in 2020, China is van plan het grootste batterijcomplex ter wereld te lanceren met een capaciteit van 800 MW*h (ongeveer deze hoeveelheid energie per jaar wordt verbruikt door een huishouden met 200 appartementen). Dit complex is niet gebaseerd op de gebruikelijke lithium-ion- of loodzuurbatterijen, maar op de redoxflow-batterij waar de elektriciteit wordt opgeslagen in de vorm van chemische energie van oplossingen - elektrolyten. Batterij bestaat uit twee tanks waarin elektrolyten worden opgeslagen en membraan-elektrode-assemblage (MEA) -oplossingen worden aan MEA geleverd door pompen waar ze elektrochemische reacties ondergaan die zorgen voor opladen en ontladen van de batterij.

Door deze opstelling redoxstroombatterijen, in tegenstelling tot veel andere apparaten voor energieopslag, onafhankelijke schaling van vermogen en capaciteit van de batterij mogelijk maken, die worden bepaald door de grootte van MEA en elektrolytvolume, respectievelijk. In aanvulling, redoxflow-batterijen vertonen een minimale zelfontlading gedurende langere perioden en hun elektrolyten worden niet afgebroken, zelfs niet na tienduizenden bedrijfscycli, waardoor ze kansrijke kandidaten zijn voor het opslaan van grote hoeveelheden energie in de slimme elektriciteitsnetten. Bijvoorbeeld, ze kunnen overdag overtollige elektriciteit opslaan die wordt opgewekt door fotovoltaïsche zonnecellen en 's nachts of bij bewolkt weer back-up-elektriciteit opwekken.

"Flow-batterijen worden actief geïntegreerd in de elektriciteitsnetten van China, Duitsland en andere landen, aan de ene kant, en aan de andere kant, worden verder ontwikkeld en verfijnd in laboratoria, " zegt een van de auteurs van het werk, onderzoeker bij het NTI Competence Center bij IPCP RAS, Dmitri Konev. "We hebben een volledig nieuw ontwerp van MEA voorgesteld, wat het onderzoeksproces zal vergemakkelijken en de toegangsdrempel voor nieuwe onderzoeksgroepen op dit gebied aanzienlijk zal verminderen. In de toekomst, dit zal helpen om aanzienlijke vooruitgang te boeken en zal gedistribueerde energiebronnen van nichepositionering naar een zeer hoog niveau van commercialisering brengen, ook in Rusland."

Broodje met laservulling

De MEA is het hart van de flowbatterij. Het ziet eruit als een sandwich van verschillende plaatmaterialen, verdeeld in twee symmetrische delen voorzien van een eigen elektrolyt. Wanneer de batterij is aangesloten op een voeding, de ene elektrolyt is geoxideerd, terwijl een ander aan het verminderen is en dus de batterij wordt opgeladen. Daarna, de stroombron kan worden losgekoppeld en vervangen door een energieverbruiker - de elektrolyten ondergaan omgekeerde processen en de batterij begint te ontladen.

Een belangrijk onderdeel van de MEA zijn de stroomveldplaten, sandwichlagen waardoor de elektrolyt naar de elektroden wordt gepompt waar de elektrolyten worden geoxideerd of gereduceerd. De prestaties van de batterij, dat wil zeggen kracht en efficiëntie, sterk afhankelijk van hoe goed de stroomvelden zijn georganiseerd. Daarom, onderzoekers selecteren vaak verschillende soorten velden om de batterijprestaties te optimaliseren, maar dit is een zeer arbeidsintensieve taak:stromingsvelden worden gefreesd in dichte grafietplaten, wat een tijdrovende procedure is. Russische onderzoekers hebben een andere benadering voorgesteld.

"We vormen stroomvelden door verschillende dunne lagen flexibele grafietmaterialen te gebruiken:de benodigde patronen erin worden gesneden door een laser en dan worden deze lagen op elkaar gelegd om het vereiste veld te krijgen, " zegt de eerste auteur van het werk, Romeinse Pichugov, een onderzoeker aan de Mendelejev-universiteit. "De procedure om stroomvelden aan te maken duurt slechts enkele minuten, wat veel minder is dan het traditionele frezen van grafiet. Plus, er worden goedkopere materialen gebruikt, en als een resultaat, er is meer ruimte voor variatie en selectie van stroomvelden."

Van cel tot stapel

Flow-batterijen kunnen werken met verschillende soorten elektrolyten. De meest voorkomende (inclusief degene die in China zijn geïnstalleerd en in andere landen worden geïntroduceerd) gebruiken vanadiumelektrolyten, namelijk oplossingen van vanadiumzouten. Dit is de elektrolyt waarop Russische wetenschappers hun celontwerp hebben getest. Ze sorteerden verschillende soorten stroomvelden, varieerde de elektrolytstroomsnelheid en behaalde resultaten die op kwalitatief niveau samenvallen met de beste wereldonderzoeken en op kwantitatief niveau zelfs iets overtreffen:de kracht van geteste MEA overtrof enigszins de kracht van vergelijkbare cellen op grafiet.

Dus, het nieuwe ontwerp van MEA vereenvoudigt laboratoriumtests aanzienlijk en kan in de toekomst worden gebruikt in echte energieopslagsystemen voor gedistribueerde elektriciteitsnetten. Russische wetenschappers ontwikkelen en testen in samenwerking met InEnergy LLC een vanadiumstroombatterij bestaande uit 10 van dergelijke cellen met een totaal vermogen van 20 watt. De constructie van de cel zelf en de stapel van 10 cellen zijn beschermd door patenten, waarvan de laatste eigendom is van het bedrijf ADARM, gemaakt door de medewerkers van MUCTR. In aanvulling, wetenschappers ontwikkelen andere soorten stroombatterijen die verschillende elektrolyten gebruiken op basis van het voorgestelde ontwerp van MEA.