Et nyt design til flow-batterier

I 2020, Kina planlægger at lancere det største batterikompleks i verden med en kapacitet på 800 MW*h (ca. denne mængde energi om året forbruges af en husstand med 200 lejligheder). Dette kompleks er ikke baseret på de sædvanlige lithium-ion- eller bly-syre-batterier, men på redoxflow-batteriet, hvor elektriciteten er lagret i form af kemisk energi af opløsninger - elektrolytter. Batteriet består af to tanke, hvori elektrolytter opbevares, og membran-elektrodesamling (MEA)-løsninger leveres til MEA af pumper, hvor de gennemgår elektrokemiske reaktioner, som sørger for opladning og afladning af batteriet.

På grund af denne opsætning, redox flow batterier, i modsætning til mange andre energilagringsenheder, muliggør uafhængig skalering af batteriets strøm og kapacitet, som bestemmes af størrelsen af ​​MEA og elektrolytvolumen, henholdsvis. Ud over, redoxflow-batterier udviser minimal selvafladning over længere perioder, og deres elektrolytter nedbrydes ikke selv efter titusindvis af driftscyklusser, gør dem til lovende kandidater til at lagre store mængder energi i de smarte elnet. For eksempel, de kan lagre overskydende elektricitet genereret af fotovoltaiske solceller i dagslys og generere reserveelektricitet om natten eller i overskyet vejr.

"Flow-batterier bliver aktivt integreret i Kinas elnet, Tyskland og andre lande, på den ene side, og på den anden side, fortsætter med at blive udviklet og forfinet i laboratorier, " kommenterer en af ​​forfatterne til værket, forsker ved NTI Kompetencecenter ved IPCP RAS, Dmitry Konev. "Vi har foreslået et helt nyt design af MEA, hvilket vil lette forskningsprocessen og i høj grad reducere adgangstærsklen for nye forskergrupper til dette område. I fremtiden, dette vil bidrage til at opnå betydelige fremskridt og vil bringe distribuerede energiressourcer fra nichepositionering til et meget højt kommercialiseringsniveau, også i Rusland."

Sandwich med laserfyld

MEA er hjertet i flowbatteriet. Det ligner en sandwich af forskellige arkmaterialer, opdelt i to symmetriske dele forsynet med sin egen elektrolyt. Når batteriet er tilsluttet en strømforsyning, den ene elektrolyt er oxideret, mens en anden reducerer, og så er batteriet opladet. Efter det, strømkilden kan afbrydes og erstattes med en energiforbruger - elektrolytterne vil gennemgå omvendte processer, og batteriet vil begynde at aflades.

En vigtig del af MEA er flowfeltpladerne, sandwichlag, hvorigennem elektrolytten pumpes til elektroderne, hvor elektrolytterne oxideres eller reduceres. Batteriets ydeevne, dvs. kraft og effektivitet, afhænger stærkt af, hvor godt flowfelterne er organiseret. Derfor, forskere vælger ofte forskellige typer felter for at optimere batteriets ydeevne, men dette er en meget arbejdskrævende opgave:flowfelter fræses i tætte grafitplader, hvilket er en tidskrævende procedure. Russiske forskere har foreslået en anden tilgang.

"Vi danner strømningsfelter ved at bruge flere tynde lag af fleksible grafitmaterialer:de nødvendige mønstre i dem skæres af en laser, og derefter lægges disse lag oven på hinanden for at få det nødvendige felt, " siger værkets første forfatter, Roman Pichugov, en forsker ved Mendeleev Universitet. "Proceduren til at oprette flowfelter tager kun et par minutter, hvilket er meget mindre end traditionel fræsning af grafit. Plus, der anvendes billigere materialer, og som et resultat, der er mere mulighed for variation og valg af flowfelter."

Fra celle til stak

Flow-batterier kan fungere med forskellige typer elektrolytter. De mest almindelige (inklusive dem, der er installeret i Kina og introduceres i andre lande) bruger vanadiumelektrolytter, nemlig opløsninger af vanadiumsalte. Dette er den elektrolyt, som russiske videnskabsmænd testede deres celledesign på. De sorterede forskellige typer strømningsfelter, varierede elektrolytstrømningshastigheden og opnåede resultater, der på et kvalitativt niveau falder sammen med de bedste verdensundersøgelser og på et kvantitativt niveau endda lidt overgår dem:kraften af ​​testet MEA oversteg en smule kraften af ​​lignende celler på grafit.

Dermed, det nye design af MEA forenkler laboratorietests i høj grad og kan i fremtiden bruges i rigtige energilagringssystemer til distribuerede elnet. Russiske videnskabsmænd i samarbejde med InEnergy LLC udvikler og tester et vanadiumflow-batteri sammensat af 10 sådanne celler med en samlet effekt på 20 watt. Konstruktionen af ​​selve cellen og stakken på 10 celler er beskyttet af patenter, hvoraf den sidste tilhører ADARM-selskabet, skabt af medarbejderne i MUCTR. Ud over, forskere udvikler andre typer flow-batterier, der anvender forskellige elektrolytter på basis af det foreslåede design af MEA.