenamento de energia independentes, alta densidade de energia e baixo custo.
Bateria de fluxo líquido de vanádio puro
A bateria de fluxo líquido de vanádio puro (VRB, também frequentemente chamada de bateria de vanádio) foi proposta por Maria Kazacos, da Universidade de New South Wales, Austrália, em 1985.
Como um sistema eletroquímico, a bateria de vanádio armazena energia em um eletrólito contendo pares redox de íons de vanádio com diferentes estados de valência. Eletrolitos com diferentes pares redox constituem os eletrólitos positivo e negativo da bateria, respectivamente, e os eletrólitos positivo e negativo são separados por uma membrana de troca iônica. A solução é pressionada do reservatório para a pilha de baterias por meio de uma bomba externa para completar a reação eletroquímica. Após a reação, a solução retorna ao reservatório, e o material ativo circula continuamente, completando assim o processo de carga e descarga.
Comparadas com outras baterias de armazenamento de energia, as baterias de fluxo de vanádio puro possuem as seguintes características:
(1) Potência de saída e capacidade de armazenamento de energia controláveis
A potência de saída da bateria depende do tamanho e número da pilha de baterias, e a capacidade de armazenamento de energia depende da capacidade e concentração do eletrólito. Portanto, seu design é muito flexível. Para aumentar a potência de saída, basta aumentar a área e o número da pilha de baterias. Para aumentar a capacidade de armazenamento de energia, basta aumentar o volume do eletrólito.
(2) Alta segurança
O sistema de bateria existente usa principalmente solução aquosa como eletrólito, e o sistema de bateria não apresenta risco potencial de explosão ou incêndio.
(3) Velocidade de inicialização rápida
Se a pilha de baterias estiver cheia de eletrólito, pode ser iniciada em 2 minutos. Durante a operação, leva apenas 0,02 segundos para alternar entre o estado de carga e descarga.
(4) Bom desempenho da taxa de bateria
O material ativo da bateria de fluxo de vanádio puro são íons de vanádio em diferentes estados de valência dissolvidos em solução aquosa. Durante o processo de carga e descarga da bateria de fluxo de vanádio puro, apenas o estado de valência do íon muda, e não ocorre reação de mudança de fase. A velocidade de resposta de carga e descarga é rápida.
(5) Vida útil longa da bateria
O íon metálico do eletrólito é apenas o íon de vanádio, portanto, não haverá problema de contaminação cruzada entre os materiais ativos do eletrólito positivo e negativo. A bateria tem uma vida útil longa e a solução de eletrólito é fácil de regenerar e reciclar.
(6) A auto-descarga da bateria é controlável
Quando o sistema está em modo de desligamento, o eletrólito no tanque não se auto-descarga.
(7) Fabricação e instalação convenientes
A bateria de fluxo de onda tem grande liberdade na escolha do local, e o sistema pode ser totalmente fechado e operado automaticamente, sem poluição, manutenção simples e baixo custo operacional.
(8) Os materiais da bateria são fáceis de reciclar e reutilizar
Os componentes da bateria de fluxo líquido são, em sua maioria, materiais de carbono baratos e plásticos de engenharia. As fontes de material são abundantes, e não há poluição durante o processo de reciclagem. É ambientalmente amigável e barato. Além disso, o monitoramento em tempo real do estado de carga (SOC) do sistema de baterias é relativamente fácil, o que facilita o gerenciamento e a distribuição da rede elétrica.
Bateria de fluxo de lítio-íon
Princípio de funcionamento da bateria de fluxo de lítio-íon
A bateria de fluxo de lítio-íon é composta principalmente pelo reator da bateria, tanque de armazenamento da suspensão do eletrodo positivo, tanque de armazenamento da suspensão do eletrodo negativo, bomba líquida e tubos selados. Entre eles, o tanque de armazenamento da suspensão do eletrodo positivo contém uma mistura de partículas do material ativo do eletrodo positivo, agente condutor e eletrólito, e o tanque de armazenamento da suspensão do eletrodo negativo contém uma mistura de partículas do material ativo do eletrodo negativo, agente condutor e eletrólito. O reator da bateria é o núcleo da bateria de fluxo de lítio-íon, e sua estrutura inclui principalmente: coletor de corrente do eletrodo positivo, câmara de reação do eletrodo positivo, diafragma poroso, câmara de reação do eletrodo negativo, coletor de corrente do eletrodo negativo e carcaça. Quando a bateria de fluxo de lítio-íon está em funcionamento, uma bomba líquida é usada para circular a suspensão. A suspensão flui continuamente ou intermitentemente entre o tanque de armazenamento da suspensão e o reator da bateria através de um tubo selado acionado por uma bomba líquida ou outra fonte de energia. A taxa de fluxo pode ser ajustada de acordo com a concentração da suspensão e a temperatura ambiente.
Quando a bateria está funcionando, a suspensão do eletrodo positivo entra na câmara de reação do eletrodo positivo do reator da bateria pela entrada líquida do eletrodo positivo e retorna ao tanque de armazenamento da suspensão do eletrodo positivo pela saída líquida do eletrodo positivo através de um tubo selado, após a conclusão da reação. Ao mesmo tempo, a suspensão do eletrodo negativo entra na câmara de reação do eletrodo negativo do reator da bateria pela entrada líquida do eletrodo negativo e retorna ao tanque de armazenamento da suspensão do eletrodo negativo pela saída líquida do eletrodo negativo através de um tubo selado, após a conclusão da reação. Existe um diafragma poroso eletricamente não condutor entre a câmara de reação do eletrodo positivo e a câmara de reação do eletrodo negativo, que separa as partículas do material ativo do eletrodo positivo na suspensão do eletrodo positivo das partículas do material ativo do eletrodo negativo na suspensão do eletrodo negativo, evitando o contato direto entre as partículas do material ativo do eletrodo positivo e negativo e causando um curto-circuito dentro da bateria. A suspensão do eletrodo positivo na câmara de reação do eletrodo positivo e a suspensão do eletrodo negativo na câmara de reação do eletrodo negativo podem trocar e transmitir íons de lítio através do eletrólito no diafragma poroso.
Quando a bateria está descarregando, os íons de lítio dentro das partículas do material ativo do eletrodo negativo na câmara de reação do eletrodo negativo são desintercalados, entram no eletrólito e chegam à câmara de reação do eletrodo positivo através do diafragma poroso, sendo incorporados nas partículas do material ativo do eletrodo positivo: ao mesmo tempo, os elétrons dentro das partículas do material ativo do eletrodo negativo na câmara de reação do eletrodo negativo fluem para o coletor de corrente do eletrodo negativo e fluem para o circuito externo da bateria através do terminal do eletrodo negativo do coletor de corrente do eletrodo negativo, e após completar o trabalho, fluem para o coletor de corrente do eletrodo positivo através do terminal do eletrodo positivo, finalmente se incorporando nas partículas do material ativo do eletrodo positivo na câmara de reação do eletrodo positivo. O processo de carregamento da bateria é o oposto.
Além disso, existem várias classificações de baterias de fluxo, como:
Bateria de fluxo zinco-bromo
Bateria de fluxo zinco-cerio
Bateria de fluxo zinco-níquel
Bateria de fluxo chumbo
Bateria de fluxo ferro-cromo
Bateria de fluxo polissulfeto de sódio/bromo
Bateria de fluxo zinco-cerio
Bateria de fluxo zinco-níquel
Bateria de fluxo chumbo
Bateria de fluxo ferro-cromo
Bateria de fluxo polissulfeto de sódio/bromo
Bateria de fluxo zinco-ferro
Resumo e Perspectiva das Baterias de Fluxo
Para as baterias de fluxo duplo tradicionais, enquanto se realiza gradualmente a comercialização de tecnologias maduras como as baterias de fluxo de vanádio total, é uma tarefa muito significativa e promissora desenvolver novos pares de eletrodos e sistemas não aquosos com características de alta solubilidade, propriedades químicas estáveis, alta reversibilidade nas reações dos eletrodos, ausência de reações laterais de evolução de oxigênio/hidrogênio e grande diferença de potencial de equilíbrio entre os pares de eletrodos.
Em comparação com as baterias de fluxo duplo, as baterias de fluxo simples do tipo deposição possuem características de estrutura simplificada, alta energia específica e baixo custo, mas a capacidade das baterias de fluxo simples é limitada pelos eletrodos sólidos, e a vida útil precisa ser melhorada. A uniformidade e a estabilidade dos eletrodos metálicos do tipo deposição e o eletrólito que leva em consideração o desempenho de ambos os eletrodos positivo e negativo também precisam ser resolvidos mais a fundo.
Novas Tecnologias de Baterias de Fluxo, como Baterias de Fluxo Vanádio/Ar, Células de Combustível Fluxo (Fe3+/Fe2+)/Metanol ou Baterias de Fluxo Semi-sólidas de Lítio-íon, estão na fase inicial de pesquisa. Seja em termos de desempenho, confiabilidade ou vida útil do ciclo, elas não atendem às necessidades das aplicações práticas. Portanto, essas novas tecnologias ainda têm um longo caminho a percorrer para se tornarem tecnologias comerciais maduras.
A tecnologia de baterias de armazenamento de energia de fluxo líquido tem como direção e objetivo de desenvolvimento no futuro a criação de sistemas em larga escala, alta eficiência, baixo custo e longa vida útil. Por isso, é necessário fortalecer a pesquisa sobre materiais-chave (como eletrólitos, membranas de troca iônica, materiais de eletrodo, etc.) e estruturas das baterias de armazenamento de energia de fluxo líquido para melhorar a confiabilidade e durabilidade das baterias. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento da tecnologia de produção em larga escala de materiais-chave deve ser realizado para reduzir significativamente o custo desses materiais e promover ativamente demonstrações de aplicação, estabelecendo a base para a industrialização e a aplicação em larga escala das baterias de armazenamento de energia de fluxo líquido.
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