Batería redox de vanadio - Vanadium redox battery

Diseño esquemático de un sistema de batería de flujo redox de vanadio

Batería de flujo de vanadio en contenedor de 1 MW 4 MWh propiedad de Avista Utilities y fabricada por UniEnergy Technologies

Una batería de flujo redox de vanadio ubicada en la Universidad de Nueva Gales del Sur, Sydney, Australia.

La batería redox de vanadio (VRB), también conocida como batería de flujo de vanadio (VFB) o batería de flujo redox de vanadio (VRFB), es un tipo de batería de flujo recargable que emplea iones de vanadio en diferentes estados de oxidación para almacenar energía potencial química. La batería redox de vanadio explota la capacidad del vanadio de existir en solución en cuatro estados de oxidación diferentes , y usa esta propiedad para fabricar una batería que tiene solo un elemento electroactivo en lugar de dos. Por varias razones, incluido su volumen relativo, la mayoría de las baterías de vanadio se utilizan actualmente para el almacenamiento de energía de la red , es decir, conectadas a centrales eléctricas o redes eléctricas.

La posibilidad de crear una batería de flujo de vanadio fue explorada por Pissoort en la década de 1930, los investigadores de la NASA en la de 1970 y Pellegri y Spaziante en la de 1970, pero ninguno de ellos logró demostrar la tecnología. La primera demostración exitosa de la batería de flujo redox completamente de vanadio que empleaba vanadio en una solución de ácido sulfúrico en cada mitad fue realizada por Maria Skyllas-Kazacos en la Universidad de Nueva Gales del Sur en la década de 1980. Su diseño utilizó electrolitos de ácido sulfúrico y fue patentado por la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia en 1986.

Numerosas empresas y organizaciones participan en la financiación y el desarrollo de baterías redox de vanadio.

Ventajas sobre otros tipos de baterías

Las principales ventajas de la batería redox de vanadio son que puede ofrecer una capacidad de energía casi ilimitada simplemente usando tanques de almacenamiento de electrolitos más grandes; se puede dejar completamente descargado durante largos períodos sin efectos nocivos; si los electrolitos se mezclan accidentalmente, la batería no sufre daños permanentes; un solo estado de carga entre los dos electrolitos evita la degradación de la capacidad debido a una sola celda en las baterías sin flujo; el electrolito es acuoso e intrínsecamente seguro y no inflamable; y la formulación de generación 3 que utiliza una solución de ácido mixto desarrollada por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico opera en un rango de temperatura más amplio que permite el enfriamiento pasivo. Los VRFB se pueden utilizar a una profundidad de descarga (DOD) de alrededor del 90% o más, es decir, DOD más profundos que las baterías de estado sólido (por ejemplo, baterías de litio y de sodio, que normalmente se especifican con DOD = 80%). Además, los VRFB exhiben ciclos de vida muy largos: la mayoría de los productores especifican una durabilidad de ciclo superior a 15.000-20.000 ciclos de carga / descarga. Estos valores están mucho más allá de la vida útil de las baterías de estado sólido, que suele ser del orden de 4000 a 5000 ciclos de carga / descarga. En consecuencia, el costo nivelado de la energía (LCOE, es decir, el costo del sistema dividido por la energía utilizable, el ciclo de vida y la eficiencia de ida y vuelta) de los sistemas VRFB actuales es típicamente del orden de unas pocas decenas de centavos de dólar o centavos de euro, mucho más bajos que los LCOE de las baterías de estado sólido equivalentes y cerca de los objetivos de $ 0.05 y € 0.05, establecidos por el Departamento de Energía de EE. UU. y el Plan de Tecnología de Energía Estratégica (SET) de la Comisión Europea, respectivamente.

Desventajas de otros tipos de baterías

Las principales desventajas de la tecnología redox de vanadio son una relación energía-volumen relativamente baja en comparación con las baterías de almacenamiento estándar y una eficiencia de ida y vuelta relativamente baja. Además, el electrolito acuoso hace que la batería sea pesada y, por lo tanto, solo es útil para aplicaciones estacionarias. Otra desventaja es la toxicidad relativamente alta de los óxidos de vanadio (ver vanadio § Seguridad ).

Operación

Diagrama de una batería de flujo de vanadio

Una batería redox de vanadio consta de un conjunto de celdas de potencia en las que los dos electrolitos están separados por una membrana de intercambio de protones . Los electrodos en una celda VRB están basados ​​en carbono; los tipos más comunes son el fieltro de carbón, el papel de carbón, la tela de carbón y el fieltro de grafito. Recientemente, los electrodos basados ​​en nanotubos de carbono han ganado un gran interés por parte de la comunidad científica. Ambos electrolitos están basados ​​en vanadio , el electrolito en las semiceldas positivas contiene iones VO ₂ ⁺ y VO ²⁺ , el electrolito en las semiceldas negativas, iones V ³⁺ y V ²⁺ . Los electrolitos se pueden preparar mediante cualquiera de varios procesos, incluida la disolución electrolítica de pentóxido de vanadio (V ₂ O ₅ ) en ácido sulfúrico (H ₂ SO ₄ ). La solución permanece fuertemente ácida en uso.

En las baterías de flujo de vanadio, ambas medias celdas están conectadas adicionalmente a tanques de almacenamiento y bombas para que puedan circular grandes volúmenes de electrolitos a través de la celda. Esta circulación de electrolitos líquidos es algo engorrosa y restringe el uso de baterías de flujo de vanadio en aplicaciones móviles, confinándolas efectivamente a grandes instalaciones fijas.

Cuando se carga la batería de vanadio, los iones VO ²⁺ en la media celda positiva se convierten en iones VO ₂ ⁺ cuando se eliminan electrones del terminal positivo de la batería. De manera similar, en la semicelda negativa, se introducen electrones que convierten los iones V ³⁺ en V ²⁺ . Durante la descarga, este proceso se invierte y da como resultado un voltaje de circuito abierto típico de 1,41 V a 25 ° C.

La semirreacción del electrodo positivo (cátodo) es

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

La semirreacción del electrodo negativo (ánodo) es

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

La reacción completa (de izquierda a derecha: descarga, de derecha a izquierda: carga) es

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

Tenga en cuenta que un protón debe transferirse a través de la membrana celular cuando se transfiere un electrón entre los electrodos para mantener la neutralidad de la carga.

Otras propiedades útiles de las baterías de flujo de vanadio son su respuesta muy rápida a cargas cambiantes y sus capacidades de sobrecarga extremadamente grandes. Los estudios de la Universidad de Nueva Gales del Sur han demostrado que pueden lograr un tiempo de respuesta de menos de medio milisegundo para un cambio de carga del 100% y permitieron sobrecargas de hasta un 400% durante 10 segundos. El tiempo de respuesta está mayormente limitado por el equipo eléctrico. A menos que estén diseñadas específicamente para climas más fríos o cálidos, la mayoría de las baterías de vanadio a base de ácido sulfúrico funcionan solo entre aproximadamente 10 y 40 ° C. Por debajo de ese rango de temperatura, el ácido sulfúrico infundido con iones cristaliza. La eficiencia del viaje de ida y vuelta en aplicaciones prácticas es de alrededor del 65% al ​​75%.

Mejoras propuestas

Las baterías redox de vanadio de segunda generación ( vanadio / bromo ) pueden duplicar aproximadamente la densidad de energía y aumentar el rango de temperatura en el que la batería puede funcionar. El vanadio / bromo y otros sistemas basados ​​en vanadio también reducen el costo de las baterías redox de vanadio al reemplazar el vanadio en el electrolito positivo o negativo por alternativas más baratas como el cerio.

Energía específica y densidad energética

Las baterías redox de vanadio de producción actual alcanzan una energía específica de aproximadamente 20 Wh / kg (72 kJ / kg) de electrolito. Investigaciones más recientes en la UNSW indican que el uso de inhibidores de precipitación puede aumentar la densidad a aproximadamente 35 Wh / kg (126 kJ / kg), con densidades aún más altas posibles controlando la temperatura del electrolito. Esta energía específica es bastante baja en comparación con otros tipos de baterías recargables (p. Ej., Plomo-ácido, 30-40 Wh / kg (108-144 kJ / kg); e iones de litio, 80-200 Wh / kg (288-720 kJ / kg)).

Aplicaciones

Las capacidades extremadamente grandes posibles de las baterías redox de vanadio las hacen muy adecuadas para su uso en grandes aplicaciones de almacenamiento de energía, como ayudar a promediar la producción de fuentes de generación altamente variables como la energía eólica o solar, lo que ayuda a los generadores a hacer frente a grandes picos de demanda o nivelación. a cabo la oferta / demanda en una región con restricciones de transmisión.

Las características de autodescarga limitadas de las baterías redox de vanadio las hacen útiles en aplicaciones donde las baterías deben almacenarse durante largos períodos de tiempo con poco mantenimiento mientras se mantienen listas. Esto ha llevado a su adopción en algunos dispositivos electrónicos militares, como los componentes de los sensores del sistema de minas GATOR . Su capacidad para realizar un ciclo completo y permanecer en un estado de carga del 0% los hace adecuados para aplicaciones de almacenamiento solar donde la batería debe comenzar cada día vacía y llenarse dependiendo de la carga y el clima. Las baterías de iones de litio , por ejemplo, generalmente se dañan cuando se les permite descargar por debajo del 20% del estado de carga, por lo que generalmente solo funcionan entre aproximadamente el 20% y el 100%, lo que significa que solo están usando el 80% de la capacidad de su placa de identificación.

Sus tiempos de respuesta extremadamente rápidos también los hacen muy adecuados para aplicaciones de tipo de suministro de energía ininterrumpida (UPS), donde pueden usarse para reemplazar baterías de plomo-ácido e incluso generadores diesel. Además, el tiempo de respuesta rápido los hace muy adecuados para la regulación de frecuencia. Además, estas capacidades hacen que las baterías redox de vanadio sean una solución "todo en uno" eficaz para microrredes que dependen de operaciones confiables, regulación de frecuencia y tienen la necesidad de cambio de carga (ya sea de alta penetración renovable, una carga altamente variable o el deseo de optimizar eficiencia del generador a través del despacho en turnos de tiempo).

Las baterías de rejilla de vanadio más grandes

En China se está construyendo una batería redox de vanadio de 200 MW, 800 MWh (4 horas); Se esperaba que estuviera terminado en 2018 y su primera etapa de 250 kW / 1MWh estaba en funcionamiento a fines de 2018.

Empresas que financian o desarrollan baterías redox de vanadio

Las empresas incluyen UniEnergy Technologies , StorEn Technologies, Largo Energy y Ashlawn Energy en los Estados Unidos; H2 en Corea del Sur; Tecnología de dinámica de energías renovables, Invinity Energy y VoltStorage en Europa; Energía prudente en China; Vanadio australiano en Australia; EverFlow Energy JV SABIC SCHMID Group en Arabia Saudita y Bushveld Minerals en Sudáfrica.

Ver también

• Lista de tipos de baterías
• Batería de bromuro de polisulfuro
• Batería eléctrica
• Pila de combustible
• Almacen de energia

Referencias

Referencias adicionales

• Documento de presentación de la conferencia IEEE verano 2001
• Sitio de la UNSW sobre baterías de vanadio
• Informe de World Energy
• Mapa mundial de depósitos globales de vanadio La geología del vanadio es bastante inusual en comparación con un cuerpo mineralizado de metales básicos.
• "Baterías de flujo Redox mejoradas para coches eléctricos" . ScienceDaily / Fraunhofer-Gesellschaft . 13 de octubre de 2009 . Consultado el 21 de junio de 2014 .

enlaces externos

• Desarrollos VRFB en UNSW
• VRB en todo2
• La necesidad de almacenamiento de energía redox de vanadio en los generadores de turbinas eólicas La generación neta de electricidad a partir de todas las formas de energías renovables en Estados Unidos aumentó en más del 15% entre 2005 y 2009.
• redT y Avalon se han fusionado como Invinity Energy Systems, líder mundial en baterías de flujo de vanadio