Vanadium Redox Batterie – Wikipedia

Schematischer Aufbau eines Vanadium-Redox-Flow-Batteriesystems^[4]

1 MW 4 MWh containerisierte Vanadium-Durchflussbatterie von Avista Utilities, hergestellt von UniEnergy Technologies

Eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie an der Universität von New South Wales, Sydney, Australien

Das Vanadium-Redox-Batterie (VRB), auch bekannt als Vanadium Flow Batterie (VFB) oder Vanadium Redox Flow Batterie (VRFB) ist eine Art wiederaufladbarer Durchflussbatterie, die Vanadiumionen in verschiedenen Oxidationsstufen verwendet, um chemische potentielle Energie zu speichern.^[5] Die Vanadium-Redox-Batterie nutzt die Fähigkeit von Vanadium, in vier verschiedenen Oxidationsstufen in Lösung zu existieren, und verwendet diese Eigenschaft, um eine Batterie herzustellen, die nur ein elektroaktives Element anstelle von zwei aufweist.^[6] Aus mehreren Gründen, einschließlich ihrer relativen Sperrigkeit, werden die meisten Vanadiumbatterien derzeit zur Speicherung von Netzenergie verwendet, dh an Kraftwerke oder Stromnetze angeschlossen.

Die Möglichkeit, eine Vanadium-Flow-Batterie herzustellen, wurde von Pissoort in den 1930er Jahren untersucht.^[7] NASA-Forscher in den 1970er Jahren und Pellegri und Spaziante in den 1970er Jahren,^[8] aber keiner von ihnen war erfolgreich darin, die Technologie zu demonstrieren. Die erste erfolgreiche Demonstration der All-Vanadium-Redox-Flow-Batterie, bei der Vanadium in einer Schwefelsäurelösung in jeder Hälfte verwendet wurde, wurde in den 1980er Jahren von Maria Skyllas-Kazacos an der Universität von New South Wales durchgeführt.^[9] Ihr Design verwendete Schwefelsäure-Elektrolyte und wurde 1986 von der Universität von New South Wales in Australien patentiert.^[2]

Zahlreiche Unternehmen und Organisationen sind an der Finanzierung und Entwicklung von Vanadium-Redox-Batterien beteiligt.

Vorteile gegenüber anderen Batterietypen[edit]

Die Hauptvorteile der Vanadium-Redox-Batterie bestehen darin, dass sie durch die Verwendung größerer Elektrolyt-Speichertanks nahezu unbegrenzte Energiekapazität bieten kann. es kann für lange Zeiträume ohne negative Auswirkungen vollständig entladen bleiben; Wenn die Elektrolyte versehentlich gemischt werden, wird die Batterie nicht dauerhaft beschädigt. Ein einziger Ladezustand zwischen den beiden Elektrolyten vermeidet die Kapazitätsverschlechterung aufgrund einer einzelnen Zelle in Batterien ohne Durchfluss. Der Elektrolyt ist wässrig und von Natur aus sicher und nicht brennbar.^[10] und die Formulierung der Generation 3 unter Verwendung einer gemischten Säurelösung, die vom Pacific Northwest National Laboratory entwickelt wurde, arbeitet über einen breiteren Temperaturbereich^[11] Passive Kühlung ermöglichen.^[12]

VRFBs können in einer Entladungstiefe (DOD) von etwa 90% und mehr verwendet werden, dh in tieferen DODs als Festkörperbatterien (z. B. Batterien auf Lithium- und Natriumbasis, die normalerweise mit DOD = 80% spezifiziert sind). Darüber hinaus weisen VRFBs eine sehr lange Lebensdauer auf: Die meisten Hersteller geben eine Zykluslebensdauer von mehr als 15.000 bis 20.000 Lade- / Entladezyklen an^{[citation needed]}. Diese Werte liegen weit über der Lebensdauer von Festkörperbatterien, die normalerweise in der Größenordnung von 4.000 bis 5.000 Lade- / Entladezyklen liegt. Folglich liegen die ausgeglichenen Energiekosten (LCOE, dh die Systemkosten geteilt durch die nutzbare Energie, die Zykluslebensdauer und die Effizienz der Umlaufleistung) der gegenwärtigen VRFB-Systeme typischerweise in der Größenordnung von einigen zehn Cent oder Cent. viel niedriger als die LCOEs äquivalenter Festkörperbatterien und nahe an den vom US-Energieministerium bzw. vom Strategic Energy Technology (SET) -Plan der Europäischen Kommission angegebenen Zielen von 0,05 USD bzw. 0,05 EUR.^[13]

Nachteile von anderen Batterietypen[edit]

Die Hauptnachteile der Vanadium-Redox-Technologie sind ein relativ schlechtes Energie-Volumen-Verhältnis im Vergleich zu Standard-Speicherbatterien und eine relativ schlechte Round-Trip-Effizienz. Darüber hinaus macht der wässrige Elektrolyt die Batterie schwer und daher nur für stationäre Anwendungen geeignet. Ein weiterer Nachteil ist die relativ hohe Toxizität von Vanadiumoxiden (siehe Vanadium § Sicherheit).

Betrieb[edit]

Diagramm einer Vanadium-Durchflussbatterie

Eine Vanadium-Redox-Batterie besteht aus einer Anordnung von Kraftzellen, in denen die beiden Elektrolyte durch eine Protonenaustauschmembran getrennt sind. Die Elektroden in einer VRB-Zelle basieren auf Kohlenstoff; Die gebräuchlichsten Typen sind Kohlefilz, Kohlepapier, Kohlenstofftuch und Graphitfilz. In jüngster Zeit haben Elektroden auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren in der wissenschaftlichen Gemeinschaft großes Interesse gefunden.^[14][15][16] Beide Elektrolyte basieren auf Vanadium, der Elektrolyt in den positiven Halbzellen enthält VO₂⁺ und VO²⁺ Ionen, der Elektrolyt in den negativen Halbzellen, V.³⁺ und V.²⁺ Ionen. Die Elektrolyte können durch eines von mehreren Verfahren hergestellt werden, einschließlich des elektrolytisch löslichen Vanadiumpentoxids (V.₂Ö₅) in Schwefelsäure (H.₂DAMIT₄). Die Lösung bleibt im Gebrauch stark sauer.

In Vanadium-Flow-Batterien sind beide Halbzellen zusätzlich mit Lagertanks und Pumpen verbunden, so dass sehr große Mengen der Elektrolyte durch die Zelle zirkulieren können. Diese Zirkulation von flüssigen Elektrolyten ist etwas umständlich und beschränkt die Verwendung von Vanadium-Flow-Batterien in mobilen Anwendungen, wodurch sie effektiv auf große ortsfeste Anlagen beschränkt werden.

Wenn die Vanadiumbatterie geladen wird, wird die VO²⁺ Ionen in der positiven Halbzelle werden in VO umgewandelt₂⁺ Ionen, wenn Elektronen vom Pluspol der Batterie entfernt werden. In ähnlicher Weise werden in der negativen Halbzelle Elektronen eingeführt, die das V umwandeln³⁺ Ionen in V.²⁺. Während der Entladung ist dieser Vorgang umgekehrt und führt zu einer typischen Leerlaufspannung von 1,41 V bei 25 ° C.

Andere nützliche Eigenschaften von Vanadium-Flow-Batterien sind ihre sehr schnelle Reaktion auf sich ändernde Lasten und ihre extrem großen Überlastkapazitäten. Studien der University of New South Wales haben gezeigt, dass sie bei einem Lastwechsel von 100% eine Reaktionszeit von weniger als einer halben Millisekunde erreichen und 10 Sekunden lang Überlastungen von bis zu 400% zulassen können. Die Reaktionszeit wird meist durch die elektrische Ausrüstung begrenzt. Sofern nicht speziell für kältere oder wärmere Klimazonen ausgelegt, arbeiten die meisten Vanadiumbatterien auf Schwefelsäurebasis nur zwischen etwa 10 und 40 ° C. Unterhalb dieses Temperaturbereichs kristallisiert die ioneninfundierte Schwefelsäure.^[17] Der Wirkungsgrad von Hin- und Rückflügen in praktischen Anwendungen liegt bei 65–75%.^[18]

Vorgeschlagene Verbesserungen[edit]

Zweite Generation^[19] Vanadium-Redox-Batterien (Vanadium / Brom) können die Energiedichte ungefähr verdoppeln und den Temperaturbereich erhöhen, in dem die Batterie betrieben werden kann. Das Vanadium / Brom- und andere Vanadium-basierte Systeme senken auch die Kosten von Vanadium-Redox-Batterien, indem das Vanadium am positiven oder negativen Elektrolyten durch billigere Alternativen wie Cer ersetzt wird.^[20]

Spezifische Energie und Energiedichte[edit]

Gegenwärtig produzierte Vanadium-Redox-Batterien erreichen eine spezifische Energie von etwa 20 Wh / kg (72 kJ / kg) Elektrolyt. Neuere Forschungen am UNSW zeigen, dass die Verwendung von Fällungsinhibitoren die Dichte auf etwa 35 Wh / kg (126 kJ / kg) erhöhen kann, wobei durch die Steuerung der Elektrolyttemperatur noch höhere Dichten ermöglicht werden. Diese spezifische Energie ist im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batterietypen (z. B. Blei-Säure 30–40 Wh / kg (108–144 kJ / kg) und Lithium-Ionen 80–200 Wh / kg (288–720 kJ /) recht gering. kg)).

Mechanismen der Elektrodenpermeation durch Elektrolyt[edit]

Eine Reihe von Forschungsgruppen weltweit haben über Kapazitätsverluste bei VRFBs über längere Nutzungsdauern berichtet. Obwohl verschiedene Ursachen in Betracht gezogen wurden, ist der Einfluss der Elektrodenmikrostruktur auf die Zellelektrochemie innerhalb der Elektrode kaum bekannt. Die elektrolytische Benetzung von Kohlenstoffelektroden in VRFBs ist wichtig, um Abbauquellen zu überwinden und geeignete Betriebsverfahren anzuwenden. Kürzlich scheint es, dass das elektrolytische Benetzungsverhalten innerhalb der Elektrode durch lokale Konzentrationseffekte sowie Kapillarwirkung beeinflusst werden kann.^[21] Schnelle Benetzung oder Permeation kann auch ungelöste Gase zurücklassen, die einen Elektrodenabbau verursachen können.

Anwendungen[edit]

Die extrem großen Kapazitäten, die mit Vanadium-Redox-Batterien möglich sind, machen sie gut geeignet für den Einsatz in großen Energiespeicheranwendungen, z. B. um die Produktion hochvariabler Erzeugungsquellen wie Wind- oder Solarenergie zu mitteln, um Generatoren bei der Bewältigung großer Nachfrageschübe oder Nivellierungen zu unterstützen Angebot / Nachfrage in einem Bereich mit eingeschränkter Übertragung.

Die begrenzten Selbstentladungseigenschaften von Vanadium-Redox-Batterien machen sie nützlich für Anwendungen, bei denen die Batterien über lange Zeiträume mit geringem Wartungsaufwand gelagert werden müssen, während sie bereit sind. Dies hat zu ihrer Einführung in einigen militärischen Elektronikbereichen geführt, beispielsweise in den Sensorkomponenten des GATOR-Minensystems. Ihre Fähigkeit, vollständig zu fahren und bei 0% Ladezustand zu bleiben, macht sie für Solar + Speicheranwendungen geeignet, bei denen die Batterie jeden Tag leer starten und sich je nach Last und Wetter füllen muss. Beispielsweise werden Lithium-Ionen-Batterien in der Regel beschädigt, wenn sie unter 20% Ladezustand entladen werden dürfen. Daher arbeiten sie normalerweise nur zwischen etwa 20% und 100%, was bedeutet, dass sie nur 80% ihrer Typenschildkapazität verbrauchen.^[22]

Aufgrund ihrer extrem schnellen Reaktionszeiten eignen sie sich auch hervorragend für Anwendungen mit unterbrechungsfreier Stromversorgung (USV), bei denen Blei-Säure-Batterien und sogar Dieselgeneratoren ersetzt werden können. Auch die schnelle Reaktionszeit macht sie für die Frequenzregelung gut geeignet. Diese Fähigkeiten machen Vanadium-Redox-Batterien auch zu einer effektiven “All-in-One” -Lösung für Mikronetze, die von zuverlässigem Betrieb und Frequenzregelung abhängen und eine Lastverschiebung erfordern (entweder durch eine hohe Durchdringung erneuerbarer Energien, eine stark variable Last oder den Wunsch nach Optimierung Generatoreffizienz durch zeitversetzten Versand).

Größte Vanadiumgitterbatterien[edit]

In China wird derzeit eine Vanadium-Redox-Batterie mit 200 MW und 800 MWh (4 Stunden) gebaut. Es sollte bis 2018 abgeschlossen sein^[36] Die erste Stufe mit 250 kW / 1 MWh war Ende 2018 in Betrieb^[37]

Unternehmen, die Vanadium-Redox-Batterien finanzieren oder entwickeln[edit]

• In den USA
• Europa
  • Dynamische Technologie für erneuerbare Energien^[42]
  • Enerox GmbH (ehemals Gildemeister Energiespeicher)
  • Invinity Energy Systems^[43] (früher redT in Großbritannien),^[44]
  • Schmid Group,^[45]
  • VoltStorage ^[46]
  • Volterion ^[47]
  • VisBlue ^[48] (Dänemark)
  • Pinflow-Energiespeicher ^[49] (Tschechien).
• Asien
  • Cellennium in Thailand;
  • Rongke Power in China;^[50]
  • Umsichtige Energie in China;^[51]
  • Sumitomo in Japan;
  • H2, Inc. in Südkorea;^[52]
  • Australisches Vanadium in Australien,^[53]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Zusätzliche Referenzen[edit]

Externe Links[edit]