La bateria redox de vanadi (VRB), també coneguda com a bateria de flux de vanadi (VFB) o bateria de flux redox de vanadi (VRFB), és un tipus de bateria de flux recarregable que utilitza ions de vanadi com a portadors de càrrega. La bateria utilitza la capacitat del vanadi d'existir en una solució en quatre estats d'oxidació diferents per fer una bateria amb un sol element electroactiu en lloc de dos.
Per diverses raons, inclosa la seva relativa mida, les bateries de vanadi s'utilitzen normalment per a l'emmagatzematge d'energia a la xarxa, és a dir, connectades a centrals elèctriques/xarxes elèctriques. miniatura|Bateria de flux de vanadi en contenidors d'1 MW i 4 MWh propietat d'Avista Utilities i fabricada per UniEnergy Technologies Nombroses empreses i organitzacions participen en el finançament i el desenvolupament de bateries redox de vanadi. miniatura|Una bateria de flux redox de vanadi situada a la Universitat de Nova Gal·les del Sud, Sydney, Austràlia
Història Pissoort va esmentar la possibilitat dels VRFB a la dècada del 1930. Investigadors de la NASA i Pellegri i Spaziante van seguir l'exemple a la dècada del 1970, però cap dels dos va tenir èxit. Maria Skyllas-Kazacos va presentar la primera demostració reeixida d'una bateria de flux redox totalment de vanadi que utilitzava vanadi dissolt en una solució d'àcid sulfúric a la dècada del 1980. El seu disseny utilitzava electròlits d'àcid sulfúric i va ser patentat per la Universitat de Nova Gal·les del Sud a Austràlia el 1986.
Un dels avenços importants aconseguits per Skyllas-Kazacos i els seus col·laboradors va ser el desenvolupament de diversos processos per produir electròlits de vanadi de concentració superior a 1,5 M utilitzant el pentòxid de vanadi, de menor cost però insoluble, com a material de partida. Aquests processos implicaven dissolució química i electroquímica i van ser patentats per la Universitat de Nova Gal·les del Sud el 1989. Durant la dècada del 1990, el grup de la UNSW va dur a terme una extensa investigació sobre la selecció de membranes, l'activació de feltres de grafit, la fabricació d'elèctrodes bipolars de plàstic, la caracterització i optimització d'electròlits, així com la modelització i la simulació. Diversos 1-5 Es van muntar i provar prototips de bateries VFB de kW en una casa solar a Tailàndia i en un carret de golf elèctric a la UNSW.
Les patents i la tecnologia de la bateria de flux redox totalment de vanadi de la UNSW van ser llicenciades a Mitsubishi Chemical Corporation i Kashima-Kita Electric Power Corporation a mitjans dels anys noranta i posteriorment adquirides per Sumitomo Electric Industries, on es van dur a terme proves de camp exhaustives en una àmplia gamma d'aplicacions a finals dels anys noranta i principis dels anys 2000.
Per tal d'ampliar l'interval de temperatura de funcionament de la bateria i evitar la precipitació de vanadi a l'electròlit a temperatures superiors a 40 ° C en el cas de V(V), o inferiors a 10 ° C en el cas de la solució de mitja cel·la negativa, Skyllas-Kazacos i els seus col·laboradors van provar centenars d'additius orgànics i inorgànics com a possibles inhibidors de la precipitació. Van descobrir que els compostos inorgànics de fosfat i amoni eren eficaços per inhibir la precipitació de solucions de vanadi 2 M tant a la semicel·la negativa com a la positiva a temperatures de 5 i 45 °C. °C respectivament i es va seleccionar el fosfat d'amoni com l'agent estabilitzador més eficaç. Es van utilitzar additius d'amoni i fosfat per preparar i provar un electròlit de vanadi 3 M en una cel·la de flux amb excel·lents resultats. miniatura|Nombre de famílies de patents i publicacions no patentades sobre diversos tipus de productes químics de bateries de flux per any.
Atributs La capacitat energètica i la capacitat de potència estan desacoblades i es poden escalar per separat La capacitat energètica s'obté de l'emmagatzematge d'electròlits líquids en lloc de la mateixa cèl·lula la capacitat d'energia es pot augmentar afegint més cel·les pot romandre descarregat indefinidament sense danys La barreja d'electròlits no causa danys permanents un estat de càrrega únic a través dels electròlits evita la degradació de la capacitat electròlit aquós segur i no inflamable sense soroll ni emissions ampli interval de temperatures de funcionament, inclosa la refrigeració passiva llargues vides de cicle de càrrega/descàrrega: 15.000-20.000 cicles i 10-20 anys. cost anivellat baix: (unes poques desenes de cèntims), aproximant-se a l'objectiu de 0,05 dòlars del 2016 establert pel Departament d'Energia dels Estats Units i l'objectiu de 0,05 euros del Pla Estratègic de Tecnologia Energètica de la Comissió Europea.
Principals desavantatges dels VRFB en comparació amb altres tipus de bateries:
preus alts i volàtils dels minerals de vanadi (és a dir, el cost de l'energia VRFB) eficiència d'anada i tornada relativament baixa (en comparació amb les bateries de ions de liti) pes elevat d'electròlit aquós relació energia-volum relativament baixa en comparació amb les bateries d'emmagatzematge estàndard tenir peces mòbils a les bombes que produeixen el flux de solució electrolítica toxicitat dels compostos de vanadi (V).
Disseny miniatura|Esquema d'una bateria de flux redox de vanadi. miniatura|Solucions de sulfats de vanadi en quatre estats d'oxidació diferents del vanadi.
Elèctrode Els elèctrodes d'una cel·la VRB són a base de carboni. S'han descrit diversos tipus d'elèctrodes de carboni utilitzats en cel·les VRB, com ara feltre de carboni, paper de carboni, tela de carboni i feltre de grafit. Els materials basats en carboni tenen els avantatges de ser de baix cost, baixa resistivitat i bona estabilitat. Entre ells, el feltre de carboni i el feltre de grafit són els preferits per les seves estructures de xarxa tridimensionals millorades i les seves superfícies específiques més elevades, així com per la seva bona conductivitat i estabilitat química i electroquímica.
L'elèctrode immaculat a base de carboni presenta hidrofobicitat i activitat catalítica limitada quan interactua amb espècies de vanadi. Per millorar el seu rendiment catalític i la seva humectabilitat, s'han emprat diversos mètodes, com ara el tractament tèrmic, el tractament amb àcids, la modificació electroquímica i la incorporació de catalitzadors. El feltre de carboni es produeix normalment pirolitzant fibres de poliacrilonitril (PAN) o raió a aproximadament 1500 °C i 1400 °C, respectivament. El feltre de grafit, en canvi, se sotmet a piròlisi a una temperatura més alta, d'uns 2400 °C. Per activar tèrmicament els elèctrodes de feltre, el material s'escalfa a 400 °C en una atmosfera que conté aire o oxigen. Aquest procés augmenta significativament la superfície del feltre, millorant-la per un factor de 10. L'activitat envers les espècies de vanadi s'atribueix a l'augment dels grups funcionals d'oxigen com el grup carbonil (C=O) i el grup carboxil (CO) després del tractament tèrmic a l'aire. Moltes altres modificacions superficials han mostrat una millora en l'activitat, com ara l'òxid de grafè i la polianilina. Actualment no hi ha consens pel que fa als grups funcionals específics i als mecanismes de reacció que dicten la interacció de les espècies de vanadi a la superfície de l'elèctrode. S'ha proposat que la reacció V(II)/V(III) segueix un mecanisme d'esfera interna, mentre que la reacció V(IV)/V(V) tendeix a procedir a través d'un mecanisme d'esfera externa.
Electròlit miniatura|En les bateries de flux de vanadi s'utilitzen diferents tipus de camps de flux de grafit. D'esquerra a dreta: canals rectangulars, canals rectangulars amb distribuïdor de flux, camp de flux interdigitat i camp de flux serpentí. Tots dos electròlits són a base de vanadi. L'electròlit de les semicel·les positives conté ions i, mentre que l'electròlit de les semicel·les negatives consisteix en iIons. Els electròlits es poden preparar mitjançant diversos processos, incloent-hi la dissolució electrolítica de pentòxid de vanadi (V₂O₅) en àcid sulfúric (H₂SO₄). La solució és fortament àcida en ús.
Membrana La membrana ha de permetre que els protons es creuin mentre manté separats els electrons i altres ions. Això crea separació de càrrega i, per tant, voltatge. El material de membrana més comú és l'àcid sulfònic perfluorat (PFSA o Nafion). Tanmateix, els ions de vanadi poden penetrar una membrana de PFSA, un fenomen conegut com a cross-over, reduint la capacitat energètica de la bateria. Un estudi del 2021 va trobar que la penetració es redueix amb làmines híbrides fetes fent créixer nanopartícules de triòxid de tungstè a la superfície de làmines d'òxid de grafè d'una sola capa. Aquestes làmines híbrides s'incrusten en una membrana de PFSA amb estructura de sandvitx reforçada amb politetrafluoroetilè (tefló). Les nanopartícules també promouen el transport de protons, oferint una alta eficiència coulombica i una eficiència energètica de més del 98,1% i el 88,9%, respectivament.
Camp de flux Les pèrdues resistives identificades per la corba de polarització es poden atribuir a tres àrees principals: pèrdua d'activació, pèrdua òhmica i pèrdua de transport de massa. La pèrdua d'activació sorgeix de la lenta cinètica de transferència de càrrega entre la superfície de l'elèctrode i l'electròlit. Les pèrdues òhmiques provenen de la resistència òhmica de l'electròlit, l'elèctrode, la membrana i el col·lector de corrent. Les pèrdues òhmiques es poden reduir mitjançant un millor disseny de cel·les, com ara un disseny de cel·les sense buit i una reducció del gruix de la membrana. Les pèrdues per transport de massa es deuen a la manca d'espècies actives de vanadi que es transporten a la superfície de l'elèctrode. El disseny del camp de flux que promou el transport de massa convectiu és crucial per reduir les pèrdues per transport de massa. Els dissenys de camps de flux serpentejants i interdigitats es van produir mecanitzant una placa bipolar adjacent a l'elèctrode porós. L'elèctrode de feltre també es pot tallar per crear un canal de flux d'electròlits. S'ha demostrat que tant els camps de flux serpentejants com els interdigitats milloren el transport de massa, cosa que redueix la polarització del transport de massa i, per tant, augmenta la densitat de corrent limitant i la densitat de potència màxima. De vegades es col·loquen dispensadors de flux a la cel·la per distribuir el flux i reduir els dolls. El camp de flux també ha d'estar dissenyat per proporcionar una distribució uniforme de l'electròlit per evitar zones mortes a la cel·la i reduir la caiguda de pressió a través de la pila de cel·les.
Operació miniatura|Voltamperograma cíclic d'una solució de vanadi (IV) en una solució d'àcid sulfúric La reacció utilitza les semireaccions:
() ()
Altres propietats útils de les bateries de flux de vanadi són la seva resposta ràpida a les càrregues canviants i la seva capacitat de sobrecàrrega. Poden aconseguir un temps de resposta de menys de mig mil·lisegon per a un canvi de càrrega del 100% i permetre sobrecàrregues de fins a un 400% durant 10 segons. El temps de resposta està limitat principalment per l'equip elèctric. A menys que estiguin dissenyades específicament per a climes més freds o més càlids, la majoria de bateries de vanadi basades en àcid sulfúric funcionen entre aproximadament 10 i 40 °C. Per sota d'aquest interval de temperatura, l'àcid sulfúric infós amb ions cristal·litza. L'eficiència d'anada i tornada en aplicacions pràctiques és d'un 70–80%.