¿Qué es una batería de flujo?
2024-12-25
La batería de flujo es una tecnología de almacenamiento de energía electroquímica propuesta por Thaller en 1974. Es un nuevo tipo de batería.
Una batería de flujo consta de una unidad de pila, electrolito, unidad de almacenamiento y suministro de electrolito, y unidad de control de gestión. Es una batería de alto rendimiento que separa los electrolitos positivos y negativos y los circula por separado. Tiene las características de alta capacidad, amplio campo de aplicación (entorno) y larga vida útil de ciclo. Es un producto de nueva energía.
Principales funciones de las baterías de flujo
Las baterías de flujo líquido logran la conversión mutua de energía eléctrica y energía química a través de reacciones redox reversibles (es decir, cambios reversibles en la valencia) de sustancias activas en las soluciones electrolíticas positivas y negativas. Durante la carga, ocurren reacciones de oxidación en el electrodo positivo para aumentar la valencia de las sustancias activas, y reacciones de reducción en el electrodo negativo para reducir la valencia de las sustancias activas. El proceso de descarga es el opuesto.
A diferencia de las baterías de estado sólido generales, las soluciones electrolíticas positivas y (o) negativas de las baterías de flujo líquido se almacenan en tanques fuera de la batería y se transportan al interior de la batería a través de bombas y tuberías para la reacción.
La batería de flujo es un nuevo tipo de batería. La batería de flujo es una batería de alto rendimiento que utiliza electrolitos positivos y negativos para separarlos y circulares por separado. Tiene las características de alta capacidad, amplio área de uso (entorno) y larga vida útil de ciclo. Es un producto de nueva energía.
La batería de flujo redox es un nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica de gran capacidad que está siendo activamente investigado y desarrollado. Se diferencia de las baterías que normalmente usan electrodos de material sólido o electrodos de gas. Su material activo es una solución electrolítica que fluye. Su característica más significativa es el almacenamiento de electricidad a gran escala. Con la creciente demanda del uso generalizado de energías renovables, se prevé que las baterías de flujo experimenten un período de desarrollo rápido.
Principio de funcionamiento de la batería de flujo líquida
La Figura 1 es un diagrama esquemático de la batería de flujo líquida y un diagrama esquemático de la estructura de la pila de baterías. Los electrolitos positivos y negativos de la batería se almacenan respectivamente en dos tanques de almacenamiento, y los electrolitos se circulan a través de la batería mediante una bomba líquida. Dentro de la pila de baterías, los electrolitos positivos y negativos están separados por una membrana de intercambio iónico (o diafragma iónico), y la batería se conecta a una carga externa y fuente de energía.
Como una nueva tecnología de almacenamiento de energía electroquímica (eléctrica) eficiente y a gran escala, la tecnología de la batería de flujo líquida realiza la conversión mutua y el almacenamiento de energía de energía eléctrica y energía química a través del cambio de valencia de las sustancias reactivas. En las baterías de flujo líquidas, las sustancias activas se almacenan en los electrolitos y tienen fluidez, lo que puede realizar la separación espacial del sitio de reacción electroquímica (electrodo) y la sustancia activa de almacenamiento de energía. El diseño de la potencia y la capacidad de la batería son relativamente independientes, lo que la hace adecuada para las necesidades de almacenamiento de energía a gran escala.
A diferencia de las baterías secundarias ordinarias, los materiales activos de almacenamiento de energía de las baterías de flujo están completamente separados de los electrodos, y los diseños de potencia y capacidad son independientes entre sí, lo que facilita la combinación de módulos y la disposición de las estructuras de la batería. El electrolito se almacena en un tanque y no se descargará por sí mismo. La pila de baterías solo proporciona un lugar para las reacciones electroquímicas y no sufre reacciones redox en sí misma. Los materiales activos se disuelven en el electrolito, lo que reduce en gran medida el riesgo de que los dendritas de los electrodos crezcan y perforen el diafragma en la batería de flujo. Al mismo tiempo, el electrolito en flujo puede llevarse el calor generado por el proceso de carga/descarga de la batería, evitando daños a la estructura de la batería o incluso la combustión causada por el calentamiento de la batería.
Clasificación de las baterías de flujo
Las baterías de flujo se pueden dividir en baterías de flujo de vanadio total, baterías de flujo de iones de litio y baterías de flujo de plomo-ácido, según los diferentes materiales activos de los electrodos.
Las baterías de flujo de vanadio total son un nuevo tipo de equipo de almacenamiento de energía. No solo se pueden usar como dispositivos de almacenamiento de energía para los procesos de generación de energía solar y eólica, sino también para la regulación de picos de la red eléctrica. Mejoran la estabilidad de la red eléctrica y aseguran la seguridad de la misma.
Las baterías de zinc-bromo son un tipo de batería de almacenamiento de energía de flujo, que tiene una ventaja inherente en cuanto a costos.
Las baterías de flujo de iones de litio son la tecnología más reciente desarrollada para el almacenamiento de energía química. Combinan las ventajas de las baterías de iones de litio y las baterías de flujo. Son un nuevo tipo de batería recargable verde con capacidad de salida de potencia independiente y capacidad de almacenamiento de energía, alta densidad de energía y bajo costo.
Batería de flujo líquida de vanadio total
La batería de flujo líquida de vanadio total (VRB, también conocida como batería de vanadio) fue propuesta por Marria Kazacos de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia, en 1985.
Como sistema electroquímico, la batería de vanadio almacena energía en un electrolito que contiene pares redox de iones de vanadio con diferentes estados de valencia. Los electrolitos con diferentes pares redox constituyen respectivamente los electrolitos positivos y negativos de la batería, y los electrolitos positivos y negativos están separados por una membrana de intercambio iónico. La solución se presiona desde el depósito hacia la pila de baterías a través de una bomba externa para completar la reacción electroquímica. Después de la reacción, la solución regresa al depósito, y el material activo circula continuamente, completando así la carga y descarga.
Comparado con otras baterías de almacenamiento de energía, las baterías de flujo de vanadio total tienen las siguientes características:
(1) Potencia de salida y capacidad de almacenamiento de energía controlables
La potencia de salida de la batería depende del tamaño y número de la pila de baterías, y la capacidad de almacenamiento de energía depende de la capacidad y concentración del electrolito. Por lo tanto, su diseño es muy flexible. Para aumentar la potencia de salida, basta con aumentar el área y número de la pila de baterías. Para aumentar la capacidad de almacenamiento de energía, basta con aumentar el volumen del electrolito.
(2) Alta seguridad
El sistema de batería existente utiliza principalmente solución acuosa como electrolito, y el sistema de batería no presenta potenciales riesgos de explosión o incendio.
(3) Rápida velocidad de arranque
Si la pila de baterías está llena de electrolito, puede arrancar en 2 minutos. Durante la operación, solo toma 0.02 segundos cambiar el estado de carga y descarga.
(4) Buena performance en tasa de batería
El material activo de la batería de flujo de vanadio total son iones de vanadio de diferentes estados de valencia disueltos en solución acuosa. Durante el proceso de carga y descarga de la batería de flujo de vanadio total, solo cambia el estado de valencia de los iones, y no ocurre una reacción de cambio de fase. La velocidad de respuesta de carga y descarga es rápida.
(5) Larga vida útil de la batería
El ion metálico del electrolito es solo el ion de vanadio, por lo que no habrá problemas de contaminación cruzada entre las sustancias activas del electrolito positivo y negativo. La batería tiene una larga vida útil y la solución electrolítica es fácil de regenerar y reciclar.
(6) La autodescarga de la batería es controlable
Cuando el sistema está en modo de apagado, el electrolito en el tanque no se autodescarga.
(7) Fabricación y colocación convenientes
La batería de flujo de onda tiene un gran grado de libertad en la selección del sitio, y el sistema puede ser completamente cerrado y operado de manera automática, sin contaminación, con mantenimiento simple y bajo costo operativo.
(8) Los materiales de la batería son fáciles de reciclar y reutilizar
Los componentes de la batería de flujo líquida son en su mayoría materiales baratos de carbono y plásticos de ingeniería. Las fuentes de materiales son abundantes y no hay contaminación durante el proceso de reciclaje. Es ecológico y económico. Además, el monitoreo en tiempo real del estado de carga (SOC) del sistema de la batería es relativamente fácil, lo que favorece la gestión y el despacho de la red eléctrica.
Batería de flujo de iones de litio
Principio de funcionamiento de la batería de flujo de iones de litio
La batería de flujo de iones de litio está compuesta principalmente por el reactor de la batería, el tanque de almacenamiento de suspensión del electrodo positivo, el tanque de almacenamiento de suspensión del electrodo negativo, la bomba líquida y las tuberías selladas. El tanque de almacenamiento de suspensión del electrodo positivo contiene una mezcla de partículas del material activo del electrodo positivo, agente conductor y electrolito, mientras que el tanque de almacenamiento de suspensión del electrodo negativo contiene una mezcla de partículas del material activo del electrodo negativo, agente conductor y electrolito. El reactor de la batería es el núcleo de la batería de flujo de iones de litio, y su estructura incluye principalmente: colector de corriente del electrodo positivo, cámara de reacción del electrodo positivo, diafragma poroso, cámara de reacción del electrodo negativo, colector de corriente del electrodo negativo y carcasa.
Cuando la batería de flujo de iones de litio está en funcionamiento, se utiliza una bomba líquida para circular la suspensión. La suspensión fluye de manera continua o intermitente entre el tanque de almacenamiento de suspensión y el reactor de la batería a través de una tubería sellada impulsada por una bomba líquida u otra fuente de energía. La velocidad de flujo se puede ajustar según la concentración de la suspensión y la temperatura ambiente.
Cuando la batería de flujo de iones de litio está en funcionamiento, se utiliza una bomba líquida para circular la suspensión. La suspensión fluye de manera continua o intermitente entre el tanque de almacenamiento de suspensión y el reactor de la batería a través de una tubería sellada impulsada por una bomba líquida u otra fuente de energía. La velocidad de flujo se puede ajustar según la concentración de la suspensión y la temperatura ambiente.
Cuando la batería está en funcionamiento, la suspensión del electrodo positivo entra en la cámara de reacción del electrodo positivo del reactor de la batería desde la entrada de líquido positivo, y regresa al tanque de almacenamiento de suspensión del electrodo positivo desde la salida de líquido positivo a través de una tubería sellada después de completar la reacción. Al mismo tiempo, la suspensión del electrodo negativo entra en la cámara de reacción del electrodo negativo del reactor de la batería desde la entrada de líquido negativo, y regresa al tanque de almacenamiento de suspensión del electrodo negativo desde la salida de líquido negativo a través de una tubería sellada después de completar la reacción. Hay un diafragma poroso electrónicamente no conductor entre la cámara de reacción del electrodo positivo y la cámara de reacción del electrodo negativo, que separa las partículas del material activo del electrodo positivo en la suspensión del electrodo positivo y las partículas del material activo del electrodo negativo en la suspensión del electrodo negativo, evitando el contacto directo entre las partículas del material activo de los electrodos positivo y negativo y causando un cortocircuito dentro de la batería. La suspensión del electrodo positivo en la cámara de reacción del electrodo positivo y la suspensión del electrodo negativo en la cámara de reacción del electrodo negativo pueden intercambiar y transmitir iones de litio a través del electrolito en el diafragma poroso.
Cuando la batería se descarga, los iones de litio dentro de las partículas del material activo del electrodo negativo en la cámara de reacción del electrodo negativo se desintercalan, entran en el electrolito y alcanzan la cámara de reacción del electrodo positivo a través del diafragma poroso, y se incrustan en las partículas del material activo del electrodo positivo; al mismo tiempo, los electrones dentro de las partículas del material activo del electrodo negativo en la cámara de reacción del electrodo negativo fluyen hacia el colector del electrodo negativo, y fluyen hacia el circuito externo de la batería a través de la pestaña del electrodo negativo del colector del electrodo negativo, y después de completar el trabajo, fluyen hacia el colector del electrodo positivo a través de la pestaña de la placa positiva, y finalmente se incrustan en las partículas del material activo del electrodo positivo en la cámara de reacción del electrodo positivo. El proceso de carga de la batería es el opuesto.
Además, existen muchas clasificaciones de baterías de flujo, tales como:
Batería de flujo zinc-bromo
Batería de flujo zinc-cerio
Batería de flujo zinc-níquel
Batería de flujo de plomo
Batería de flujo hierro-cromo
Batería de flujo polisulfuro de sodio/bromo
Batería de flujo zinc-hierro
Batería de flujo zinc-cerio
Batería de flujo zinc-níquel
Batería de flujo de plomo
Batería de flujo hierro-cromo
Batería de flujo polisulfuro de sodio/bromo
Batería de flujo zinc-hierro
Resumen y Prospectiva de las Baterías de Flujo
Para las baterías de flujo dual tradicionales, mientras se va logrando gradualmente la comercialización de tecnologías maduras como las baterías de flujo de vanadio total, desarrollar nuevos pares de electrodos y sistemas no acuosos con características de alta solubilidad, propiedades químicas estables, alta reversibilidad de las reacciones de los electrodos, sin reacciones secundarias de evolución de oxígeno/hidrógeno, y un gran diferencial de potencial de equilibrio de los pares de electrodos es una tarea muy significativa y prometedora.
En comparación con las baterías de flujo dual, las baterías de flujo simple tipo deposición tienen las características de una estructura simplificada, alta energía específica y bajo costo, pero la capacidad de las baterías de flujo simple está limitada por los electrodos sólidos, y la vida útil necesita ser mejorada. La uniformidad y estabilidad de los electrodos metálicos tipo deposición y el electrolito que tenga en cuenta el rendimiento tanto de los electrodos positivos como negativos también necesitan ser resueltas de manera más profunda.
Nuevas tecnologías de baterías de flujo, como las baterías de flujo vanadio/aire, las baterías de flujo (Fe3+/Fe2+)/metanol o las baterías de flujo de iones de litio semi-sólidas, se encuentran en la etapa inicial de investigación. Ya sea en términos de rendimiento, fiabilidad o vida útil, no pueden satisfacer las necesidades de las aplicaciones prácticas. Por lo tanto, estas nuevas tecnologías aún tienen un largo camino por recorrer para convertirse en tecnologías comerciales maduras.
La gran escala, la alta eficiencia, el bajo costo y la larga vida útil son la dirección y los objetivos de desarrollo de la tecnología de baterías de almacenamiento de energía líquida en el futuro. Por lo tanto, es necesario fortalecer la investigación sobre materiales clave (como electrolitos, membranas de intercambio iónico, materiales para electrodos, etc.) y estructuras de baterías de almacenamiento de energía líquida para mejorar la fiabilidad y durabilidad de las baterías. Al mismo tiempo, se debe desarrollar la tecnología de producción a gran escala de materiales clave para reducir significativamente el costo de los materiales clave de la batería, y llevar a cabo demostraciones de aplicaciones para sentar las bases para la industrialización y la aplicación a gran escala de las baterías de almacenamiento de energía líquida.
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