Acerca del principio básico de la batería de flujo

1. Antecedentes de las baterías de flujo

La batería de flujo líquida es una tecnología de batería en la que los materiales activos existen en electrolitos líquidos. Generalmente está compuesta por una unidad de pila, un electrolito, una unidad de almacenamiento y suministro de electrolito, y una unidad de gestión y control. Utiliza el cambio en el estado redox de los materiales activos en la solución a ambos lados de los electrodos positivo y negativo para lograr la carga y descarga. El electrolito se transporta al interior de la pila mediante una bomba, y se lleva a cabo una reacción redox en los electrodos. Después de la reacción, los materiales activos fluyen de regreso al tanque de almacenamiento externo con el electrolito. Entre el ánodo y el cátodo hay un diafragma que permite selectivamente que el electrolito soporte pase a través para mantener el equilibrio del electrolito.

Como representante de soluciones acuosas, las baterías de flujo pueden resolver eficazmente el problema del abandono de energía eólica y solar causado por la generación excesiva de energía eólica y solar debido a su excelente seguridad, alta capacidad de almacenamiento de energía, larga vida útil y bajo costo, y se adaptan bien a las características discontinuas e intermitentes de la generación de energía solar y eólica. Entre las tecnologías de baterías de flujo, la tecnología de batería de flujo totalmente vanadio se ha desarrollado más maduramente bajo la continua innovación tecnológica en los últimos años, y las estaciones de almacenamiento de energía de batería de flujo totalmente vanadio han entrado ahora en la etapa de operación comercial a gran escala.

  2. Concepto de electrodos de batería de flujo

1. Definición de electrodo

El sistema de batería de flujo líquida está compuesto principalmente por una pila de batería, electrolito y otras partes del control del sistema. El electrolito actúa como las sustancias activas positivas y negativas. La pila de batería actúa como el sitio de reacción eléctrica. La potencia y capacidad de la batería son independientes entre sí. La potencia está determinada por las especificaciones y cantidad de la pila de batería, y la capacidad está determinada por la concentración y volumen del electrolito.

II) Posición en la cadena industrial

La diferencia en las rutas técnicas de las baterías de flujo se refiere principalmente a la diferencia en los componentes principales de la solución electrolítica. Sin embargo, los enlaces en la cadena industrial de diferentes rutas técnicas son básicamente similares. Generalmente, se dividen en tres grandes enlaces: materias primas upstream y materiales para pilas de batería; ensamblaje midstream de pilas de batería, sistema de control y otros equipos; ensamblaje downstream, desarrollo y construcción del proyecto. Entre ellos, los componentes centrales de la pila son electrodos, diafragmas y placas bipolares, así como recolectores de corriente, marcos para flujo líquido, etc.

Los materiales del electrodo se encuentran en el upstream de la cadena industrial, y generalmente utilizan materiales como fieltro o fieltro gráfico. Este tipo de electrodo de fibra de carbono tiene una gran área superficial específica, buena estabilidad química y conductividad, pero es propenso a oxidación y desprendimiento durante el uso prolongado, por lo que necesita ser modificado, incluyendo tratamiento intrínseco del material, tratamiento metalizado y tratamiento oxidante, o fabricado en un material compuesto con una matriz polimérica inerte.

 (III) Función del electrodo

Las propiedades fisicoquímicas de los materiales del electrodo tienen un impacto importante en las baterías líquidas: 1) La conductividad y el rendimiento catalítico del electrodo afectan directamente el estado de polarización y la densidad actual de la batería, lo que a su vez afecta la eficiencia energética; 2) La estabilidad fisicoquímica del material del electrodo afecta directamente la estabilidad operativa general y la vida útil real de la batería. Por lo tanto, los excelentes materiales del electrodo deben tener las siguientes características:

(1) Excelente conductividad eléctrica: El excelente rendimiento eléctrico correspondiente a alta conductividad tiene un gran impacto en la eficiencia operativa general y la salida eléctrica del sistema de batería. En las baterías líquidas, la resistencia del material del electrodo utilizado debe ser lo más pequeña posible para reducir el grado de polarización óhmica durante la reacción y mejorar la eficiencia general del sistema.

(2) Propiedades mecánicas sobresalientes: Alta resistencia mecánica es favorable para lograr una buena carga catalítica y asegurar que se mantenga la estabilidad estructural durante el funcionamiento para evitar el colapso interno del sistema.

(3) Buenas propiedades estructurales: Una estructura estable y buena del material del electrodo ayudará a que las sustancias reactivas entren en contacto efectivo con los catalizadores cargados sobre el electrodo, promoviendo así una eficiente reacción redox en el electrolito;

(4) Ventaja en costos y características ecológicas: Sobre la base del cumplimiento con los requisitos sobre conductividad, propiedades mecánicas y características estructurales, se debe reducir al máximo el costo del electrodo y minimizar su impacto ambiental para lograr una aplicación a gran escala.

  (IV) Categorías del producto

Los materiales del electrodo se dividen en electrodos metálicos, electrodos carbonosos y electrodos compuestos. En los primeros días se utilizaron materiales metálicos como metales simples como oro, plomo y titanio, así como materiales aleados como platino basado en titanio e óxido iridico basado en titanio. Sin embargo, los materiales metálicos tienen muchos defectos, bajo rendimiento electroquímico o costos demasiado altos. Más tarde se utilizaron materiales carbonosos como grafito, carbono vítreo, fieltro carbonoso, fieltro gráfico, tela carbonosa y fibra carbonosa. Estos materiales carbonosos tienen buena estabilidad química, buena conductividad, fácil preparación y bajo costo. Los estudios han encontrado que los electrodos gráficos tienen mala reversibilidad; los electrodos gráficos son fácilmente grabados y perdidos durante el proceso; aunque los electrodos hechos con papel carbón tienen un área superficial específica grande y buena estabilidad, tienen mala hidrofobicidad y baja actividad electroquímica. Actualmente, los materiales más utilizados son fieltro carbonoso o fieltro gráfico.

El fieltro carbonoso se refiere a fibra carbonosa obtenida mediante carbonización a 1000°C, mientras que el fieltro gráfico se refiere a fieltro gráfico obtenido al calentar fieltro carbonoso a 2000°C en un ambiente libre de oxígeno. Tanto el fieltro carbonoso como el fieltro gráfico son materiales fibrosos porosos similares al fieltro. Ambos se han convertido en los principales materiales para electrodos debido a su extensa estructura tridimensional en red, alta área superficial específica, buena conductividad eléctrica y estabilidad electroquímica; sin embargo sus superficies necesitan ser modificadas.

Según los diferentes sustratos, el fieltro gráfico puede dividirse en tres tipos: fieltro gráfico basado en poliacrilonitrilo (PAN), fieltro gráfico basado en asfalto y fieltro gráfico basado en viscosa. El fieltro gráfico basado en poliacrilonitrilo se refiere al fieltro gráfico hecho con fibra PAN como sustrato mediante procesos como corte, oxidación, carbonización y grafitización. Comparado con otros fieltros gráficos, el fieltro gráfico basado en poliacrilonitrilo tiene ventajas como fuerte capacidad antioxidante, buen rendimiento térmico aislante, alta resistencia y resistencia a altas temperaturas. Tiene un amplio rango aplicaciones siendo el producto principal en el mercado.

  (V) Proceso de preparación

El método actual comercial para preparación es el siguiente:

1) Las fibras pre-oxidantes basadas en PAN son tejidas y procesadas en equipos avanzados no tejidos mediante punzonado con agujas hasta obtener fieltros planos con grosor específico, peso por metro cuadrado y buena uniformidad como fieltros materia prima.

2) Recubrimiento catalítico: En la entrada del horno continuo para grafitización por carbonización se recubre uniformemente primero con un catalizador sinterizado utilizando equipos específicos.

3) Sinterización a alta temperatura: El fieltro plano entra continuamente al horno continuo para grafitización por carbonización donde pasa por tratamientos como carbonización , deposición ,y grafitización para obtener un producto intermedio con gran cantidad nanotubos depositados sobre su superficie.

4) Tratamiento superficial: El producto intermedio hecho con fibra gráfica es alimentado continuamente al horno activador donde se somete a tratamiento carbonílico para aumentar su actividad electroquímica.