Baterii redox vanadiu
Bateria redox de vanadiu în forma sa actuală (cu electroliți de acid sulfuric) a fost brevetată de Universitatea din New South Wales (Australia) în 1986. [1] Este un tip de baterie cu flux reîncărcabil care folosește perechi redox de vanadiu în ambele jumătăți celulelor, pentru a elimina problemele de contaminare datorate difuziei ionilor prin membrană. Utilizarea perechilor redox de vanadiu în bateriile cu flux a fost sugerată anterior de Pissoort, [2] de cercetătorii NASA și de Pellegri și Spaziante în 1978, [3] , dar prima demonstrație de succes și prima dezvoltare comercială le sunt datorate Maria Skyllas-Kazacos și colaboratori la Universitatea din New South Wales în 1980. [4] Bateria de vanadiu redox exploatează capacitatea de vanadiu de a exista în soluție în patru stări de oxidare diferite; în acest fel este posibilă realizarea unei baterii cu un singur element electroactiv în loc de două. Principalele avantaje ale bateriei redox de vanadiu sunt că este posibil să se obțină o capacitate aproape nelimitată pur și simplu folosind rezervoare mari după dorință, poate fi lăsată complet descărcată pentru perioade lungi de timp fără efecte adverse, poate fi reîncărcată pur și simplu prin înlocuirea electrolitului dacă nu este disponibilă o altă sursă de energie pentru a o reîncărca și nu există daune permanente dacă cei doi electroliți sunt amestecați accidental. Principalele dezavantaje ale acestei tehnologii sunt un raport relativ scăzut de energie / volum și un sistem de complexitate mai mare decât acumulatorii clasici.
Operațiune
O baterie redox de vanadiu constă dintr-un set de celule electrochimice în care cei doi electroliți sunt separați de o membrană de schimb de protoni . Ambii electroliți se bazează pe vanadiu: electrolitul din jumătatea celulei pozitive conține ioni VO 2 + și VO 2+ , în timp ce cel din jumătatea celulei negative conține ioni V 3+ și V 2+ . Electrolitii pot fi preparați în diferite moduri, de exemplu prin dizolvarea electrolitică a pentoxidului de vanadiu (V 2 O 5 ) în acid sulfuric (H 2 SO 4 ). Soluția utilizată rămâne puternic acidă. În bateriile cu flux de vanadiu, cele două jumătăți de celule sunt, de asemenea, conectate la rezervoare de rezervă care conțin un volum foarte mare de electrolit, care este circulat prin celulă cu pompe speciale. Această circulație a electroliților lichizi necesită o anumită amprentă și limitează posibilitatea utilizării bateriilor cu flux de vanadiu în aplicații mobile, limitându-le în mod eficient la instalații mari fixe. Cu toate acestea, o companie s-a interesat de aplicațiile vehiculelor electrice , înlocuind soluția de electroliți pentru încărcarea rapidă a bateriei.
Când bateria se încarcă, vanadiul este oxidat în jumătatea celulei pozitive, transformând VO 2+ în VO 2 + . Electronii eliminați sunt transportați la jumătatea celulei negative, unde reduc vanadiul de la V 3+ la V 2+ . În timpul utilizării, procesul are loc în direcția opusă și se obține o tensiune de 1,41 V la 25 ° C într-un circuit deschis.
Bateriile cu flux de vanadiu au alte proprietăți utile: au un răspuns foarte rapid la schimbările de sarcină și pot rezista la suprasarcini extreme. Studiile efectuate la Universitatea din New South Wales au arătat că aceste baterii au un timp de răspuns mai mic de o jumătate de milisecundă pentru o variație de încărcare de 100% și rezistă la suprasarcini de 400% timp de 10 secunde. Timpul de răspuns este limitat în principal de sistemul electric. Eficiența generală în aplicațiile practice este de aproximativ 65-75%. [5]
A doua generație de baterii redox de vanadiu (vanadiu / polihalogen) ar putea dubla aproximativ densitatea energiei și extinde intervalul de temperatură de funcționare.
Densitatea energiei
Bateriile redox de vanadiu produse în prezent obțin o densitate de energie de aproximativ 25 Wh / kg de electrolit. Cercetări mai recente de la Universitatea din New South Wales indică faptul că utilizarea inhibitorilor de precipitații densitatea energiei poate crește la aproximativ 35 Wh / kg, iar valori mai mari pot fi atinse prin controlul temperaturii electrolitului. Această densitate de energie este destul de mică în comparație cu cea a altor baterii reîncărcabile, cum ar fi acidul de plumb (30-50 Wh / Kg) și ionul litiu (110-160 Wh / Kg).
Aplicații
Bateriile cu vanadiu redox pot atinge capacități foarte mari, făcându-le potrivite pentru sisteme mari de stocare a energiei, unde pot fi utilizate pentru a media capacitatea de producție a unor surse de energie foarte variabile, cum ar fi sistemele eoliene sau solare, sau pentru a face față cerințelor bruște de curent. Acestea se caracterizează printr-un timp de răspuns extrem de rapid și, prin urmare, sunt potrivite pentru surse de alimentare neîntreruptibile (denumite și UPS , din English Uninterruptible Power Supply ), unde pot înlocui bateriile cu plumb și generatoarele diesel.
Instalatii
Unele instalații de funcționare a bateriei vanadiu sunt:
- Un sistem UPS de 1,5 MW într-o fabrică de semiconductori din Japonia
- Un compensator de putere de 275 kW într-un parc eolian din Tomari Wind Hills lângă Hokkaido (Japonia)
- Un compensator de putere de 200 kW, 800 kWh la parcul eolian Huxley Hill de pe King Island ( Tasmania )
- Un nivelator de încărcare de 250 kW, 2 MWh utilizat în Castle Valley , Utah ( SUA )
- O baterie cu debit de 12 MWh este pe cale să fie instalată în parcul eolian Sorne Hill, Donegal ( Irlanda ).
Notă
- ^ M. Skyllas-Kazacos, M. Rychcik și R. Robins, în brevetul AU 575247 (1986), către Unisearch Ltd.
- ^ PA Pissoort, în brevetul FR 754065 (1933).
- ^ A. Pelligri și PM Spaziante, în brevetul GB 2030349 (1978), către Oronzio de Nora Impianti Elettrochimici SpA
- ^ M. Rychcik și M. Skyllas-Kazacos, J. Power Sources , 22 (1988) 59-67.
- ^ Întrebări frecvente despre sistemele de alimentare VRB
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre bateriile Vanadium redox
linkuri externe
- ( EN ) Site-ul bateriei de vanadiu redox la Universitatea din New South Wales , la vrb.unsw.edu.au.
- ( RO ) Lucrare prezentată la conferința IEEE vara 2001 ( PDF ), pe electricstorage.org . Adus la 20 aprilie 2009 (arhivat din original la 20 octombrie 2007) .
