باتری اکسایش کاهش وانادیومی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
طراحی شماتیک یک سیستم باتری اکسایش - کاهش جریانی وانادیومی[۱]
باتری جریانی وانادیومی کانتینری متعلق به Avista Utilities و ساخت UniEnergy Technologies
یک باتری باتری اکسایش - کاهش جریانی وانادیومی واقع در دانشگاه نیو ساوت ولز، سیدنی، استرالیا

باتری اکسایش - کاهش جریانی وانادیومی (VRB) که با نام‌های باتری جریانی وانادیومی (VFB) یا (VRFB) نیز شناخته می‌شود، نوعی باتری جریانی قابل شارژ است که از یون‌های وانادیوم به عنوان حامل بار استفاده می‌کند.[۲] این باتری از توانایی وانادیوم برای حضور در محلول در چهار عدد اکسایش مختلف برای ساخت باتری با یک الکترواکتیو به جای دو الکترواکتیو استفاده می‌کند.[۳] به چند دلیل، از جمله حجم زیاد نسبی آنها، باتری‌های وانادیومی معمولاً برای ذخیره انرژی شبکه استفاده می‌شوند، به عنوان مثال، به نیروگاه‌های شبکه‌های برق متصل می‌شوند.

پیسورت (Pissoort) امکان ساخت VRFBها را در ۱۹۳۰ بررسی کرد.[۴] محققان ناسا، پلگری(Pellegri) و اسپازیانته(Spaziante) در ۱۹۷۰ این موضوع را بررسی کردند،[۵] اما هیچ‌کدام موفق نبودند. اولین نمونه‌های موفق باتری وانادیومی محلول در اسید سولفوریک را ماریا اسکایلاس-کازاکوس(Maria Skyllas-Kazacos) هر یک به صورت جداگانه در دهه ۱۹۸۰ ارائه کردند.[۶][۷] در این نمونه‌ها ازالکترولیت اسید سولفوریک استفاده شده‌است که در سال ۱۹۸۶ در دانشگاه نیو ساوت ولز در استرالیاساخته شده بود.[۸]

شرکت‌ها و سازمان‌های متعددی در تأمین مالی و توسعه باتری‌های اکسایش - کاهش وانادیومی مشارکت دارند.

مزایا نسبت به سایر انواع باتری‌ها[ویرایش]

مزایای اصلی VRFB:[۹]

  • بدون محدودیت در ظرفیت انرژی
  • می‌تواند به‌طور نامحدود بدون آسیب تخلیه شود
  • اختلاط الکترولیت‌ها هیچ آسیب دائمی ایجاد نمی‌کند
  • حالت تک بار در سراسر الکترولیت‌ها از تخریب ظرفیت جلوگیری می‌کند
  • الکترولیت آبی ایمن و غیرقابل اشتعال؛
  • محدوده دمای عملیاتی گسترده از جمله خنک‌کننده غیرفعال[۱۰][۱۱]
  • عمر چرخه شارژ/دشارژ طولانی: ۱۵۰۰۰–۲۰۰۰۰ سیکل.
  • هزینه سطحی پایین: (چند ده سنت)، نزدیک شدن به اهداف ۰٫۰۵ دلاری اعلام شده توسط وزارت انرژی ایالات متحده و طرح فناوری انرژی استراتژیک کمیسیون اروپا (۰٫۰۵ یورو).[۱۲]

معایب نسبت به انواع دیگر باتری‌ها[ویرایش]

  • نسبت انرژی به حجم نسبتاً ضعیف در مقایسه با باتری‌های ذخیره‌سازی استاندارد
  • راندمان رفت و برگشت نسبتاً ضعیف
  • وزن بالای الکترولیت آبی
  • اکسیدهای وانادیوم سمیت نسبتاً بالایی دارند.

مواد[ویرایش]

نمودار یک باتری جریان وانادیوم

یک باتری اکسایش - کاهش وانادیومی شامل مجموعه ای از سلول‌های برقی شیمیایی قدرت است که در آن دو الکترولیت توسط یک غشای تبادل پروتون از هم جدا شده‌اند. الکترودهای موجود در سلول VRB بر پایه کربن هستند. رایج‌ترین انواع الکترودها نمد کربن، کاغذ کربن، پارچه کربن و نمد گرافیتی است. اخیراً، الکترودهای مبتنی بر، نانولوله‌های کربنی مورد توجه جامعه علمی قرار گرفته‌اند.[۱۳][۱۴][۱۵]

هر دو الکترولیت بر پایه وانادیوم هستند. الکترولیت در نیم سلول مثبت، حاوی یون‌های VO 2 + و VO 2 + است، در حالی که الکترولیت در نیم سلول منفی از یون‌های V 3 + و V 2 + تشکیل شده‌است. الکترولیت‌ها را می‌توان با چندین فرایند، از جمله حل الکترولیتی پنتوکسید وانادیم (V 2 O 5) در اسید سولفوریک (H 2 SO 4) تهیه کرد. محلول در استفاده به شدت اسیدی باقی می‌ماند.

غشاء یکی دیگر از اجزای مهم است. رایج‌ترین ماده غشایی اسید سولفونیک پرفلورینه (PFSA) است. با این حال، یون‌های وانادیوم تمایل دارند به غشاء نفوذ کنند و سلول را بی‌ثبات کنند. یک مطالعه در سال ۲۰۲۱ نشان داد که نانوذرات تری‌اکسید تنگستن روی سطح ورقه‌های اکسید گرافن رشد می‌کنند، یک ورقه تک لایه از اکسید گرافیت که از طریق اکسایش گرافیت ساخته می‌شود. ورقه‌ها در یک غشای PFSA با ساختار ساندویچی تقویت شده با پلی تترا فلوئورواتیلن تعبیه شده‌اند. ورقه‌های اکسید گرافن نفوذ یون وانادیوم را کاهش می‌دهند، در حالی که نانوذرات انتقال پروتون را ارتقا می‌دهند و راندمان کولمبی بالا، و بازده انرژی به ترتیب بیش از ۹۸٫۱ درصد و ۸۸٫۹ درصد را ارائه می‌دهند.[۱۶]

عملکرد[ویرایش]

در باتری‌های جریانی وانادیومی، هر دو نیم سلول به مخازن و پمپ‌های ذخیره‌سازی متصل می‌شوند تا حجم الکترولیت زیادی را بتوانند به گردش درآورد. این چرخش سخت است و استفاده از باتری‌های جریانی وانادیومی را در استفاده برای تلفن همراه محدود می‌کند و کاربرد مؤثر آنها را به تأسیسات ثابت بزرگ محدود می‌کند.

هنگامی که باتری وانادیومی شارژ می‌شود، یون‌های VO 2 + در نیم سلول مثبت به یون VO 2 + تبدیل می‌شوند درحالی که الکترون‌ها از پایانه مثبت باتری منتقل می‌شوند.

از دیگر خواص مفید باتری‌های جریانی وانادیومی، واکنش بسیار سریع آن‌ها به تغییر بار و ظرفیت اضافه بار بسیار زیاد آن‌ها است. مطالعات انجام شده توسط دانشگاه نیو ساوت ولز نشان داده‌است که آنها می‌توانند به زمان پاسخگویی کمتر از نیم میلی ثانیه برای تغییر بار ۱۰۰ درصدی دست یابند و اجازه اضافه بار تا ۴۰۰ درصد برای ۱۰ ثانیه را دارند. زمان پاسخ عمدتاً توسط تجهیزات الکتریکی محدود می‌شود. بیشتر باتری‌های وانادیوم مبتنی بر اسید سولفوریک فقط بین دمای ۱۰ تا ۴۰ درجه سانتی گراد کار می‌کنند، مگر اینکه به‌طور خاص برای آب‌وهوای سردتر یا گرم‌تر طراحی شده باشند. در زیر آن محدوده دما، اسید سولفوریک تزریق شده با یون متبلور می‌شود.[۱۷] راندمان رفت و برگشت در کاربردهای عملی حدود ۶۵ تا ۷۵ است ٪.[۱۸]

راهکاهای پیشنهادی برای بهبود عملکرد[ویرایش]

نسل دوم[۱۹] باتری‌های اکسایش - کاهش وانادیومی (وانادیوم / برم) ممکن است چگالی انرژی را تقریباً دو برابر کرده و محدوده دمایی را که باتری می‌تواند در آن کار کند، افزایش دهد. سیستم‌های مبتنی بر وانادیم / برم و سایر سیستم‌های مبتنی بر وانادیوم نیز با جایگزینی وانادیوم در الکترولیت مثبت یا منفی با جایگزین‌های ارزان‌تری مانند سریم، هزینه باتری‌های اکسایش - کاهش وانادیومی را کاهش می‌دهند.[۲۰]

به‌طور معمول، اسید سولفونیک پرفلورینه (PFSA) به عنوان غشای جداکننده استفاده می‌شود. با این حال، یون‌های وانادیوم می‌توانند از غشا عبور کرده و باتری را بی‌ثبات کنند. محققان نانوذرات تری‌اکسید تنگستن را روی سطح ورقه‌های اکسید گرافن رشد داده‌اند و آنها را در یک سیستم PFSA با ساختار ساندویچی تقویت شده با پلی تترا فلوئورواتیلن جاسازی کردند. این نفوذ وانادیوم را کاهش داده و انتقال پروتون را افزایش می‌دهد، بازده کولمبی و بازده انرژی به ترتیب بیش از ۹۸٫۱٪ و 88.9%.[۲۱]

انرژی ویژه و چگالی انرژی[ویرایش]

باتری‌های اکسایش - کاهش وانادیومی فعلی تولید انرژی خاصی در حدود ۲۰ وات بر کیلوگرم (۷۲ کیلوژول بر کیلوگرم) دارند الکترولیت. تحقیقات جدیدتر در UNSW نشان می‌دهد که استفاده از بازدارنده‌های بارش می‌تواند تراکم را تا حدود ۳۵ وات بر کیلوگرم، (126 kJ/kg)افزایش دهد. با چگالی حتی بالاتر که با کنترل دمای الکترولیت امکان‌پذیر شده‌است. این انرژی ویژه در مقایسه با سایر انواع باتری‌های قابل شارژ (به عنوان مثال، سرب-اسید (108-144 kJ/kg)(۳۰–۴۰ وات بر کیلوگرم) بسیار کم است.

کاربردها[ویرایش]

کاربرد گسترده VRFB ممکن است برای بافر کردن خروجی نامنظم سیستم‌های باد و خورشیدی در مقیاس شهری است.

تخلیه خودکار، آنها را به‌طور بالقوه در کاربردهایی که نیاز به ذخیره‌سازی طولانی مدت باتری با تعمیر و نگهداری کمی دارند مانند تجهیزات نظامی، اجزای حسگر سیستم معدن GATOR، مناسب می‌کند.[۲۲]

آن‌ها اغلب اوقات واکنش سریع را با کاربردهای تأمین توان uninterruptible (UPS)هماهنگ می‌کنند و در آنجا می‌توانند باتری‌های سرب - اسید یا ژنراتورهای دیزلی را جایگزین کنند. زمان واکنش سریع نیز برای تنظیم فرکانس مناسب است. این قابلیت‌ها باعث می‌شوند که VRBF یک راه‌حل «موثر» برای میکرو شبکه‌ها، تنظیم فرکانس و تغییر بار باشد.

بزرگترین باتری‌های شبکه ای وانادیومی[ویرایش]

بزرگترین باتری‌های وانادیومی عملیاتی
نام تاریخ راه اندازی انرژی (MWh) توان (MW) مدت زمان (ساعت) کشور
پست می‌نامی هایاکیتا[۲۳][۲۴] دسامبر ۲۰۱۵ ۶۰ ۱۵ ۴ ژاپن
Pfinztal، بادن-وورتمبرگ[۲۵][۲۶][۲۷] سپتامبر ۲۰۱۹ ۲۰ ۲ ۱۰ آلمان
وونیوشی، لیائونینگ[۲۸][۲۹] ۱۰ ۵ ۲ چین
مزرعه بادی Tomamae[۳۰] ۲۰۰۵ ۶ ۴ ساعت ۱:۳۰ ژاپن
پروژه Zhangbei[۳۱] ۲۰۱۶ ۸ ۲ ۴ چین
پروژه SnoPUD MESA 2[۳۲][۳۳] مارس ۲۰۱۷ ۸ ۲ ۴ ایالات متحده آمریکا
پست سان میگل[۳۴] ۲۰۱۷ ۸ ۲ ۴ ایالات متحده آمریکا
پولمن واشینگتن[۳۵] آوریل ۲۰۱۵ ۴ ۱ ۴ ایالات متحده آمریکا
باتری دالیان می ۲۰۲۱ (ظرفیت نهایی) ۴۰0 (800) ۱۰0 (200) ۴ چین

یک باتری وانادیوم ۲۰۰ مگاوات، ۸۰۰ مگاوات ساعت در سال ۲۰۱۸ در چین در حال ساخت بود،[۳۶] که در اواخر سال ۲۰۱۸ فاز اولیه آن بهره‌برداری شد.[۳۷]

شرکت‌هایی که در حال توسعه یا ساخت باتری‌های اکسایش - کاهش وانادیومی هستند[ویرایش]

از جمله این شرکت‌ها عبارتند از UniEnergy Technologies ,[۳۸] StorEn Technologies,[۳۹][۴۰] Largo Energy[۴۱] و Ashlawn Energy[۴۲] در ایالات متحده؛ H2 در کره جنوبیRenewable Energy Dynamics Technology. Invinity Energy[۴۳][۴۴]و VoltStorage[۴۵] در اروپا. Prudent Energy در چین؛[۴۶] وانادیوم استرالیایی در استرالیا.[۴۷] EverFlow Energy JV SABIC SCHMID Group در عربستان سعودی[۴۸] و Bushveld Minerals در آفریقای جنوبی.[۴۹]

پیوند به بیرون[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Qi, Zhaoxiang; Koenig, Gary M. (July 2017). "Review Article: Flow battery systems with solid electroactive materials". Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena. 35 (4): 040801. Bibcode:2017JVSTB..35d0801Q. doi:10.1116/1.4983210. ISSN 2166-2746.
  2. Laurence Knight (14 Jun 2014). "Vanadium: The metal that may soon be powering your neighbourhood". BBC. Retrieved 2 Mar 2015.
  3. Alotto, P.; Guarnieri, M.; Moro, F. (2014). "Redox Flow Batteries for the storage of renewable energy: a review". Renewable & Sustainable Energy Reviews. 29: 325–335. doi:10.1016/j.rser.2013.08.001.
  4. P. A. Pissoort, in FR Patent 754065 (1933)
  5. A. Pelligri and P. M. Spaziante, in GB Patent 2030349 (1978), to Oronzio de Nori Impianti Elettrochimici S.p.A.
  6. M. Rychcik and M. Skyllas-Kazacos, J. Power Sources, 22 (1988) 59–67
  7. "Discovery and invention: How the vanadium flow battery story began". Energy Storage News. 18 October 2021. Archived from the original on 18 October 2021.
  8. Ragsdale, Rose (May 2020). "Vanadium fuels growing demand for VRFBs". Metal Tech News (به انگلیسی). Retrieved 2021-11-15.
  9. Ragsdale, Rose (May 2020). "Vanadium fuels growing demand for VRFBs". Metal Tech News (به انگلیسی). Retrieved 2021-11-15.
  10. "Vanadium Redox Flow Batteries" (PDF). Pacific Northwest National Laboratory. October 2012.
  11. Miller, Kelsey. UniEnergy Technologies Goes from Molecules to Megawatts بایگانی‌شده در ۳۱ ژانویه ۲۰۱۶ توسط Wayback Machine, Clean Tech Alliance, 7 July 2014. Accessed 21 Jan 2016.
  12. Spagnuolo, G.; Petrone, G.; Mattavelli, P.; Guarnieri, M. (2016). "Vanadium Redox Flow Batteries: Potentials and Challenges of an Emerging Storage Technology". IEEE Industrial Electronics Magazine. 10 (4): 20–31. doi:10.1109/MIE.2016.2611760. {{cite journal}}: |hdl-access= requires |hdl= (help)
  13. Mustafa, Ibrahim; Lopez, Ivan; Younes, Hammad; Susantyoko, Rahmat Agung; Al-Rub, Rashid Abu; Almheiri, Saif (March 2017). "Fabrication of Freestanding Sheets of Multiwalled Carbon Nanotubes (Buckypapers) for Vanadium Redox Flow Batteries and Effects of Fabrication Variables on Electrochemical Performance". Electrochimica Acta. 230: 222–235. doi:10.1016/j.electacta.2017.01.186. ISSN 0013-4686.
  14. Mustafa, Ibrahim; Bamgbopa, Musbaudeen O.; Alraeesi, Eman; Shao-Horn, Yang; Sun, Hong; Almheiri, Saif (2017-01-01). "Insights on the Electrochemical Activity of Porous Carbonaceous Electrodes in Non-Aqueous Vanadium Redox Flow Batteries". Journal of the Electrochemical Society. 164 (14): A3673–A3683. doi:10.1149/2.0621714jes. ISSN 0013-4651.
  15. Mustafa, Ibrahim; Al Shehhi, Asma; Al Hammadi, Ayoob; Susantyoko, Rahmat; Palmisano, Giovanni; Almheiri, Saif (May 2018). "Effects of carbonaceous impurities on the electrochemical activity of multiwalled carbon nanotube electrodes for vanadium redox flow batteries". Carbon. 131: 47–59. doi:10.1016/j.carbon.2018.01.069. ISSN 0008-6223.
  16. Lavars, Nick (2021-11-12). "Hybrid membrane edges flow batteries toward grid-scale energy storage". New Atlas (به انگلیسی). Retrieved 2021-11-14.
  17. DOE/Pacific Northwest National Laboratory (17 Mar 2011). "Electric Grid Reliability: Increasing Energy Storage in Vanadium Redox Batteries by 70 Percent". Science Daily. Retrieved 2 Mar 2015.
  18. VRB Power Systems FAQ بایگانی‌شده در ۱۳ فوریه ۲۰۱۰ توسط Wayback Machine
  19. History of Vanadium Redox Battery
  20. Sankarasubramanian, Shrihari; Zhang, Yunzhu; Ramani, Vijay (2019). "Methanesulfonic acid-based electrode-decoupled vanadium–cerium redox flow battery exhibits significantly improved capacity and cycle life". Sustainable Energy & Fuels (به انگلیسی). 3 (9): 2417–2425. doi:10.1039/C9SE00286C. ISSN 2398-4902.
  21. Lavars, Nick (2021-11-12). "Hybrid membrane edges flow batteries toward grid-scale energy storage". New Atlas (به انگلیسی). Retrieved 2021-11-15.
  22. Allbright, Greg, et. al. A Comparison of Lead Acid to Lithium-ion in Stationary Storage Applications All Cell, March 2012
  23. Stone, Mike (3 February 2016). "A Look at the Biggest Energy Storage Projects Built Around the World in the Last Year". Retrieved 12 August 2017.
  24. "DOE Global Energy Storage Database". www.energystorageexchange.org. Archived from the original on 9 November 2017. Retrieved 9 November 2017.
  25. "Redox-Flow-Batterien". Retrieved 2014-07-27.
  26. "Der Rotor steht noch still".
  27. "Großprojekt "RedoxWind"". Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie.
  28. "Energy Storage in China". www.ees-magazine.com. Retrieved 12 August 2017.
  29. Zonghao, L. I. U.; Huamin, Zhang; Sujun, G. a. O.; Xiangkun, M. A.; Yufeng, L. I. U.; 刘宗浩, 张华民. "The world's largest all-vanadium redox flow battery energy storage system for a wind farm, 风场配套用全球最大全钒液流电池储能系统". 储能科学与技术. 3 (1): 71–77. doi:10.3969/j.issn.2095-4239.2014.01.010.
  30. "DOE Global Energy Storage Database". www.energystorageexchange.org. Retrieved 9 November 2017.
  31. "DOE Global Energy Storage Database". www.energystorageexchange.org. Archived from the original on 31 August 2018. Retrieved 9 November 2017.
  32. "UET and Snohomish County PUD Dedicate the World's Largest Capacity Containerized Flow Battery". Energy Storage News. 29 March 2017. Archived from the original on 18 August 2018. Retrieved 29 December 2017.
  33. "PUD invests $11.2 million in energy-storing units". Everett Herald. 2 November 2016. Retrieved 29 December 2017.
  34. "SDG&E and Sumitomo unveil largest vanadium redox flow battery in the US". Energy Storage News. 17 March 2017. Retrieved 12 August 2017.
  35. Wesoff, Eric, St. John, Jeff. Largest Capacity Flow Battery in North America and EU is Online, Greentech Media, June 2015. Accessed 21 Jan 2016.
  36. "It's Big and Long-Lived, and It Won't Catch Fire: The Vanadium Redox-⁠Flow Battery". IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News. Retrieved 12 November 2017.
  37. "First phase of China's biggest flow battery put into operation by VRB Energy". Energy Storage News. Retrieved 4 May 2019.
  38. Steve Wilhelm (3 Jul 2014). "Liquid battery the size of a truck, will give utilities a charge". Puget Sound Business Journal. Retrieved 2 May 2015.
  39. Entrepreneur, Office of the Queensland Chief (2021-02-03). "How Queensland can supercharge the future of batteries". Office of the Queensland Chief Entrepreneur (به انگلیسی). Retrieved 2021-02-03.
  40. "StorEn Tech Provides First Of Its Kind Vanadium Flow Battery To Australia". CleanTechnica (به انگلیسی). 2020-12-19. Retrieved 2021-02-03.
  41. "Vanadium producer Largo prepares 1.4GWh of flow battery stack manufacturing capacity". 6 May 2021.
  42. BILL HAGSTRAND (23 Aug 2013). "Vanadium redox: powering up local communities". Crain's Cleveland Business. Retrieved 2 May 2015.
  43. "'UK's first' grid-scale battery storage system comes online in Oxford". 24 June 2021.
  44. "US clean-tech investments leap to US$1.1bn. Where's Ireland at?". Silicon Republic. 11 Apr 2011. Retrieved 2 May 2015.
  45. "Voltstorage develops a safe and ecological storage solution". 16 January 2018.
  46. Jeff St. John (2 Mar 2010). "Made in China: Prudent Energy Lands $22M For Flow Batteries". GigaOm. Retrieved 2 May 2015.
  47. "Australian Vanadium Ltd ships first vanadium flow battery from Austria". Proactive Investors. 13 Jul 2016. Retrieved 24 Nov 2017.
  48. "3GWh flow battery manufacturing facility to be constructed in Saudi Arabia". 16 May 2020.
  49. "Vanadium producer Bushveld Minerals begins building flow battery electrolyte plant in South Africa". 15 June 2021.

}}**