Flow-Batterie - Flow battery

Redox-Flow-Batterie
Eine typische Durchflussbatterie besteht aus zwei Flüssigkeitstanks, die an einer zwischen zwei Elektroden gehaltenen Membran vorbeigepumpt werden.

Eine Flow-Batterie oder Redox-Flow-Batterie (nach Reduktion-Oxidation ) ist eine Art elektrochemischer Zelle, bei der chemische Energie von zwei chemischen Komponenten bereitgestellt wird, die in Flüssigkeiten gelöst sind und auf separaten Seiten einer Membran durch das System gepumpt werden. Der Ionenaustausch (begleitet von elektrischem Stromfluss) findet durch die Membran statt, während beide Flüssigkeiten in ihrem jeweiligen Raum zirkulieren. Die Zellspannung wird chemisch durch die Nernst-Gleichung bestimmt und reicht in praktischen Anwendungen von 1,0 bis 2,43 Volt .

Eine Durchflussbatterie kann wie eine Brennstoffzelle (bei der der verbrauchte Brennstoff entnommen und dem System neuer Brennstoff hinzugefügt wird) oder wie eine wiederaufladbare Batterie (bei der eine elektrische Energiequelle die Regeneration des Brennstoffs antreibt) verwendet werden. Während es gegenüber herkömmlichen wiederaufladbaren Akkus technische Vorteile wie potenziell trennbare Flüssigkeitstanks und eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer hat, sind aktuelle Implementierungen vergleichsweise weniger leistungsstark und erfordern eine anspruchsvollere Elektronik.

Die Energiekapazität ist eine Funktion des Elektrolytvolumens und die Leistung eine Funktion der Oberfläche der Elektroden .

Konstruktionsprinzip

Eine Durchflussbatterie ist eine wiederaufladbare Brennstoffzelle, in der ein Elektrolyt , der ein oder mehrere gelöste elektroaktive Elemente enthält, durch eine elektrochemische Zelle fließt , die chemische Energie reversibel direkt in Elektrizität umwandelt . Elektroaktive Elemente sind "Elemente in Lösung, die an einer Elektrodenreaktion teilnehmen oder an der Elektrode adsorbiert werden können ". Zusätzlicher Elektrolyt wird extern gelagert, im Allgemeinen in Tanks, und wird normalerweise durch die Zelle (oder Zellen) des Reaktors gepumpt, obwohl auch Schwerkraftzufuhrsysteme bekannt sind. Durch den Austausch der Elektrolytflüssigkeit (ähnlich wie beim Nachfüllen von Kraftstofftanks für Verbrennungsmotoren ) können Durchflussbatterien schnell "aufgeladen" werden, während gleichzeitig das verbrauchte Material zum Wiederaufladen zurückgewonnen wird. Viele Durchflussbatterien verwenden aufgrund ihrer geringen Kosten und angemessenen elektrischen Leitfähigkeit Elektroden aus Kohlenstofffilz, obwohl diese Elektroden die Leistungsdichte aufgrund ihrer geringen Eigenaktivität gegenüber vielen Redoxpaaren etwas begrenzen .

Mit anderen Worten, eine Durchflussbatterie ist eine elektrochemische Zelle , mit der Eigenschaft, dass die ionische Lösung ( Elektrolyt ) außerhalb der Zelle (statt in der Zelle um die Elektroden) gespeichert wird und in die Zelle zur Stromerzeugung eingespeist werden kann . Die insgesamt erzeugbare Strommenge hängt von der Elektrolytmenge in den Tanks ab.

Durchflussbatterien unterliegen den Konstruktionsprinzipien der Elektrochemie .

Typen

Es wurden verschiedene Arten von Durchflusszellen (Batterien) entwickelt, einschließlich Redox- , Hybrid- und Membranlose. Der grundlegende Unterschied zwischen herkömmlichen Batterien und Durchflusszellen besteht darin, dass bei herkömmlichen Batterien die Energie im Elektrodenmaterial gespeichert wird, während sie bei Durchflusszellen im Elektrolyten gespeichert wird .

Redox

Die Redox- (Reduktions-Oxidations-)Zelle ist eine reversible Zelle, in der elektrochemische Komponenten im Elektrolyten gelöst sind. Redox-Flow-Batterien sind wiederaufladbar ( Sekundärzellen ). Da sie einen heterogenen Elektronentransfer statt einer Festkörperdiffusion oder -interkalation verwenden, werden sie eher Brennstoffzellen als Batterien genannt. In der industriellen Praxis sind Brennstoffzellen in der Regel, und unnötig betrachtet Primärzellen zu sein, wie beispielsweise die H
2
/ O
2
System. Die Reversible Brennstoffzelle auf NASA ‚s Helios Prototype ist eine weitere reversible Brennstoffzelle. Die Europäische Patentorganisation stuft Redox-Durchflusszellen (H01M8/18C4) als Unterklasse der regenerativen Brennstoffzellen (H01M8/18) ein. Beispiele für Redox-Flow-Batterien sind die Vanadium-Redox-Flow-Batterie , die Polysulfidbromid-Batterie (Regenesys) und die Uran-Redox-Flow-Batterie. Redox-Brennstoffzellen sind kommerziell weniger verbreitet, obwohl viele Systeme vorgeschlagen wurden.

Vanadium-Redox-Flow-Batterien sind derzeit die am meisten vermarkteten Flow-Batterien, da sie trotz ihrer begrenzten Energie- und Leistungsdichten eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Chemikalien bieten. Da sie an beiden Elektroden Vanadium verwenden, treten keine Kreuzkontaminationsprobleme auf. Aus dem gleichen Grund haben sie beispiellose Zykluslebensdauern (15.000–20.000 Zyklen), was wiederum zu Rekordenergiekosten (LCOE, dh die Systemkosten geteilt durch die nutzbare Energie, die Zykluslebensdauer und die Round-Trip-Effizienz) führt. , die in der Größenordnung von einigen zehn Cent bzw.

Ein Prototyp Zink - Polyiodid - Flow - Batterie ist mit einer Energiedichte von 167 Wh / l (nachgewiesen Wattstunden pro Liter ). Ältere Zink-Bromid-Zellen erreichen 70 Wh/l. Zum Vergleich: Lithium-Eisenphosphat-Batterien speichern 233 Wh/l. Die Zink-Polyiodid-Batterie gilt als sicherer als andere Durchflussbatterien, da sie keine sauren Elektrolyte enthält, nicht entflammbar ist und einen Betriebsbereich von -20 bis 50 °C (–4 bis 122 °F) aufweist, der keinen umfangreichen Kühlkreislauf erfordert, was Gewicht hinzufügen und Platz beanspruchen. Ein ungelöstes Problem ist die Zinkablagerung auf der negativen Elektrode, die die Membran durchdringt und die Effizienz verringert. Aufgrund der Zn-Dendritenbildung können die Zn-Halogenid-Batterien nicht mit hoher Stromdichte (> 20 mA/cm 2 ) arbeiten und haben daher eine begrenzte Leistungsdichte. Das Hinzufügen von Alkohol zum Elektrolyten der ZnI-Batterie kann das Problem leicht kontrollieren.

Wenn die Batterie vollständig entladen ist, enthalten beide Tanks dieselbe Elektrolytlösung: eine Mischung aus positiv geladenen Zinkionen ( Zn2+
) und negativ geladenes Iodid-Ion, ( I
). Wenn geladen, enthält ein Tank ein weiteres negatives Ion, Polyiodid, ( I
3
). Die Batterie erzeugt Strom, indem Flüssigkeit aus externen Tanks in den Stapelbereich der Batterie gepumpt wird, wo die Flüssigkeiten gemischt werden. Innerhalb des Stapels passieren Zinkionen eine selektive Membran und wandeln sich auf der negativen Seite des Stapels in metallisches Zink um. Um die Energiedichte der Zink-Jodid-Flow-Batterie weiter zu erhöhen, werden Bromidionen ( Br
) werden als Komplexbildner verwendet, um das freie Jod zu stabilisieren, wobei Jod-Bromid-Ionen ( I
2
Br
) als Mittel, um Jodidionen für die Ladungsspeicherung freizusetzen.

Herkömmliche Durchflussbatteriechemien haben sowohl eine niedrige spezifische Energie (was sie für vollelektrische Fahrzeuge zu schwer macht) als auch eine niedrige spezifische Leistung (was sie für stationäre Energiespeicher zu teuer macht). Für Wasserstoff-Brom-Durchflussbatterien wurde jedoch eine hohe Leistung von 1,4 W/cm 2 und für Wasserstoff-Brom-Durchflussbatterien eine hohe spezifische Energie (530 Wh/kg auf Tankebene) nachgewiesen

Ein System verwendet organische Polymere und eine Kochsalzlösung mit einer Zellulosemembran . Der Prototyp überstand 10000 Ladezyklen, während er eine beträchtliche Kapazität beibehielt. Die Energiedichte betrug 10 Wh/l. Die Stromdichte erreichte 100 Milliampere/cm 2 .

Hybrid

Die Hybrid-Flow-Batterie verwendet eine oder mehrere elektroaktive Komponenten, die als feste Schicht abgeschieden werden. In diesem Fall enthält die elektrochemische Zelle eine Batterieelektrode und eine Brennstoffzellenelektrode. Dieser Typ ist in der Energie durch die Oberfläche der Elektrode begrenzt. Hybrid-Durchflussbatterien umfassen die Zink-Brom- , Zink-Cer- , Blei-Säure- und Eisen-Salz-Durchflussbatterien. Wenget al. berichteten über eine wiederaufladbare Vanadium-Metallhydrid-Hybrid-Durchflussbatterie mit einem experimentellen OCV von 1,93 V und einer Betriebsspannung von 1,70 V, sehr hohe Werte unter wiederaufladbaren Durchflussbatterien mit wässrigen Elektrolyten. Diese Hybridbatterie besteht aus einer positiven Elektrode aus Graphitfilz, die in einer gemischten Lösung aus VOSO 4 und H 2 SO 4 betrieben wird , und einer negativen Metallhydridelektrode in wässriger KOH-Lösung. Die beiden Elektrolyte mit unterschiedlichem pH-Wert sind durch eine bipolare Membran getrennt. Das System zeigte gute Reversibilität und hohe Wirkungsgrade in Coulomb (95 %), Energie (84 %) und Spannung (88 %). Sie berichteten über weitere Verbesserungen dieses neuen Redoxpaares mit Errungenschaften einer erhöhten Stromdichte, dem Betrieb größerer 100 cm 2 Elektroden und dem Betrieb von 10 großen Zellen in Reihe. Vorläufige Daten unter Verwendung einer fluktuierenden simulierten Leistungsaufnahme testeten die Realisierbarkeit einer Speicherung im kWh-Maßstab. Vor kurzem wurde eine Mn(VI)/Mn(VII)-Zn-Hybrid-Durchflussbatterie mit hoher Energiedichte vorgeschlagen.

Membranlos

Eine membranlose Batterie basiert auf einer laminaren Strömung, bei der zwei Flüssigkeiten durch einen Kanal gepumpt werden, wo sie elektrochemische Reaktionen durchlaufen, um Energie zu speichern oder freizugeben. Die Lösungen strömen parallel unter geringer Durchmischung durch. Die Strömung trennt die Flüssigkeiten auf natürliche Weise und macht eine Membran überflüssig.

Membranen sind oft die teuersten und am wenigsten zuverlässigen Komponenten von Batterien, da sie durch wiederholte Einwirkung bestimmter Reaktionspartner korrodiert werden können. Das Fehlen einer Membran ermöglicht die Verwendung einer flüssigen Bromlösung und Wasserstoff: Diese Kombination ist bei der Verwendung von Membranen problematisch, da sie Bromwasserstoffsäure bilden , die die Membran zerstören kann. Beide Materialien sind kostengünstig erhältlich.

Das Design verwendet einen kleinen Kanal zwischen zwei Elektroden. Flüssiges Brom fließt durch den Kanal über eine Graphitkathode und Bromwasserstoffsäure fließt unter einer porösen Anode. Gleichzeitig strömt Wasserstoffgas über die Anode. Die chemische Reaktion kann umgekehrt werden, um die Batterie wieder aufzuladen – ein Novum für jedes membranlose Design. Eine solche membranlose Durchflussbatterie, die im August 2013 veröffentlicht wurde, produzierte eine maximale Leistungsdichte von 0,795 mW/cm 2 , dreimal so viel Leistung wie andere membranlose Systeme – und eine Größenordnung höher als bei Lithium-Ionen-Batterien.

Vor kurzem wurde eine membranlose Redox-Flow-Batterie im Makromaßstab demonstriert, die in der Lage ist, dieselben Elektrolytströme für mehrere Zyklen wieder aufzuladen und zu rezirkulieren. Die Batterie basiert auf nicht mischbaren organischen Katholyt- und wässrigen Anolyt-Flüssigkeiten, die während des Zyklens eine hohe Kapazitätserhaltung und Coulomb-Effizienz aufweisen.

Bio

Im Vergleich zu anorganischen Redox-Flow-Batterien, wie Vanadium-Redox-Flow-Batterien und Zn-Br2-Batterien, die seit Jahrzehnten entwickelt werden, entstanden 2009 organische Redox-Flow-Batterien. Der Reiz organischer Redox-Flow-Batterien liegt in den abstimmbaren Redoxeigenschaften der redoxaktiven Komponenten.

Organische Redox-Flow-Batterien können weiter in wässrige (AORFBs) und nichtwässrige (NAORFBs) eingeteilt werden. AORFBs verwenden Wasser als Lösungsmittel für Elektrolytmaterialien, während NAORFBs organische Lösungsmittel verwenden. AORFBs und NAORFBs können weiter in totale und hybride organische Systeme unterteilt werden. Erstere verwenden nur organische Elektrodenmaterialien, während letztere anorganische Materialien für Anode oder Kathode verwenden. Bei der Energiespeicherung in größerem Maßstab verleihen niedrigere Lösungsmittelkosten und höhere Leitfähigkeit AORFBs ein größeres kommerzielles Potenzial sowie Sicherheitsvorteile von wasserbasierten Elektrolyten. NAORFBs bieten stattdessen ein viel größeres Spannungsfenster und nehmen weniger Platz ein.

Chinone und ihre Derivate sind die Basis vieler organischer Redoxsysteme. In einer Studie wurden 1,2-Dihydrobenzochinon-3,5-disulfonsäure (BQDS) und 1,4-Dihydrobenzochinon-2-sulfonsäure (BQS) als Kathoden verwendet, und konventionelles Pb/ PbSO 4 war der Anolyt in einem Hybrid Säure AORFB. Die Chinone akzeptieren zwei elektrische Ladungseinheiten, verglichen mit einer in herkömmlichen Katholyten, was bedeutet, dass eine solche Batterie doppelt so viel Energie in einem gegebenen Volumen speichern könnte.

9,10-Anthrachinon-2,7-disulfonsäure (AQDS), ebenfalls ein Chinon , wurde bewertet. AQDS erfährt eine schnelle, reversible Zweielektronen / Zweiprotonenreduktion auf einer Glaskohlenstoffelektrode in Schwefelsäure . Eine wässrige Durchflussbatterie mit kostengünstigen Kohlenstoffelektroden, die das Chinon/Hydrochinon-Paar mit dem Br . kombiniert
2
/ Br
Redoxpaar , ergibt eine galvanische Spitzenleistungsdichte von über 6.000 W/m 2 bei 13.000 A/m 2 . Das Radfahren zeigte eine Erhaltung der Speicherkapazität von > 99% pro Zyklus. Die volumetrische Energiedichte betrug über 20 Wh/L. Anthrachinon-2-sulfonsäure und Anthrachinon-2,6-disulfonsäure auf der negativen Seite und 1,2-Dihydrobenzochinon-3,5-disulfonsäure auf der positiven Seite vermeidet die Verwendung von gefährlichem Br 2 . Es wurde behauptet, dass die Batterie 1.000 Zyklen ohne Verschlechterung hält, obwohl keine Daten veröffentlicht wurden. Dieses organische Gesamtsystem erscheint zwar robust, weist aber eine niedrige Zellspannung (ca. 0,55  V) und eine geringe Energiedichte (< 4  Wh/L) auf.

Als Elektrolyt verwendete Bromwasserstoffsäure wurde durch eine weit weniger giftige alkalische Lösung (1  M KOH ) und Ferrocyanid ersetzt . Der höhere pH-Wert ist weniger korrosiv und ermöglicht die Verwendung kostengünstiger Polymertanks. Der erhöhte elektrische Widerstand in der Membran wurde durch Erhöhung der Spannung kompensiert. Die Zellspannung betrug 1,2  V. Die Effizienz der Zelle überstieg 99%, während die Round-Trip-Effizienz 84% betrug. Die Batterie hat eine erwartete Lebensdauer von mindestens 1.000 Zyklen. Seine theoretische Energiedichte betrug 19  Wh/L. Die chemische Stabilität von Ferrocyanid in KOH-Lösung mit hohem pH-Wert ohne Bildung von Fe(OH) 2 oder Fe(OH) 3 muss vor dem Scale-up verifiziert werden.

Ein anderer organischer AORFB verwendet Methylviologen als Anolyt und 4-Hydroxy- 2,2,6,6-tetramethylpiperidin- 1-oxyl als Katholyt sowie Natriumchlorid und eine kostengünstige Anionenaustauschermembran. Dieses MV/TEMPO-System weist die höchste Zellspannung von 1,25  V und möglicherweise die niedrigsten Kapitalkosten (180 USD/kWh) für AORFBs auf. Die wasserbasierten Flüssigelektrolyte wurden als Drop-In-Ersatz für aktuelle Systeme entwickelt, ohne die bestehende Infrastruktur zu ersetzen. Eine 600-Milliwatt-Testbatterie war 100 Zyklen lang stabil mit einer Effizienz von fast 100 Prozent bei Stromdichten im Bereich von 20 bis 100 mA/cm 2 , mit einer optimalen Leistung bei 40–50  mA, bei der etwa 70 % der ursprünglichen Batteriespannung betrug behalten. Neutrale AORFBs können umweltfreundlicher sein als saure oder alkalische AORFBs, während sie eine mit korrosiven RFBs vergleichbare elektrochemische Leistung aufweisen. Der MV/TEMPO AORFB hat eine Energiedichte von 8,4  Wh/L mit der Begrenzung auf der TEMPO-Seite.

Ein Flow-Battery-Konzept basiert auf redoxaktiven, organischen Polymeren. Es verwendet Viologen und TEMPO mit Dialysemembranen. Die polymerbasierte Redox-Flow-Batterie (pRFB) verwendet in Wasser gelöste, funktionalisierte Makromoleküle (ähnlich Acrylglas oder Styropor ) als Aktivmaterial für die Elektroden. Dabei können einfache Dialysemembranen verwendet werden. Die Membran funktioniert wie ein Sieb und ist wesentlich einfacher und kostengünstiger herzustellen als herkömmliche ionenselektive Membranen. Es hält die großen "Spaghetti"-ähnlichen Polymermoleküle zurück, während es die kleinen Gegenionen passieren lässt. Das Konzept kann die hohen Kosten der traditionellen Nafion- Membran lösen , aber das Design und die Synthese von redoxaktiven Polymeren mit hoher Wasserlöslichkeit sind nicht trivial.

In Anlehnung an die Einstellbarkeit der redoxaktiven Komponenten als Hauptvorteil organischer Redox-Flow-Batterien wurde die Idee entwickelt, sowohl Anolyt als auch Katholyt in ein und dasselbe Molekül zu integrieren. Diese sogenannten bifunktionellen Analyten oder Kombimoleküle ermöglichen die Verwendung desselben Materials in beiden Tanks, was relevante Vorteile wie die Verringerung des Crossover-Effekts mit sich bringt. So wurden Diaminoanthrachinon, ebenfalls ein Chinon, und indigobasierte Moleküle sowie TEMPO/ Phenazin- kombinierende Moleküle als potenzielle Elektrolyte für die Entwicklung von symmetrischen Redox-Flow-Batterien (SRFB) vorgestellt.

Ein weiterer Anolyt-Kandidat ist Fluorenon , das neu entwickelt wurde, um seine Wasserlöslichkeit zu erhöhen. Eine reversible Keton- (De)Hydrierungs-Demonstrationszelle wurde 120 Tage lang über 1.111 Ladezyklen bei Raumtemperatur ohne Verwendung eines Katalysators kontinuierlich betrieben und behielt 97% ihrer Kapazität bei. Die Zelle bietet mehr als die doppelte Energiedichte von Systemen auf Vanadiumbasis.

Metallhydrid

Proton-Flow-Batterien (PFB) integrieren eine Metallhydrid- Speicherelektrode in eine reversible Protonenaustauschmembran (PEM) -Brennstoffzelle . Beim Laden kombiniert PFB Wasserstoffionen, die bei der Wasserspaltung entstehen, mit Elektronen und Metallpartikeln in einer Elektrode einer Brennstoffzelle. Die Energie wird in Form eines Festkörpermetallhydrids gespeichert. Die Entladung erzeugt Strom und Wasser, wenn der Prozess umgekehrt wird und die Protonen mit Umgebungssauerstoff kombiniert werden. Metalle, die weniger teuer als Lithium sind, können verwendet werden und bieten eine höhere Energiedichte als Lithiumzellen.

Metallkomplexe

Metallorganische Flussbatterien verwenden organische Liganden , um redoxaktiven Metallen günstigere Eigenschaften zu verleihen. Die Liganden können Chelate wie EDTA sein und können einen neutralen oder alkalischen pH-Wert des Elektrolyten ermöglichen, Bedingungen, unter denen ansonsten Metallaquo-Komplexe ausfallen würden. Durch die Blockierung der Koordination von Wasser an das Metall können organische Liganden auch metallkatalysierte Wasserspaltungsreaktionen hemmen , was zu einigen der höchsten jemals beschriebenen rein wässrigen Systeme führt. Beispielsweise ergab die Verwendung von an 1,3-Propandiamintetraacetat (PDTA) koordiniertem Chrom Zellpotentiale von 1,62 V gegenüber Ferrocyanid und einen Rekord von 2,13 V gegenüber Brom. Metall-organische Flussbatterien werden manchmal als Koordinationschemie-Flussbatterien bezeichnet, die die Technologie hinter der Gridstar-Flow-Technologie von Lockheed Martin darstellen.

Nano-Netzwerk

Ein Lithium-Schwefel-System, das in einem Netzwerk von Nanopartikeln angeordnet ist, macht es überflüssig, dass sich Ladungen in und aus Partikeln bewegen, die in direktem Kontakt mit einer leitenden Platte stehen. Stattdessen lässt das Nanopartikelnetzwerk Strom durch die Flüssigkeit fließen. Dadurch kann mehr Energie gewonnen werden.

Andere Durchflussbatterien

Andere Durchflussbatterien umfassen die Zink-Cer-Hybrid-Durchflussbatterie , die Zink-Brom-Hybrid-Durchflussbatterie und die Wasserstoff-Brom-Batterie .

Halbfest

Semi-Solid-Flow-Batterie
Semi-Solid-Flow-Batterie

In einer halbfesten Durchflusszelle bestehen die positiven und negativen Elektroden aus Partikeln, die in einer Trägerflüssigkeit suspendiert sind. Die positiven und negativen Suspensionen werden in separaten Tanks gelagert und durch separate Rohre in einen Stapel benachbarter Reaktionskammern gepumpt, wo sie durch eine Barriere wie eine dünne poröse Membran getrennt sind. Der Ansatz kombiniert die Grundstruktur von wässrigen Durchflussbatterien, die Elektrodenmaterial verwenden, das in einem flüssigen Elektrolyten suspendiert ist, mit der Chemie von Lithium-Ionen-Batterien sowohl in kohlenstofffreien Suspensionen als auch in Slurries mit leitfähigem Kohlenstoffnetzwerk. Die kohlenstofffreie halbfeste Redox-Flow-Batterie wird manchmal auch als Redox-Flow-Batterie mit fester Dispersion bezeichnet . Das Auflösen eines Materials ändert sein chemisches Verhalten erheblich. Durch das Aufhängen von Stücken aus festem Material bleiben jedoch die Eigenschaften des Festkörpers erhalten. Das Ergebnis ist eine viskose Suspension, die wie Melasse fließt .

Chemie

Für Durchflussbatterien wurde ein breites Spektrum von Chemikalien ausprobiert.

Paar max. Zellspannung (V) Durchschnittliche Elektrodenleistungsdichte (W/m 2 ) Durchschnittliche Fluidenergiedichte Fahrräder
WasserstoffLithiumbromat 1.1 15.000 750  Wh/kg
WasserstoffLithiumchlorat 1,4 10.000 1400  Wh/kg
Brom - Wasserstoff 1,07 7.950
Eisen – Zinn 0,62 < 200
Eisen – Titan 0,43 < 200
Eisen – Chrom 1,07 < 200
Bio (2013) 0.8 13.000 21,4  Wh/l 10
Bio (2015) 1,2 7,1  Wh/L 100
MV-TEMPO 1,25 8,4  Wh/l 100
Metallorganische - Ferrocyanid 1.62 2000 21,7  Wh/l 75
Metallorganisch Brom 2.13 3000 35  Wh/L 10
Vanadium-Vanadium (Sulfat) 1,4 ~800 25  Wh/l
Vanadium-Vanadium (Bromid) 50  Wh/l 2000
Natrium-Brom-Polysulfid 1,54 ~800
Natrium-Kalium
Schwefel-Sauerstoff-Salz
Zink-Brom 1,85 ~1000 75  Wh/kg > 2000
Blei-Säure (Methansulfonat) 1,82 ~1000
Zink-Cer (Methansulfonat) 2,43 < 1.200–2.500
Zn-Mn(VI)/Mn(VII) 1,2 60  Wh/L

Vorteile

Redox-Flow-Batterien und in geringerem Maße Hybrid-Flow-Batterien haben die Vorteile von

  • flexibles Layout (durch Trennung der Leistungs- und Energiekomponenten)
  • lange Zyklenlebensdauer (da keine Fest-zu-Fest- Phasenübergänge vorhanden sind )
  • schnelle Reaktionszeiten
  • keine „Ausgleichs“-Ladung erforderlich (das Überladen einer Batterie, um sicherzustellen, dass alle Zellen gleich geladen sind)
  • keine schädlichen Emissionen.

Einige Typen bieten auch eine einfache Ladezustandsbestimmung (durch Spannungsabhängigkeit von der Ladung), einen geringen Wartungsaufwand und eine Toleranz gegenüber Überladung/Überentladung.

Sie sind sicher, weil

  • sie enthalten normalerweise keine brennbaren Elektrolyte
  • Elektrolyte können außerhalb des Power-Stack gelagert werden.

Diese technischen Vorzüge machen Redox-Flow-Batterien zu einer gut geeigneten Option für die großtechnische Energiespeicherung.

Nachteile

Die beiden Hauptnachteile sind

  • niedrige Energiedichte (Sie benötigen große Elektrolyttanks, um nützliche Energiemengen zu speichern)
  • niedrige Lade- und Entladeraten (im Vergleich zu anderen industriellen Elektrodenprozessen). Dies bedeutet, dass die Elektroden und Membranseparatoren groß sein müssen, was die Kosten erhöht.

Im Vergleich zu nicht reversiblen Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren mit ähnlicher elektrolytischer Chemie haben Durchflussbatterien im Allgemeinen einen etwas geringeren Wirkungsgrad.

Anwendungen

Durchflussbatterien kommen normalerweise für relativ große (1 kWh – 10 MWh) stationäre Anwendungen in Betracht. Diese sind für:

  • Lastausgleich – bei dem die Batterie an ein Stromnetz angeschlossen ist , um überschüssigen Strom außerhalb der Spitzenzeiten zu speichern und Strom während der Spitzenlastzeiten abzugeben. Das allgemeine Problem, das die Verwendung der meisten Flussbatterie-Chemie in dieser Anwendung einschränkt, ist ihre geringe Flächenleistung (Betriebsstromdichte), die sich in hohen Energiekosten niederschlägt.
  • Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Solarenergie zur Entladung in Zeiten hoher Nachfrage.
  • Peak-Shaving, bei dem Bedarfsspitzen von der Batterie gedeckt werden.
  • USV , bei der die Batterie verwendet wird, wenn die Hauptstromversorgung keine unterbrechungsfreie Stromversorgung gewährleistet.
  • Leistungsumwandlung – weil alle Zellen den/die gleichen Elektrolyt(en) teilen. Daher kann/können der/die Elektrolyt(e) mit einer gegebenen Anzahl von Zellen geladen und mit einer anderen Anzahl entladen werden. Da die Spannung der Batterie proportional zur Anzahl der verwendeten Zellen ist, kann die Batterie daher als sehr leistungsstarker DC-DC-Wandler fungieren . Außerdem kann bei kontinuierlicher Änderung der Zellenzahl (ein- und/oder ausgangsseitig) die Leistungsumwandlung auch AC/DC, AC/AC oder DC-AC erfolgen, wobei die Frequenz durch die des Schaltgeräts begrenzt wird.
  • Elektrofahrzeuge – Da Durchflussbatterien durch Austausch des Elektrolyten schnell „aufgeladen“ werden können, können sie für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen das Fahrzeug so schnell Energie aufnehmen muss wie ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Ein häufiges Problem bei den meisten RFB-Chemien in den EV-Anwendungen ist ihre niedrige Energiedichte, die sich in einer kurzen Reichweite niederschlägt. Eine bemerkenswerte Ausnahme bilden Durchflussbatterien auf Basis von hochlöslichen Halaten.
  • Eigenständiges Stromversorgungssystem – Ein Beispiel hierfür sind Mobilfunk-Basisstationen, in denen kein Netzstrom verfügbar ist. Die Batterie kann neben Solar- oder Windenergiequellen eingesetzt werden, um deren schwankende Leistung zu kompensieren, und neben einem Generator, um sie am effizientesten zu nutzen, um Kraftstoff zu sparen. Derzeit werden Flow-Batterien in der gesamten Karibik in solaren Microgrid-Anwendungen eingesetzt.

Siehe auch

Verweise

Externe Links