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Batería redox de vanadio

Diseño esquemático de un sistema de batería de flujo redox de vanadio [4]
Batería de flujo de vanadio en contenedores de 1 MW y 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 de vanadio redox (VRB), también conocida como batería de flujo de vanadio (VFB) o batería de flujo de vanadio redox (VRFB), es un tipo de batería de flujo recargable . Emplea iones de vanadio como portadores de carga . [5] La batería utiliza la capacidad del vanadio de existir en una solución en cuatro estados de oxidación diferentes para crear una batería con un solo elemento electroactivo en lugar de dos. [6] Por varias razones, incluido su relativo volumen, las baterías de vanadio se utilizan normalmente para el almacenamiento de energía en la red , es decir, conectadas a plantas de energía o redes eléctricas. [7]

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

Historia

Pissoort mencionó la posibilidad de los VRFB en la década de 1930. [8] Los investigadores de la NASA y Pellegri y Spaziante hicieron lo mismo en la década de 1970, [9] pero ninguno de los dos tuvo éxito. Maria Skyllas-Kazacos presentó la primera demostración exitosa de una batería de flujo redox totalmente de vanadio que emplea vanadio disuelto en una solución de ácido sulfúrico en la década de 1980. [10] [11] [12] Su diseño utilizó electrolitos de ácido sulfúrico y fue patentado por la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia en 1986. [2]

Uno de los avances importantes logrados por Skyllas-Kazacos y sus compañeros de trabajo fue el desarrollo de una serie de procesos para producir electrolitos de vanadio con una concentración superior a 1,5 M utilizando el pentóxido de vanadio insoluble pero de menor costo como material de partida. Estos procesos implicaban disolución química y electroquímica y fueron patentados por la Universidad de Nueva Gales del Sur en 1989. Durante la década de 1990, el grupo de la UNSW llevó a cabo una extensa investigación sobre la selección de membranas, [13] [14] activación de fieltro de grafito, [15] [16] conducción de plástico bipolar. fabricación de electrodos, [17] caracterización y optimización de electrolitos, así como modelado y simulación. Se ensamblaron y probaron en el campo varios prototipos de baterías VFB de 1 a 5 kW en una casa solar en Tailandia y en un carrito de golf eléctrico en la UNSW. [18]

Las patentes y la tecnología de la batería de flujo redox totalmente de vanadio de la UNSW se otorgaron bajo licencia a Mitsubishi Chemical Corporation y Kashima-Kita Electric Power Corporation a mediados de la década de 1990 y posteriormente fueron adquiridas por Sumitomo Electric Industries, donde se realizaron extensas pruebas de campo en una amplia gama de aplicaciones en el finales de los 90 y principios de los 2000. [19]

Para ampliar el rango de temperatura de funcionamiento de la batería y evitar la precipitación de vanadio en el electrolito a temperaturas superiores a 40 o C en el caso de V(V), o inferiores a 10 o C en el caso de la solución de media celda negativa, Skyllas -Kazacos y sus compañeros de trabajo probaron cientos de aditivos orgánicos e inorgánicos como posibles inhibidores de la precipitación. Descubrieron que los compuestos inorgánicos de fosfato y amonio eran eficaces para inhibir la precipitación de soluciones de vanadio 2 M tanto en la semicelda negativa como en la positiva a temperaturas de 5 y 45 °C respectivamente y seleccionaron el fosfato de amonio como el agente estabilizante más eficaz. Se utilizaron aditivos de amonio y fosfato para preparar y probar un electrolito de vanadio 3 M en una celda de flujo con excelentes resultados. [19]

Número de familias de patentes y publicaciones distintas de patentes sobre varios tipos de químicas de baterías de flujo por año. [20]

Ventajas y desventajas

Ventajas

Principales ventajas de los VRFB sobre otros tipos de baterías: [21]

Desventajas

Principales desventajas de los VRFB en comparación con otros tipos de baterías: [21]

Materiales

Esquema de una batería de flujo redox de vanadio.
Soluciones de sulfatos de Vanadio en cuatro estados de oxidación diferentes del vanadio.

Una batería redox de vanadio consiste en un conjunto de celdas de energía en las que dos electrolitos están separados por una membrana de intercambio de protones . Los electrodos de una celda VRB están basados ​​en carbono. Los tipos más comunes son el fieltro de carbón, el papel carbón, la tela de carbón, el fieltro de grafito y los nanotubos de carbono . [25] [26] [27] El electrodo a base de carbono exhibe una actividad catalítica limitada cuando interactúa con especies de vanadio. Para mejorar su rendimiento catalítico, se han empleado varios enfoques, incluido el tratamiento térmico, el tratamiento con ácido, la modificación electroquímica y la incorporación de catalizadores.[28] [29]

Ambos electrolitos están basados ​​en vanadio . El electrolito en las semiceldas positivas contiene iones VO 2 + y VO 2+ , mientras que el electrolito en las semiceldas negativas consta de iones V 3+ y V 2+ . Los electrolitos se pueden preparar mediante varios procesos, incluida la disolución electrolítica de pentóxido de vanadio (V 2 O 5 ) en ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ). [30] La solución es fuertemente ácida en uso.

El material de membrana más común es el ácido sulfónico perfluorado (PFSA o Nafion). Sin embargo, los iones de vanadio pueden penetrar una membrana de PFSA y desestabilizar la célula. [31] Un estudio de 2021 encontró que la penetración se reduce con láminas híbridas fabricadas mediante el crecimiento de nanopartículas de trióxido de tungsteno en la superficie de láminas de óxido de grafeno de una sola capa. Luego, estas láminas híbridas se integran en una membrana de PFSA con estructura tipo sándwich reforzada con politetrafluoroetileno (teflón). Las nanopartículas también promueven el transporte de protones, ofreciendo una alta eficiencia coulómbica y una eficiencia energética de más del 98,1 por ciento y 88,9 por ciento, respectivamente. [32]

Operación

Voltamograma cíclico de una solución de vanadio (IV) en una solución de ácido sulfúrico

La reacción utiliza las semirreacciones : [33]

VO+2+ 2H + + e − → VO 2+ + H 2 O ( E° = +1,00 V ) [34]
V 3+ + mi − → V 2+ ( mi° = −0,26 V ) [35]

Otras propiedades útiles de las baterías de flujo de vanadio son su rápida respuesta a los cambios de carga y sus capacidades de sobrecarga. Pueden lograr un tiempo de respuesta de menos de medio milisegundo para un cambio de carga del 100 % y permitir sobrecargas de hasta el 400 % durante 10 segundos. El tiempo de respuesta está limitado principalmente 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 entre 10 y 40 °C aproximadamente. Por debajo de ese rango de temperatura, el ácido sulfúrico infundido con iones cristaliza. [36] La eficiencia del viaje de ida y vuelta en aplicaciones prácticas es de alrededor del 70-80%. [37]

Mejoras propuestas

El diseño VRFB original de Skyllas-Kazacos empleaba sulfato (agregado como sulfato(s) de vanadio y ácido sulfúrico) como único anión en las soluciones VRFB, lo que limitaba la concentración máxima de vanadio a 1,7 M de iones de vanadio. [38] En la década de 1990, Skyllas-Kazacos descubrió el uso de fosfato de amonio y otros compuestos inorgánicos como inhibidores de la precipitación para estabilizar soluciones de vanadio 2 M en un rango de temperatura de 5 a 45 o C y la UNSW presentó una patente de agente estabilizador en 1993. Sin embargo, este descubrimiento fue pasado por alto en gran medida y alrededor de 2010 un equipo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico propuso un electrolito mixto de sulfato y cloruro , que permitía el uso en soluciones VRFB con una concentración de vanadio de 2,5 M en todo un rango de temperaturas entre -20 y +50°C. [39] [40] Según el potencial de equilibrio estándar del par V 5+ /V 4+ , se espera que oxide el cloruro y, por esta razón, se evitaron las soluciones de cloruro en estudios anteriores de VRFB. La sorprendente estabilidad oxidativa (aunque sólo en un estado de carga inferior a aproximadamente el 80 %) de las soluciones V 5+ en presencia de cloruro se explicó mediante coeficientes de actividad. [41] Muchos investigadores explican la mayor estabilidad de V(V) a temperaturas elevadas por la mayor concentración de protones en el electrolito ácido mixto que desplaza el equilibrio de precipitación térmica de V(V) lejos del V 2 O 5 . Sin embargo, debido a la alta presión de vapor de las soluciones de HCl y a la posibilidad de que se genere cloro durante la carga, estos electrolitos mixtos no se han adoptado ampliamente. [42]

Otra variación es el uso de sales de bromuro de vanadio. Dado que el potencial redox del par Br 2 /2Br - es más negativo que el de V 5+ /V 4+ , ​​el electrodo positivo opera mediante el proceso de bromo . [43] Sin embargo, debido a problemas con la volatilidad y corrosividad del Br 2 , no ganaron mucha popularidad (ver batería de zinc-bromo para un problema similar). También se ha propuesto una batería de flujo de vanadio / cerio . [44]

Energía específica y densidad de energía.

Los VRB alcanzan una energía específica de aproximadamente 20 Wh/kg (72 kJ/kg) de electrolito. Los inhibidores de la precipitación pueden aumentar la densidad a aproximadamente 35 Wh/kg (126 kJ/kg), siendo posibles densidades más altas controlando la temperatura del electrolito. La energía específica es baja en comparación con otros tipos de baterías recargables (p. ej., plomo-ácido, 30 a 40 Wh/kg (108 a 144 kJ/kg); e iones de litio, 80 a 200 Wh/kg (288 a 720 kJ/kg). )). [ cita necesaria ]

Aplicaciones

La gran capacidad potencial de los VRFB puede ser la más adecuada para amortiguar la producción irregular de los sistemas solares y eólicos a escala de servicios públicos. [21]

Su reducida autodescarga los hace potencialmente apropiados en aplicaciones que requieren almacenamiento de energía a largo plazo con poco mantenimiento, como en equipos militares, como los componentes de sensores del sistema de mina GATOR . [45] [21]

Presentan tiempos de respuesta rápidos, muy adecuados para aplicaciones de suministro de energía ininterrumpida (UPS), donde pueden reemplazar baterías de plomo-ácido o generadores diésel . El tiempo de respuesta rápido también es beneficioso para la regulación de frecuencia . Estas capacidades hacen de los VRFB una solución eficaz "todo en uno" para microrredes , regulación de frecuencia y cambio de carga. [21]

Las baterías de red de vanadio más grandes

Empresas que financian o desarrollan baterías redox de vanadio

Las empresas que financian o desarrollan baterías redox de vanadio incluyen Sumitomo Electric Industries , [60] CellCube (Enerox), [61] UniEnergy Technologies , [62] StorEn Technologies [63] [64] en Australia, Largo Energy [65] y Ashlawn Energy [66 ]. ] en los Estados Unidos; H2 en Gyeryong-si, Corea del Sur; [67] Renewable Energy Dynamics Technology, [68] Invinity Energy Systems [69] en el Reino Unido, VoltStorage [70] y Schmalz [71] [72] en Europa; Energía Prudente [73] en China; Vanadio australiano, CellCube y North Harbour Clean Energy [74] [75] en Australia; Yadlamalka Energy Trust e Invinity Energy Systems [76] [77] en Australia; EverFlow Energy JV SABIC SCHMID Group en Arabia Saudita [78] y Bushveld Minerals en Sudáfrica. [79]

Ver también

Citas

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Referencias generales y citadas

enlaces externos

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