Bateria redox de vanádio - Vanadium redox battery

Projeto esquemático de um sistema de bateria de fluxo redox de vanádio

Bateria de fluxo de vanádio em contêineres de 1 MW e 4 MWh de propriedade da Avista Utilities e fabricada pela UniEnergy Technologies

Uma bateria de fluxo redox de vanádio localizada na University of New South Wales, Sydney, Austrália

A bateria redox de vanádio (VRB), também conhecida como bateria de fluxo de vanádio (VFB) ou bateria de fluxo redox de vanádio (VRFB), é um tipo de bateria de fluxo recarregável que emprega íons de vanádio em diferentes estados de oxidação para armazenar energia potencial química. A bateria redox de vanádio explora a capacidade do vanádio de existir em solução em quatro estados de oxidação diferentes e usa essa propriedade para fazer uma bateria que tem apenas um elemento eletroativo em vez de dois. Por várias razões, incluindo seu volume relativo, a maioria das baterias de vanádio são usadas atualmente para armazenamento de energia na rede , ou seja, conectadas a usinas de energia ou redes elétricas.

A possibilidade de criar uma bateria de fluxo de vanádio foi explorada por Pissoort na década de 1930, pesquisadores da NASA na década de 1970 e Pellegri e Spaziante na década de 1970, mas nenhum deles teve sucesso em demonstrar a tecnologia. A primeira demonstração bem-sucedida da bateria de fluxo redox totalmente de vanádio que empregava vanádio em uma solução de ácido sulfúrico em cada metade foi por Maria Skyllas-Kazacos na Universidade de New South Wales na década de 1980. Seu projeto usou eletrólitos de ácido sulfúrico e foi patenteado pela University of New South Wales, na Austrália, em 1986.

Numerosas empresas e organizações estão envolvidas no financiamento e desenvolvimento de baterias redox de vanádio.

Vantagens sobre outros tipos de bateria

As principais vantagens da bateria redox de vanádio são que ela pode oferecer capacidade de energia quase ilimitada simplesmente usando tanques de armazenamento de eletrólito maiores; pode ser deixado completamente descarregado por longos períodos sem efeitos nocivos; se os eletrólitos forem misturados acidentalmente, a bateria não sofre danos permanentes; um único estado de carga entre os dois eletrólitos evita a degradação da capacidade devido a uma única célula em baterias sem fluxo; o eletrólito é aquoso e inerentemente seguro e não inflamável; e a formulação de geração 3 usando uma solução de ácido misto desenvolvida pelo Pacific Northwest National Laboratory opera em uma faixa de temperatura mais ampla, permitindo o resfriamento passivo. Os VRFBs podem ser usados ​​em profundidade de descarga (DOD) em torno de 90% e mais, ou seja, DODs mais profundos do que as baterias de estado sólido (por exemplo, baterias à base de lítio e de sódio, que geralmente são especificadas com DOD = 80%). Além disso, os VRFBs exibem ciclos de vida muito longos: a maioria dos produtores especifica a durabilidade do ciclo em excesso de 15.000-20.000 ciclos de carga / descarga. Esses valores estão muito além do ciclo de vida das baterias de estado sólido, que geralmente é da ordem de 4.000 a 5.000 ciclos de carga / descarga. Consequentemente, o custo nivelado de energia (LCOE, ou seja, o custo do sistema dividido pela energia utilizável, o ciclo de vida e a eficiência de ida e volta) dos sistemas VRFB atuais é normalmente da ordem de algumas dezenas de $ centavos ou € centavos, muito inferior aos LCOEs de baterias de estado sólido equivalentes e perto das metas de US $ 0,05 e € 0,05, declaradas pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Plano Estratégico de Tecnologia de Energia da Comissão Europeia (SET), respectivamente.

Desvantagens de outros tipos de bateria

As principais desvantagens da tecnologia redox de vanádio são uma relação energia-volume relativamente baixa em comparação com as baterias de armazenamento padrão e uma eficiência de ida e volta relativamente baixa. Além disso, o eletrólito aquoso torna a bateria pesada e, portanto, apenas útil para aplicações estacionárias. Outra desvantagem é a toxicidade relativamente alta dos óxidos de vanádio (ver vanádio § Segurança ).

Operação

Diagrama de uma bateria de fluxo de vanádio

Uma bateria redox de vanádio consiste em um conjunto de células de energia nas quais os dois eletrólitos são separados por uma membrana de troca de prótons . Os eletrodos em uma célula VRB são baseados em carbono; os tipos mais comuns são feltro de carbono, papel carbono, tecido de carbono e feltro de grafite. Recentemente, eletrodos baseados em nanotubos de carbono ganharam grande interesse da comunidade científica. Ambos os eletrólitos são à base de vanádio , o eletrólito nas meias-células positivas contém os íons VO ₂ ⁺ e VO ²⁺ , o eletrólito nas meias-células negativas, os íons V ³⁺ e V ²⁺ . Os eletrólitos podem ser preparados por qualquer um de vários processos, incluindo a dissolução eletrolítica do pentóxido de vanádio (V ₂ O ₅ ) em ácido sulfúrico (H ₂ SO ₄ ). A solução permanece fortemente ácida em uso.

Em baterias de fluxo de vanádio, ambas as meias-células são adicionalmente conectadas a tanques de armazenamento e bombas para que grandes volumes de eletrólitos possam circular pela célula. Esta circulação de eletrólitos líquidos é um tanto complicada e restringe o uso de baterias de fluxo de vanádio em aplicações móveis, confinando-as efetivamente em grandes instalações fixas.

Quando a bateria de vanádio está sendo carregada, os íons VO ²⁺ na meia-célula positiva são convertidos em íons VO ₂ ⁺ quando os elétrons são removidos do terminal positivo da bateria. Da mesma forma, na meia-célula negativa, os elétrons são introduzidos convertendo os íons V ³⁺ em V ²⁺ . Durante a descarga, este processo é revertido e resulta em uma tensão típica de circuito aberto de 1,41 V a 25 ° C.

A meia-reação do eletrodo positivo (cátodo) é

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

A meia-reação do eletrodo negativo (ânodo) é

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

A reação completa (da esquerda para a direita: descarregando, da direita para a esquerda: carregando) sendo

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

Observe que um próton deve ser transferido através da membrana celular quando um elétron é transferido entre os eletrodos para manter a neutralidade de carga.

Outras propriedades úteis das baterias de fluxo de vanádio são sua resposta muito rápida às cargas variáveis ​​e suas capacidades de sobrecarga extremamente grandes. Estudos da University of New South Wales mostraram que eles podem atingir um tempo de resposta de menos de meio milissegundo para uma mudança de carga de 100% e permitir sobrecargas de até 400% por 10 segundos. O tempo de resposta é limitado principalmente pelo equipamento elétrico. A menos que especificamente projetada para climas mais frios ou quentes, a maioria das baterias de vanádio à base de ácido sulfúrico funcionam apenas entre cerca de 10 e 40 ° C. Abaixo dessa faixa de temperatura, o ácido sulfúrico infundido com íons cristaliza. A eficiência de ida e volta em aplicações práticas é de cerca de 65–75%.

Melhorias propostas

As baterias redox de vanádio de segunda geração ( vanádio / bromo ) podem aproximadamente dobrar a densidade de energia e aumentar a faixa de temperatura na qual a bateria pode operar. O vanádio / bromo e outros sistemas baseados em vanádio também reduzem o custo das baterias redox de vanádio, substituindo o vanádio no eletrólito positivo ou negativo por alternativas mais baratas, como o cério.

Energia específica e densidade de energia

As baterias redox de vanádio de produção atual atingem uma energia específica de cerca de 20 Wh / kg (72 kJ / kg) de eletrólito. Pesquisas mais recentes da UNSW indicam que o uso de inibidores de precipitação pode aumentar a densidade para cerca de 35 Wh / kg (126 kJ / kg), com densidades ainda maiores possibilitadas pelo controle da temperatura do eletrólito. Esta energia específica é muito baixa em comparação com outros tipos de bateria recarregável (por exemplo, ácido-chumbo, 30-40 Wh / kg (108-144 kJ / kg); e íon de lítio, 80-200 Wh / kg (288-720 kJ / kg)).

Formulários

As capacidades extremamente grandes possíveis das baterias redox de vanádio as tornam adequadas para uso em grandes aplicações de armazenamento de energia, como ajudar a reduzir a produção de fontes de geração altamente variáveis, como energia eólica ou solar, ajudando os geradores a lidar com grandes picos de demanda ou nivelamento oferta / demanda em uma região de transmissão restrita.

As características limitadas de autodescarga das baterias redox de vanádio as tornam úteis em aplicações onde as baterias devem ser armazenadas por longos períodos de tempo com pouca manutenção, mantendo um estado de prontidão. Isso levou à sua adoção em alguns aparelhos eletrônicos militares, como os componentes do sensor do sistema de mina GATOR . Sua capacidade de fazer um ciclo completo e permanecer com 0% de carga os torna adequados para aplicações de armazenamento solar + onde a bateria deve começar cada dia vazia e encher dependendo da carga e do clima. Baterias de íon de lítio , por exemplo, são normalmente danificadas quando podem descarregar abaixo de 20% do estado de carga, então elas normalmente operam entre cerca de 20% e 100%, o que significa que estão usando apenas 80% de sua capacidade nominal.

Seus tempos de resposta extremamente rápidos também os tornam soberbamente adequados para aplicações do tipo de fonte de alimentação ininterrupta (UPS), onde podem ser usados ​​para substituir baterias de chumbo-ácido e até mesmo geradores a diesel. Além disso, o tempo de resposta rápido os torna adequados para a regulação de frequência. Além disso, esses recursos tornam as baterias redox de vanádio uma solução "tudo em um" eficaz para microrredes que dependem de operações confiáveis, regulação de frequência e uma necessidade de deslocamento de carga (de alta penetração renovável, uma carga altamente variável ou desejo de otimizar eficiência do gerador por meio de despacho de time-shifting).

As maiores baterias de grade de vanádio

Uma bateria redox de vanádio de 200 MW, 800 MWh (4 horas) está em construção na China; estava previsto para ser concluído em 2018 e sua primeira fase de 250 kW / 1MWh estava em operação no final de 2018

Empresas financiando ou desenvolvendo baterias redox de vanádio

As empresas incluem UniEnergy Technologies , StorEn Technologies, Largo Energy e Ashlawn Energy nos Estados Unidos; H2 na Coreia do Sul; Renewable Energy Dynamics Technology, Invinity Energy e VoltStorage na Europa; Prudent Energy na China; Vanádio australiano na Austrália; EverFlow Energy JV SABIC SCHMID Group na Arábia Saudita e Bushveld Minerals na África do Sul.

Veja também

• Lista de tipos de bateria
• Bateria de brometo de polissulfeto
• Bateria eletrica
• Célula de combustível
• Armazenamento de energia

Referências

Referências adicionais

• Artigo de apresentação da conferência IEEE de verão de 2001
• Site UNSW sobre baterias de vanádio
• Relatório da World Energy
• Mapa-múndi dos depósitos globais de vanádio A geologia do vanádio é bastante incomum em comparação com um corpo de minério de metais básicos.
• "Baterias de fluxo redox aprimoradas para carros elétricos" . ScienceDaily / Fraunhofer-Gesellschaft . 13 de outubro de 2009 . Retirado em 21 de junho de 2014 .

links externos

• Desenvolvimentos VRFB na UNSW
• VRB em tudo 2
• A necessidade de armazenamento de energia redox de vanádio em geradores de turbinas eólicas A geração líquida de eletricidade a partir de todas as formas de energias renováveis ​​na América aumentou mais de 15% entre 2005 e 2009.
• A redT e a Avalon se fundiram como Invinity Energy Systems, uma líder global em baterias de fluxo de vanádio