Vanadyum redoks pil - Vanadium redox battery

Bir vanadyum redoks akışlı pil sisteminin şematik tasarımı

Avista Utilities'e ait olan ve UniEnergy Technologies tarafından üretilen 1 MW 4 MWh konteynerli vanadyum akışlı pil

Avustralya, Sidney, New South Wales Üniversitesi'nde bulunan bir vanadyum redoks akış pili

Vanadyum redoks pili olarak da bilinir (VRB), vanadyum akış pil (VFB) ya da vanadyum redoks akışlı batarya (VRFB), yeniden şarj edilebilir bir tür akış pil kullanmaktadır vanadyum kimyasal potansiyel enerji depolamak için çeşitli oksitlenme aşamalarında iyonları. Vanadyum redoks pili, vanadyumun çözeltide dört farklı oksidasyon durumunda bulunma yeteneğinden yararlanır ve bu özelliği iki yerine sadece bir elektroaktif elemente sahip bir pil yapmak için kullanır. Göreceli hacimleri de dahil olmak üzere çeşitli nedenlerle, çoğu vanadyum pil şu anda şebeke enerji depolaması için kullanılmaktadır , yani enerji santrallerine veya elektrik şebekelerine bağlı.

Bir vanadyum akış pili yaratma olasılığı 1930'larda Pissoort, 1970'lerde NASA araştırmacıları ve 1970'lerde Pellegri ve Spaziante tarafından araştırıldı, ancak hiçbiri teknolojiyi göstermede başarılı olmadı. Her yarısında sülfürik asit çözeltisi içinde tamamen vanadyum redoks akış pil çalışan vanadyum ilk başarılı gösteri ile yapıldı Maria Skyllas-Kazacos de New South Wales Üniversitesi'nde 1980'lerde. Tasarımı sülfürik asit elektrolitleri kullandı ve 1986'da Avustralya'daki New South Wales Üniversitesi tarafından patenti alındı .

Çok sayıda şirket ve kuruluş, vanadyum redoks pillerinin finansmanı ve geliştirilmesinde yer almaktadır.

Diğer pil türlerine göre avantajlar

Vanadyum redoks pilin ana avantajları, daha büyük elektrolit depolama tankları kullanarak neredeyse sınırsız enerji kapasitesi sunabilmesidir; hiçbir yan etki olmaksızın uzun süre tamamen boşalmış halde bırakılabilir; elektrolitler yanlışlıkla karıştırılırsa, pil kalıcı bir hasar görmez; iki elektrolit arasındaki tek şarj durumu, akışsız pillerde tek hücre nedeniyle kapasite bozulmasını önler; elektrolit suludur ve doğası gereği güvenlidir ve yanıcı değildir; ve Pacific Northwest National Laboratory tarafından geliştirilen bir karışık asit solüsyonu kullanan 3. nesil formülasyon , pasif soğutmaya izin veren daha geniş bir sıcaklık aralığında çalışır. VRFB'ler, yaklaşık %90 ve daha fazla deşarj derinliğinde (DOD) kullanılabilir, yani katı hal pillerden daha derin DOD'lar (örneğin, genellikle DOD=%80 ile belirtilen lityum bazlı ve sodyum bazlı piller). Ek olarak, VRFB'ler çok uzun çevrim ömürleri sergiler: çoğu üretici, 15.000-20.000 şarj/deşarj döngüsünün üzerinde döngü dayanıklılığı belirtir. Bu değerler, genellikle 4.000-5.000 şarj/deşarj döngüsü olan katı hal pillerin çevrim ömürlerinin çok ötesindedir. Sonuç olarak, mevcut VRFB sistemlerinin seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LCOE, yani sistem maliyetinin kullanılabilir enerjiye bölünmesi, çevrim ömrü ve gidiş-dönüş verimliliği) tipik olarak birkaç on sent veya € sent mertebesindedir, eşdeğer katı hal pillerin LCOE'lerinden çok daha düşük ve ABD Enerji Bakanlığı ve Avrupa Komisyonu Stratejik Enerji Teknolojisi (SET) Planı tarafından belirtilen sırasıyla 0,05 $ ve 0,05 € hedeflerine yakın.

Diğer pil türlerinden dezavantajlar

Vanadyum redoks teknolojisinin ana dezavantajları, standart depolama pillerine kıyasla nispeten zayıf bir enerji-hacim oranı ve nispeten düşük gidiş-dönüş verimliliğidir. Ayrıca, sulu elektrolit pili ağırlaştırır ve bu nedenle yalnızca sabit uygulamalar için kullanışlıdır. Diğer bir dezavantaj, vanadyum oksitlerinin nispeten yüksek toksisitesidir (bkz. vanadyum § Güvenlik ).

Operasyon

Bir vanadyum akış pilinin şeması

Bir vanadyum redoks pili , iki elektrolitin bir proton değişim membranı ile ayrıldığı bir güç hücreleri grubundan oluşur . Bir VRB hücresindeki elektrotlar karbon bazlıdır; en yaygın türleri karbon keçe, karbon kağıdı, karbon kumaş ve grafit keçedir. Son zamanlarda, karbon nanotüp bazlı elektrotlar bilim camiasından büyük ilgi gördü. Her iki elektrolit de vanadyum bazlıdır, pozitif yarı hücrelerdeki elektrolit VO ₂ ⁺ ve VO ²⁺ iyonları, negatif yarı hücrelerdeki elektrolit, V ³⁺ ve V ²⁺ iyonları içerir. Elektrolitler elektrolitik çözülmesi dahil olmak üzere çeşitli işlemleri, herhangi biri ile hazırlanabilir vanadyum pentoksit (V ₂ O ₅ olarak) sülfürik asit (H ₂ SO ₄ ). Çözelti kullanımda kuvvetli asidik kalır.

Vanadyum akışlı pillerde, her iki yarım hücre de depolama tanklarına ve pompalara ek olarak bağlanır, böylece çok büyük hacimli elektrolitler hücre içinde dolaştırılabilir. Sıvı elektrolitlerin bu sirkülasyonu biraz hantaldır ve mobil uygulamalarda vanadyum akışlı pillerin kullanımını kısıtlayarak onları etkin bir şekilde büyük sabit kurulumlarla sınırlandırır.

Vanadyum pil şarj edilirken , pozitif yarım hücredeki VO ²⁺ iyonları , pilin pozitif terminalinden elektronlar çıkarıldığında VO ₂ ⁺ iyonlarına dönüştürülür . Benzer şekilde, negatif yarı hücrede, ^{V3 +} iyonlarını V2 ^+'ya dönüştüren elektronlar verilir . Deşarj sırasında bu işlem tersine çevrilir ve 25 °C'de 1,41 V'luk tipik bir açık devre voltajıyla sonuçlanır.

Pozitif elektrot (katot) yarı reaksiyonu

${\displaystyle {\ce {VO2+ + 2H+ + e- <=> VO^2+ + H2O}}}$

Negatif elektrot (anot) yarı reaksiyonu

${\displaystyle {\ce {V^2+ <=> V^3+ + e^-}}}$

Tam reaksiyon (soldan sağa: deşarj, sağdan sola: şarj)

${\displaystyle {\ce {VO2+ + 2H+ + V^2+ <=> VO^2+ + H2O + V^3+}}}$

Elektrotlar arasında bir elektron aktarıldığında, yük nötrlüğünü korumak için hücre zarı boyunca bir protonun aktarılması gerektiğine dikkat edin.

Vanadyum akışlı akülerin diğer faydalı özellikleri, değişen yüklere çok hızlı tepki vermeleri ve aşırı büyük aşırı yük kapasiteleridir. New South Wales Üniversitesi tarafından yapılan araştırmalar, %100 yük değişimi için yarım milisaniyenin altında bir yanıt süresi elde edebildiklerini ve 10 saniye boyunca %400'e kadar aşırı yüklenmeye izin verdiklerini göstermiştir. Tepki süresi çoğunlukla elektrikli ekipmanla sınırlıdır. Daha soğuk veya daha sıcak iklimler için özel olarak tasarlanmadıkça, çoğu sülfürik asit bazlı vanadyum piller yalnızca yaklaşık 10 ila 40 °C arasında çalışır. Bu sıcaklık aralığının altında iyonla aşılanmış sülfürik asit kristalleşir. Pratik uygulamalarda gidiş-dönüş verimliliği %65-75 civarındadır.

Önerilen iyileştirmeler

İkinci nesil vanadyum redoks piller ( vanadyum / brom ) enerji yoğunluğunu yaklaşık olarak ikiye katlayabilir ve pilin çalışabileceği sıcaklık aralığını artırabilir. Vanadyum / brom ve vanadyum esaslı sistemler, aynı zamanda, seryum gibi ucuz alternatifler pozitif ya da negatif bir elektrolit de vanadyum değiştirerek vanadyum redoks pilleri maliyetini azaltmak.

Özgül enerji ve enerji yoğunluğu

Mevcut üretim vanadyum redoks pilleri, yaklaşık 20 Wh/kg (72 kJ/kg) elektrolitlik belirli bir enerji elde eder. UNSW'deki daha yeni araştırmalar, çökelme önleyicilerin kullanımının, elektrolit sıcaklığının kontrol edilmesiyle daha da yüksek yoğunlukların mümkün kılınmasıyla, yoğunluğu yaklaşık 35 Wh/kg'a (126 kJ/kg) yükseltebileceğini göstermektedir. Bu spesifik enerji , diğer şarj edilebilir pil türleriyle (örneğin, kurşun-asit, 30–40 Wh/kg (108–144 kJ/kg) ve lityum iyon, 80–200 Wh/kg (288–720 kJ/kg) ile karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. kilogram)).

Uygulamalar

Vanadyum redoks pillerden mümkün olan son derece büyük kapasiteler, onları rüzgar veya güneş enerjisi gibi oldukça değişken üretim kaynaklarının üretiminin ortalamasının alınmasına yardımcı olmak, jeneratörlerin talepteki büyük dalgalanmalarla başa çıkmasına yardımcı olmak veya seviyelendirme gibi büyük güç depolama uygulamalarında kullanım için çok uygun hale getirir. iletim kısıtlı bir bölgede arz/talep dışarı.

Vanadyum redoks pillerin sınırlı kendi kendine deşarj özellikleri, pillerin hazır durumunu korurken az bakımla uzun süre saklanması gereken uygulamalarda onları kullanışlı kılar. Bu, GATOR maden sisteminin sensör bileşenleri gibi bazı askeri elektroniklerde benimsenmesine yol açmıştır . Tam döngü ve %0 şarj durumunda kalma yetenekleri, pilin her güne boş olarak başlaması ve yüke ve hava durumuna bağlı olarak dolmasını gerektiren güneş enerjisi + depolama uygulamaları için uygun hale getirir. Örneğin, lityum iyon piller , şarj durumunun %20'sinin altında boşalmalarına izin verildiğinde tipik olarak hasar görür, bu nedenle tipik olarak yalnızca yaklaşık %20 ila %100 arasında çalışırlar, yani isim levhası kapasitelerinin yalnızca %80'ini kullanırlar.

Son derece hızlı tepki süreleri, aynı zamanda , kurşun-asit pilleri ve hatta dizel jeneratörleri değiştirmek için kullanılabilecekleri kesintisiz güç kaynağı (UPS) tipi uygulamalar için de son derece uygun olmalarını sağlar . Ayrıca hızlı tepki süresi, onları frekans regülasyonu için çok uygun hale getirir. Ayrıca, bu yetenekler vanadyum redoks pilleri güvenilir operasyonlara, frekans düzenlemesine bağlı olan ve yük değiştirme ihtiyacı olan mikro şebekeler için etkili bir "hepsi bir arada" çözüm haline getirir (yüksek yenilenebilir penetrasyondan, oldukça değişken bir yükten veya optimize etme arzusundan). zaman kaydırmalı sevk yoluyla jeneratör verimliliği).

En büyük vanadyum ızgara pilleri

Çin'de 200 MW, 800 MWh (4 saat) vanadyum redoks pil yapım aşamasındadır; 2018 yılına kadar tamamlanması bekleniyordu ve 250 kW/1MWh'lik ilk aşaması 2018'in sonlarında faaliyete geçti.

Vanadyum redoks pillerini finanse eden veya geliştiren şirketler

Şirketler arasında Amerika Birleşik Devletleri'nde UniEnergy Technologies , StorEn Technologies, Largo Energy ve Ashlawn Energy; Güney Kore'de H2; Avrupa'da Yenilenebilir Enerji Dinamiği Teknolojisi, Invinity Energy ve VoltStorage; Çin'de İhtiyatlı Enerji; Avustralya'da Avustralya Vanadyumu; Suudi Arabistan'da EverFlow Energy JV SABIC SCHMID Group ve Güney Afrika'da Bushveld Minerals.

Ayrıca bakınız

• Pil türlerinin listesi
• polisülfid bromür pil
• Elektrik pili
• Yakıt hücresi
• Enerji depolama

Referanslar

Ek referanslar

• IEEE yaz 2001 konferansından sunum kağıdı
• Vanadyum pillerle ilgili UNSW Sitesi
• Dünya Enerji Raporu
• Küresel Vanadyum Yataklarının Dünya Haritası Vanadyum jeolojisi, bir baz metal cevheri gövdesine kıyasla oldukça sıra dışıdır.
• "Elektrikli Arabalar İçin İyileştirilmiş Redoks Akışlı Piller" . ScienceDaily / Fraunhofer-Gesellschaft . 13 Ekim 2009 . 21 Haziran 2014 tarihinde alındı .

Dış bağlantılar

• UNSW'deki VRFB gelişmeleri
• Her şeyde VRB2
• Rüzgar Türbini Jeneratörlerinde Vanadyum Redoks Enerji Depolama İhtiyacı Amerika'da her tür yenilenebilir enerjiden net elektrik üretimi 2005 ve 2009 yılları arasında %15'in üzerinde arttı.
• redT ve Avalon, Vanadyum Akışlı Pillerde dünya lideri olan Invinity Energy Systems olarak birleşti