Baterie przepływowe

Baterie przepływowe to jeden z zyskujących popularność rodzajów magazynów energii. Przechowują one energię w dwóch ciekłych roztworach chemicznych, które w celu rozładowania pompuje się przez ogniwo elektrochemiczne po dwóch stronach półprzepuszczalnej membrany. Membrana ta służy do oddzielenia od siebie substancji, równocześnie umożliwiając wymianę jonów między nimi. W ten sposób energia chemiczna może być zamieniona na użyteczną energię elektryczną.

Baterie przepływowe cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na niską cenę komponentów i skalowalność. Ważną cechą jest także możliwość zarówno uzyskania z ogniw wysokiej gęstości mocy, jak i przechowywania energii przez stosunkowo długi czas. Moc baterii przepływowych zależy od wielkości i kształtu ogniwa, natomiast zgromadzona energia – od wielkości zbiorników. Umożliwia to stworzenie indywidualnie zaprojektowanego magazynu energii w zależności od potrzeb. Ogniwa przepływowe mogą magazynować energię dla wielu zastosowań. Są one dostępne komercyjnie w małoskalowych rozwiązaniach, natomiast pojawia się coraz więcej eksperymentalnych projektów demonstrujących ich skuteczność także w magazynowaniu energii na wielką skalę. Co bardzo istotne, ich wytrzymałość pozwala na użytkowanie ogniwa przepływowego przez bardzo długi czas (nawet do 30 lat). Istnieje możliwość, że dzięki tym cechom baterie przepływowe przewyższą użytecznością powszechnie stosowane dziś baterie litowo-jonowe.

Baterie redoks

Najpopularniejszym typem baterii przepływowych są obecnie baterie redoks, czyli wykorzystujące reakcję redukcji i utleniania (oksydacji). Jest to reakcja chemiczna, w której atomy jednego z reagentów tracą elektrony (ulegają redukcji), a drugiego – zyskują je (ulegają oksydacji). Zachodzenie reakcji wywołuje ruch elektronów, które następnie przepływają przez zewnętrzny obwód, zasilając urządzenia elektryczne. Dzięki odwracalności reakcji redoks po rozładowaniu możliwa jest ponowna zmiana stopnia utlenienia reagentów i powtórne ich wykorzystanie. Baterie redoks można również błyskawicznie „naładować” poprzez wymianę zużytych elektrolitów w zbiornikach na nowe.

Popularnym typem baterii przepływowej redoks jest bateria wanadowa (V/V), w której jednym półogniwie swój stopień utlenienia zmieniają jony tlenku wanadu VO₂⁺ i  VO²⁺:

VO₂⁺+2H⁺+e⁻↔VO²⁺+H₂O

 natomiast w drugim jony wanadu V³⁺ i V²⁺:

V₂⁺↔V₃⁺+ e⁻

Duża pojemność czyni baterie wanadowe dobrym magazynem energii dla OZE, natomiast gęstość energii, jaką można z nich uzyskać, sprawia, że można wykorzystywać je także w systemach UPS. Oprócz tego niskie samorozładowanie pozwala na wykorzystywanie wanadowych akumulatorów przepływowych w zastosowaniach wymagających długotrwałego magazynowania energii. Baterie wanadowe mogą być stosowane na większą skalę do regulowania częstotliwości sieciowej oraz wygładzania krzywej obciążenia.

Możliwe jest wykorzystywanie w bateriach redoks także wielu innych par elektrolitów, na przykład bromu i siarki (Br/S), żelaza i chromu (Fe/Cr) czy cynku i bromu (Zn/Cr).

Hybrydowe baterie przepływowe

Hybrydowe baterie przepływowe łączą w sobie cechy baterii konwencjonalnych i przepływowych. Jedna z substancji aktywnych jest magazynowana w ogniwie elektrochemicznym, a druga w zewnętrznym zbiorniku jako ciekły elektrolit. W przypadku tego typu baterii przepływowej czas przechowywania energii zależy zarówno od objętości elektrolitu, jak i powierzchni elektrody. Może on wynosić 6-12 godzin.

Do rozwijanych typów hybrydowych baterii przepływowych należą baterie Zn-Ce (cynkowo-cerowe) i Zn-Br₂ (cynkowo-bromowe). Przy ich rozładowywaniu cynk utlenia się (oddaje elektrony), natomiast przy ładowaniu ulega redukcji. Baterie cynkowo-bromowe stanowią obiecującą alternatywę dla powszechnie używanych baterii litowo-jonowych ze względu na możliwość rozładowywania ich w 100% bez uszkadzania ogniwa.

Inne typy baterii przepływowych

Wśród baterii przepływowych można wyróżnić także baterie bezmembranowe, w których elektrolity nie są rozdzielone. Dzięki zachowaniu laminarności ich przepływu przez kanał, w którym zachodzą reakcje, mieszanie się substancji w tych ogniwach jest ograniczone. To umożliwia wykorzystywanie do reakcji substancji, których połączenie szybko zniszczyłoby membranę, takich jak brom i wodór. Kolejnym typem są baterie wykorzystujące sieci nanocząstek umożliwiających przepływ prądu elektrycznego przez ciekłe substancje. To pozwala na uzyskanie z nich większej ilości energii. Niektóre baterie wykorzystują oprócz substancji ciekłych także ciała stałe (semi-solid, redox-targeted solids).

Kierunki rozwoju baterii przepływowych

Najbardziej zaawansowaną obecnie baterią przepływową jest bateria wanadowa, której zaletą jest stabilność wykorzystywanych jonów. Pozwala ona na wykonywanie wielu cykli ładowania i rozładowywania bez zachodzenia niepożądanych reakcji. Gęstość energii gromadzonej w tego rodzaju bateriach jest jednak niższa niż w przypadku baterii litowo-jonowych. Dodatkowo, wanad jest drogą substancją, dlatego ważny jest rozwój także innych typów baterii redoks i nie tylko.

W celu zwiększenia gęstości energii baterii przepływowych badane są rozwiązania wykorzystujące organiczne elektrolity, na przykład viologen. Inni badacze mają nadzieję na osiągnięcie tego efektu w swego rodzaju baterii pośredniej między bateriami przepływowymi a litowo-jonowymi. Jej budowa opiera się na zastosowaniu zewnętrznych zbiorników przechowujących ładunek elektryczny jak w typowej baterii przepływowej, jednak zamiast płynu znajduje się w nich stały materiał katodowy baterii litowo-jonowej, fosforan litowo-żelazowy (znany szerzej pod skrótem LFP) i dwutlenek tytanu (materiał anodowy). Jony i elektrony są transportowane między nimi przez ciekłe mediatory. Powstają także baterie półstałe.

Materiały, z których wykonywane są membrany oddzielające, również są ciągle udoskonalane. Naukowcy, którzy stworzyli wyżej opisaną baterię opartą na wykorzystaniu litu, zmodyfikowali istniejący materiał o nazwie Nafion, łącząc go z innym polimerem. To pozwoliło na łatwiejsze przenikanie jonów litu przez membranę.

Baterie przepływowe to przyszłościowa technologia, o której będziemy jeszcze pisać w związku z nowo pojawiającymi się i ciągle rozwijanymi istniejącymi typami baterii.