Разработана стабильная химическая формула проточного аккумулятора. Redox аккумулятор


Инновационный аккумулятор для хранения энергии

Инновационную редокс-батарею представили ученые университета Фридриха Шиллера. Аккумулятор создан на основе органических полимеров и воды. Солнце и ветер — основные источники возобновляемой энергии, однако они нестабильны. На производительность могут повлиять облака или штиль; в штормовую погоду или из-за яркого солнца количество произведенной электроэнергии наоборот превышает спрос. Для того, чтобы электроснабжение было стабильным необходимы накопители энергии. Редокс-батареи являются наиболее перспективной технологией для хранения электричества, однако они требуют использования дорогостоящих материалов и агрессивных кислот. Ученые смогли создать уникальную редокс-батарею – она проста в обращении, безопасна и экономична. Новинка разработана на основе органических полимеров и физиологического раствора. Авторы подчеркивают, что производство новой редокс-батареи будет требовать минимальных расходов, при этом потенциал будет практически равен традиционным аналогам. В отличие от стандартных аккумуляторов, в редокс-батарее электроды сделаны не из твердых материалов, а имеют форму раствора. С помощью насосов полимерные растворы перекачиваются в электрохимическую ячейку, где происходят необходимые реакции. Для предотвращения смешения электролита, отсеки разделены мембраной. В обычных системах в качестве электролита используется ванадий, растворенный в серной кислоте – это не только крайне дорогая смесь, но и достаточно едкая. Из-за этого срок стандартных аккумуляторов ограничен. Благодаря тому, что в новинке используются безопасные материалы, корпус батареи можно изготавливать из простых и недорогих материалов. Инновационный аккумулятор способен выдержать до 10 тысяч циклов зарядки без потери величины мощности. Как считают авторы идеи, новинка идеально подойдет в качестве накопителя энергии для крупных ветропарков и фотовольтаических электростанций. Сейчас ученые работают над коммерциализацией идеи. Напомним, что еще один эффективный и безопасный аккумулятор для хранения энергии разработали исследователи Гарварда. Для работы батарея использует раствор из воды и распространенных земельных элементов.

www.mastergrad.com

общая характеристика, принцип работы, плюсы и минусы

Ванадиевая редокс-батарея (она же – ванадиевая проточная батарея) – тип перезаряжаемых проточных батарей, использующих ионы ванадия в различных степенях окисления для хранения химической энергии. Ванадиевая проточная батарея использует способность ванадия сохраняться в растворе в четырех разных степенях окисления, и применяет это свойство в батарее, нуждающейся в одном электрически активном элементе, а не в двух. По нескольким причинам, включающим их крупные габариты, большинство ванадиевых батарей используются для накопления энергии в электросетях, будучи подключенными к электростанциям или электросетям.

Ванадиевая редокс-батарея:

  • Удельная энергия: 10-20 В*ч/кг (36-72 Дж/г)
  • Плотность энергии: 15-25 В*ч/л (54-65 кДж/л)
  • КПД зарядки/разрядки: 75-80 %+
  • Срок службы: 20-30 лет
  • Количество циклов: 100000+
  • Номинальное напряжение элемента: 1,15-1,55 В

Возможность создания ванадиевой проточной батареи была в разной степени исследована Антуаном Писсуром в 1930-х годах, исследователями НАСА и учеными Пеллигри и Спацианте в 1970-х, но никто из них не смог продемонстрировать эту технологию. Первым, кто успешно продемонстрировал полностью ванадиевую проточную редокс-батарею, использующую ванадий, растворенный в серной кислоте в каждой из половин, стала Мария Скиллас-Казакос из Университета Южного Уэльса в 1980-х годах. Ее концепт использовал серную кислоту как электролит, и был запатентован Университетом Южного Уэльса в Австралии в 1986 году.

Главными преимуществами ванадиевой проточной батареи являются:

  1. Почти неограниченная энергоемкость за счет простого увеличения емкости для хранения электролита
  2. Способность без последствий переносить длительные периоды в разряженном состоянии
  3. Отсутствие ущерба в случае случайного смешения электролитов
  4. Невозможность уменьшения емкости отдельных элементов в непроточных батареях за счет единого состояния заряда между двумя электролитами;
  5. Безопасность и невоспламеняемость электролита (воды)
  6. Использование формулы раствора третьего поколения (смесь кислот), разработанной Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, который работает при более широком диапазоне температур и дает возможность пассивного охлаждения.

Главными недостатками ванадиевой проточной технологии являются относительно небольшая удельная объемная энергия в сравнении со стандартными аккумуляторными батареями (хотя формулировка третьего поколения утверждает об удвоении энергетической плотности системы), а также – то, что водный электролит увеличивает вес батареи, а значит – делает ее эффективной только для стационарного использования.

Многие компании и организации вовлечены в финансирование и разработку ванадиевых редокс-батарей, среди них – «Vions» (бывшая «Premium Power»), «UniEnergy Technologies» и «Ashlawn Energy» в США; «Renewable Energy Dynamics Technology» в Ирландии; «Gildemeister AG» (ранее — «Cellstrom GmbH» в Австрии, энергетическое подразделение сейчас расформировано) в Германии; «Cellennium» в Тайской энергокомпании; «Prudent Energy» в Китае; «Sumitomo» в Японии; «h3, Inc.» в Южной Корее; «redT.» в Британии; «Australian Vanadium» в Австралии и ныне не существующая «Imergy» (бывшая «Deeya»). Чуть позже несколько ванадиевых проточных редокс-батарей было приобретено для жилищных нужд. Основными клиентами стали американская компания «StorEn Technologies» и немецкие «Schmid Group» и «VoltStorage».

Эксплуатация

Элемент ВанадийВанадиевая редокс-батарея состоит из ряда элементов питания, где два электролита разделены мембраной протонного обмена. Оба электролита – на основе ванадия: электролит в положительно заряженном электроде сравнения содержит ионы VO2+ и VO2+, а в негативно заряженном – ионы V3+ и V2+. Электролит может быть создан за счет любого из нескольких процессов, включая электролитическую диссоциацию оксида ванадия (V) (V2O5) в серной кислоте (h3SO4). Раствор при работе остается крайне кислым.

В ванадиевых проточных батареях оба электрода сравнения дополнительно подключены к емкостям для хранения и насосам, чтобы очень большие объемы электролита могли циркулировать сквозь элемент. Циркуляция жидкого электролита несколько затрудняется и ограничивает использование ванадиевых проточных батарей в требующих мобильности отраслях, делая их эффективными в крупных стационарных зданиях.

Когда ванадиевая батарея заряжена, ионы VO2+ в положительно заряженном электроде сравнения превращаются в ионы VO2+, когда электроны отсоединяются от положительной клеммы батареи. Сходным образом в негативном электроде сравнения электроны преобразуют ионы V3+ в V2+. Во время разряда этот процесс происходит в обратном направлении, что дает напряжение в разомкнутой цепи в 1,41 В при 25С.

Среди других полезных свойств ванадиевых проточных батарей – очень быстрый отклик на изменения нагрузки и крайне высокая перегрузочная способность. Исследования в Университете Нового Южного Уэльса показали, что они могут достигать времени отклика в меньше половины миллисекунды при 100 % изменении нагрузки и выдерживать перегрузку в 400 % длительностью свыше 10 секунд. Время отклика в большинстве случаев ограничено электрическим оборудованием. Ванадиевые батареи на основе серной кислоты работают только при температурах в 10-40C. Если температура ниже этого диапазона – ионы серной кислоты кристаллизуются. КПД при возвратно-поступательном движении в повседневном применении сохраняется на уровне 65-75 %.

Предлагаемые улучшения

Ванадиевые редокс-батареи второго поколения (ванадиево-бромные) могут примерно вдвое увеличить плотность энергии и нарастить температурный диапазон, при котором батарея сможет работать.

Несмотря на стандартную потребность в накачке, компания «nanoFlowcell AG» разработала патентованную систему хранения энергии для электротранспорта, продемонстрированную на нескольких прототипах электромобиля «Quant», использующих быструю замену электролита для перезаправки батареи.

Удельная энергия и плотность энергии

Произведенные на сегодняшний день ванадиевые редокс-батареи достигают уровня удельной энергии около 20 Вт*ч/кг (72 кДж/кг) при наличии электролита. Более свежие исследования Университета Нового Южного Уэльса показали, что использование ингибитора осадков может увеличить плотность примерно до 35 Вт*чкг (126 кДж/кг), а путем контроля температуры электролита возможно добиться еще больших показателей. Удельная энергия – достаточно низка по сравнению с другими типами перезаряжаемых батарей (к примеру, у свинцово-кислой – 30-40 Вт*ч/кг (108-144 кДж/кг), у ионно-литиевой – 80-200 Вт-ч/кг (288-720 кДж/кг)).

Области применения

Сверхвысокая емкость, характерная для ванадиевых редокс-батарей, делает их отлично подходящими для использования в отраслях, требующих хранения больших объемов энергии. Например, помощь в уравновешивании объема производства таких источников энергии типа ветряной или солнечной или помощь генераторам в погашении больших скачков энергии при необходимости или уравновешивании поставок и потребности в энергии для удаленных районов.

Ограниченные характеристики саморазряда для ванадиевых редокс-батарей делают их полезными в тех отраслях, где батареи должны храниться долгое время с минимальным обслуживанием и состоянием готовности. Это привело к их употреблению в некоторых видах военной электроники, например, в датчиках системы минирования «GATOR». Их способность к полному циклу и нахождению в состоянии 0 заряда делает их подходящими для солнечной энергетики и тех отраслей, где батареи должны начинать день пустыми и заряжаться в зависимости от загрузки и погоды. К примеру, ионно-литиевые батареи зачастую повреждаются, когда им дают разрядку ниже 20 % от объема, поэтому чаще всего они работают в диапазоне от 20 до 100 %, что означает, что они могут использовать лишь 20 % своей номинальной емкости.

Их крайне быстрое время отклика также делает их практически незаменимыми для источников бесперебойного питания, где они могут использоваться вместо свинцово-кислых батарей и даже дизельных генераторов. Также быстрое время отклика делает их подходящими для управления частотой. На данный момент ни ИБП, ни меры по управлению частотой не эффективны сами по себе, но, вероятнее всего, батарея сможет найти получить применения в этих отраслях при капитализации из различных источников финансирования. Помимо этого, эти возможности делают ванадиевые редокс-батареи эффективным «цельным» решениям для малых электросетей, зависимых от надежной работы, управления частотой и нуждающихся в переключении нагрузки (как от высокой степени проникновения возобновляемых источников энергии, сильно изменяющейся нагрузки или желания оптимизировать КПД генератора с помощью смещения времени реагирования).

Крупнейшие рабочие ванадиевые редокс-батареи

Подстанция «Минами Хайакита»:

  • Дата запуска: декабрь 2015 года
  • Энергия: 60 МВт*ч
  • Мощность: 15 МВт
  • Время работы: 4 часа
  • Страна: Япония

Вонюши, провинция Ляонин

  • Дата запуска: н/д
  • Энергия: 10 МВт*ч
  • Мощность: 5 МВт
  • Время работы: 2 часа
  • Страна: Китай

Ветропарк Томамаэ

  • Дата запуска: 2005 год
  • Энергия: 6 МВт*ч
  • Мощность: 4 МВт
  • Время работы: 1 час 30 минут
  • Страна: Япония

Проект «Чжанбей»

  • Дата запуска 2016 год
  • Энергия: 8 МВт*ч
  • Мощность: 2 МВт
  • Время работы: 4 часа.
  • Страна: Китай

Проект «SnoPUD MESA 2»

  • Дата запуска: март 2017 года
  • Энергия: 8 МВт*ч
  • Мощность: 2 МВт
  • Время работы: 4 часа.
  • Страна: США

Подстанция в Эскондидо

  • Дата запуска: 2017 год
  • Энергия: 8 МВт*ч
  • Мощность: 2 МВт
  • Время работы: 4 часа.
  • Страна: США

Подстанция в Пулмане (штат Вашингтон)

  • Дата запуска: апрель 2015 года
  • Энергия: 4 МВт*ч
  • Мощность: 1 МВт
  • Время работы: 4 часа
  • Страна: США

К 2018 году ожидается завершение разработки ванадиевой редокс-батареи в Китае. Ее энергия составит 800 МВт*ч, мощность – 200 МВт, а время работы – 4 часа.

Загрузка...

proagregat.com

Редокс-аккумуляторы запасают «чистую» энергию | Нанотехнологии Nanonewsnet

Растущие объемы солнечной и ветровой энергии нужно хранить для использовании ночью или в штиль. Одним из решений является проточный редокс-аккумулятор, который может поставлять электричество тысячам домов. Исследователи из Немецкого института Фраунгофера продемонстрировали такие батареи на Ганноверской выставке.

«Зеленая» энергия, при всех своих преимуществах, имеет один серьезный недостаток – нестабильное количество вырабатываемой энергии. Фотоэлектрические электростанции вырабатывают минимум энергии ночью, а ветряные турбины останавливаются, когда стихает ветер. Именно поэтому для обеспечения бесперебойной работы электросети требуются устройства для промежуточного хранения значительного количества электроэнергии. Одно из наиболее обсуждаемых решений – использование для этой цели электрических автомобилей. Однако эксперты сходятся во мнении, что этого будет недостаточно и необходимо создавать крупные стационарные хранилища, которые смогут накапливать мегаватты энергии.

В настоящее время ученые из Института Фраунгофера разрабатывают крупномасштабную систему хранения электричества на основе технологии, известной как проточный редокс-аккумулятор. Долгосрочная цель заключается в создании батареи размером с гандбольную площадку с выходной мощностью 20 МВт, которая смогла бы обеспечить энергией примерно 2000 домохозяйств долгой зимней ночью.

5_f7c4d.jpg Рис. 1. Принцип работы проточного редокс-аккумулятора.

Пока работа в начальной стадии – прототипы разработки крупнейших лабораторий Института Фраунгофера имеют выход несколько киловатт. На Ганноверской выставке исследователи демонстрируют 2-кВт проточный редокс-аккумулятор.

Несмотря на невысокие мощности, сама технология демонстрирует надежную работу. Проточный редокс-аккумулятор использует жидкий электролит на основе ванадия, который попеременно принимает и выпускает электроны вдоль протонообменной мембраны. Принцип работы батареи заключается в способности ванадия находиться в кислотном растворе в четырех разных состояниях окисления. При закачивании «разного» ванадия в камеру, разделенную мембраной, начинаются химические реакции, которые изменяют заряд ионов и, соответственно, вырабатывают ток. Теоретически такие батареи очень надежны и долговечны, к тому же у них есть необычное «побочное» свойство – перезарядку можно осуществлять сменой электролита, что удобно для использовании в электротранспорте.

Главным препятствием для совершенствования редокс-аккумулятора является создание достаточно большой и эффективной протонообменной мембраны. Современные прототипы имею мембрану, сравнимую по площади с листом бумаги формата А4. Для мегаваттных батарей нужен размер минимум формата A0 (85×120 см).

В настоящее время ученые проводят моделирование, которое должно помочь обеспечить равномерный проход ванадиевого электролита по всей площади таких больших мембран, а также подбирают новые материалы для более эффективного и надежного процесса.

По мнению исследователей, сегодня уже можно производить редокс-батареи с выходом до 80 кВт, а 20-кВт прототип планируется запустить в эксплуатацию в конце следующего года. Немецкие ученые надеются, что мегаваттная планка будет взята через пять лет.

www.nanonewsnet.ru

Разработана стабильная химическая формула проточного аккумулятора

Экология потребления.Наука и техника:Ученые университетов Юты и Мичигана разработали химическую формулу для проточного редокс-аккумулятора, в 1000 раз более стабильную, чем современные аналоги.

Ученые университетов Юты и Мичигана разработали химическую формулу для проточного редокс-аккумулятора, в 1000 раз более стабильную, чем современные аналоги.

Во всех аккумуляторах есть химические вещества, которые запасают и выделяют электрический заряд. Однако, проточные редокс-аккумуляторы (работают на реакции окисления-восстановления) не похожи на батареи в автомобилях или смартфонах. В них есть два контейнера для хранения энергии, разделенные набором инертных электродов.

Современные проточные редокс-аккумуляторы работают на растворе ванадия, ценного вещества, нуждающегося в особо бережном отношении из-за своей потенциальной токсичности. Создание формулы такой батареи требует химического равновесия, поскольку молекулы, способные хранить больше энергии, например, выработанной солнечными панелями, оказываются менее стабильными.

Наиболее многообещающим материалом для анолита (часть электролита, ближайшая к аноду) стала органическая молекула пиридиния. Она не содержит металлов и растворяется в органическом растворе, повышая его стабильность. Ученые обнаружили, что молекулы в предложенном ими электролите распадаются, когда взаимодействуют друг с другом. Но если помешать им встречаться, то распада не происходит.

Обычно период полураспада молекул электролита батареи составляет 8-12 часов, говорит Мэтью Сигман, один из авторов статьи, опубликованной в Journal of the American Chemical Society, «а структура, которую мы предсказали, сохраняет стабильность месяцами».

Теперь ученые пытаются найти католит (часть электролита, ближайшая к катоду), чтобы соединить его с этой молекулой и заложить основу структуры новой проточной батареи. «Это многоэтапный процесс, но ничего не получится, если у вас нет стабильной молекулы с низким редокс-потенциалом. Начинать работу нужно отсюда», — считает Мелани Сэнфорд из Университета Мичигана.

Новый вид проточной батареи представили химики Университета штата Пенсильвания. Ее можно заряжать водным раствором двуокиси углерода. Аппарат вырабатывает электричество благодаря разнице концентраций СО2 в эмиссии и воздухе. опубликовано econet.ru 

 

econet.ru

Инженеры усовершенствовали ванадиевый редокс-аккумулятор | Наука 21 век

Представлен улучшенный вариант ванадиевого аккумулятораИнженеры из Национальной северо-западной тихоокеанской лаборатории (США) усовершенствовали ванадиевый редокс-аккумулятор. Проточные аккумуляторы такого типа надёжны, долговечны и ориентированы на промышленное использование. Они идеально подходят для установки в источники бесперебойного питания и могут использоваться для запасания энергии в ветровой и солнечной энергетике.

Работа батареи основана на том, что ванадий может находиться в растворе в четырёх разных состояниях окисления. В её состав входят две ёмкости с электролитом, насосы и центральная камера, в которой жидкости отделяются друг от друга протонообменной мембраной. Одна ёмкость содержит ионы V5+, а другая — V2+; когда аккумулятор необходимо разрядить или зарядить, электролиты закачиваются в камеру, где развиваются химические реакции, приводящие к изменению заряда ионов в ту или иную сторону.

 Представлен улучшенный вариант ванадиевого аккумулятора

Схема ванадиевого проточного редокс-аккумулятора (иллюстрация PNNL).

Характеристики аккумулятора, как несложно догадаться, зависят от того, какой концентрации ионов удаётся достичь. Чаще всего в качестве основы электролита используют серную кислоту, которая обеспечивает достойные энергетические показатели.

У серной кислоты, однако, есть один существенный недостаток — узкий диапазон рабочих температур. Электролит сохраняет нужные свойства только при температуре от 10 до 40 ˚C, а это означает, что аккумулятору потребуется система охлаждения, и стоимость его эксплуатации сразу же возрастает.

Авторы сначала попытались заменить серную кислоту соляной, но результат оказался не слишком удачным. В следующей серии опытов кислоты смешивались, и через некоторое время учёные нашли оптимальный вариант смеси, в которую входят шесть частей соляной и 2,5 части серной кислоты. Во время тестирования такой электролит удерживал примерно на 70% больше ионов ванадия, чем традиционный, и сохранял стабильность при температуре от -5 до 50 ˚C. Следовательно, объём ёмкостей с электролитом в новом аккумуляторе можно будет уменьшить, а потери энергии на охлаждение — снизить.

по информации: compulenta.ru

nauka21vek.ru

Американцы разработали редокс-батарею на витамине — Naked Science

Результаты исследования основаны на предыдущих экспериментах с хинонами. В 2014 году международная группа ученых при участии Гарвардского университета (США) разработала проточную редокс-батарею высокой емкости на базе органических соединений и ферроцианида. Ионы металлов — традиционный кислотный электролит в аккумуляторах — были заменены в данном случае на хиноны — молекулы, которые обеспечивают хранение энергии в растениях и организмах животных. Таким образом команде удалось изготовить первое высокопроизводительное, нетоксичное, не вызывающее коррозии и недорогое вещество для хранения электроэнергии.

 

Спустя год ученые создали класс хинонов, способных работать в щелочных растворах наряду с ферроцианидом. В новом исследовании основой для молекул послужил витамин B2 (рибофлавин), стимулирующий производство энергии в клетках. От классических хинонов рибофлавин отличается лишь тем, что сбор и испускание электронов осуществляется атомами азота или кислорода.

 

«Он обладает высокой стабильностью и растворимостью, обеспечивает повышенные напряжение аккумулятора и емкость накопителя. В связи с тем, что витамины просты в производстве, наша молекула может быть изготовлена в промышленных масштабах по низкой стоимости», — заявил профессор Майкл Азиз.

 

Стимуляция напряжения батареи осуществлялась с помощью структурно модифицированного аллоксазина — основного вещества B2. Напряжение холостого хода созданного аккумулятора составило около 1,2 вольт при эффективном значении силы тока и объеме удерживания в 99,7 и 99,98% соответственно.

 

Проточный редокс-аккумулятор представляет собой батарею, запасающую энергию посредством окислительно-восстановительных реакций в жидком электролите. Такие батареи рассматриваются в качестве альтернативы литий-ионным, в частности при производстве электромобилей и систем обеспечения электроэнергией крупных домохозяйств.

naked-science.ru

vanadium redox battery — с английского на русский

ˈbætərɪ сущ. 1) воен. батарея;дивизион (легкой артиллерии) ;мор. артиллерия корабля 2) электр. батарея;гальванический элемент;аккумулятор (особ. в автомашине) to charge a battery ≈ зарядить батарею to recharge a battery ≈ перезарядить батарею to discharge a battery, to run down a battery ≈ разряжать аккумулятор flashlight battery амер., torch battery брит. ≈ гальванический элемент/батарейка для карманного фонарика a battery charges (itself) ≈ батарея заряжается a battery discharges, runs (itself) down ≈ батарея разряжается, садится a battery is dead, flat ≈ батарея села 3) юр. побои, оскорбление действием ∙ to turn a man's battery against himself ≈ бить противника его же оружием to mask one's batteries ≈ скрывать свои намерения cooking battery(военное) батарея - * position огневая позиция батареи - * salve батарейный залп - to bring a * into action ввести орудия в бой (военное) канонада;артиллерийский обстрел (электротехника) (аккумуляторная) батарея, аккумулятор - * car электроавтомобиль, аккумуляторный автомобиль - * cell гальванический элемент (техническое) группа или батарея одинаковых деталей;комплект;набор - atomic /nuclear/ * атомная батарея - * of cards (текстильное) комплект чесальных машин - * of kilns (специальное) блок сушильных камер (техническое) магазин (ткацкого станка и т. п.) (сельскохозяйственное) батарея, группа дисков дисковой бороны или культиватора на одном валу преим. (юридическое) избиение, побои;оскорбление действием, нанесение побоев - an action for * иск за оскорбление действием (музыкальное) ударная группа (оркестра) (психологическое) набор тестов (для определения способностей, уровня развития и т. п.; тж. * of tests, test *) (статистика) комбинация нескольких критериев > in * в боевом положении; на огневой позиции > cooking * кухонная посуда, кастрюли > to turn smb.'s * against himself (редкое) бить врага его же оружием > to mask one's batteries скрывать свои намерения;держать нож за пазухой battery эл. батарея; гальванический элемент; аккумулятор (особ. в автомашине) ~ воен. батарея; дивизион (легкой артиллерии) ; мор. артиллерия корабля ~ юр. избиение ~ legal нанесение побоев ~ юр. оскорбление действием ~ юр. побои, оскорбление действием cooking ~ кухонная посуда

to turn a man's ~ against himself бить противника его же оружием;to mask one's batteries скрывать свои намерения

storage ~ эл. аккумуляторная батарея

to turn a man's ~ against himself бить противника его же оружием;to mask one's batteries скрывать свои намерения

translate.academic.ru