Цинк-бромный аккумулятор

Цинк-бромный аккумулятор
Удельная энергия	60–85 Вт·ч / кг
Плотность энергии	15–65 Вт·ч/ л (56–230 кДж/л)
Эффективность зарядки/разрядки	75.9%
Энергия/потребительская цена	400 долларов США/кВт·ч (0,11 доллара США/кДж) [ нужна ссылка ]
Долговечность цикла	>6000 циклов
Номинальное напряжение ячейки	1.8 V

Цинк -бромная батарея — это перезаряжаемая аккумуляторная используется реакция между металлическим цинком и бромом система, в которой для производства электрического тока , а электролит состоит из водного раствора бромида цинка . Цинк издавна использовался в качестве отрицательного электрода первичных клеток . Это широко доступный и относительно недорогой металл. Достаточно стабилен при контакте с нейтральными и щелочными водными растворами. По этой причине сегодня он используется в цинк-углеродных и щелочных первичных обмотках.

Ведущим потенциальным применением является стационарное хранение энергии либо для сети , либо для бытовых или автономных энергосистем . Водный электролит делает систему менее склонной к перегреву и возгоранию по сравнению с системами литий-ионных аккумуляторов.

Обзор

Цинк-бромные батареи можно разделить на две группы: проточные батареи и непоточные батареи.

Redflow (Австралия) и Primus Power (США) активно занимаются коммерциализацией проточных батарей, а Gelion (Австралия) и EOS Energy Enterprises (США) разрабатывают и коммерциализируют непроточные системы.

Функции

Цинк-бромные батареи имеют шесть преимуществ перед литий-ионными системами хранения:

Возможность 100% глубины разряда ежедневно. ^{[ 3 ]}
Незначительная деградация емкости, обеспечивающая более 5000 циклов
Низкая пожароопасность, поскольку электролиты негорючие.
Нет необходимости в системах охлаждения
Недорогие и легкодоступные материалы для аккумуляторов.
Простая утилизация по окончании срока службы с использованием существующих процессов.

У них есть четыре недостатка:

Более низкая плотность энергии
Более низкий КПД туда и обратно (частично компенсируется энергией, необходимой для работы систем охлаждения).
Необходимость полной разрядки каждые несколько дней во избежание образования цинковых дендритов, которые могут повредить сепаратор. ^{[ 3 ]}
Более низкие скорости зарядки и разрядки

Эти особенности делают цинк-бромные батареи непригодными для многих мобильных применений (которые обычно требуют высоких скоростей зарядки/разрядки и малого веса), но подходят для стационарных приложений хранения энергии, таких как ежедневная езда на велосипеде для поддержки выработки солнечной энергии , автономных систем и нагрузки. переключение .

Типы

Поток

Цинк-бромная проточная батарея (ЗБРФБ) представляет собой гибридную проточную батарею. Раствор бромида цинка хранят в двух емкостях. Когда аккумулятор заряжается или разряжается, растворы (электролиты) перекачиваются через реакторную батарею из одного резервуара в другой. Один резервуар используется для хранения электролита для реакций положительных электродов, а другой — для хранения отрицательного. Плотность энергии находится в диапазоне от 60 до 85 Вт·ч/кг. ^{[ 1 ]}

Водный электролит состоит из соли бромида цинка, растворенной в воде. Во время зарядки металлический цинк наносится из раствора электролита на поверхности отрицательных электродов (углеродный войлок в старых конструкциях, титановая сетка в современных) в пакетах элементов. Бромид преобразуется в бром на поверхности положительного электрода и хранится в безопасной, химически комплексной органической фазе. ^{[ объяснить ]}. В более старых клетках ZBRFB использовались полимерные мембраны (микропористые полимеры, нафион и т. д.). В более поздних конструкциях мембрана отсутствует. ^{[ 4 ]} Батарейный блок обычно состоит из наполненных углеродом пластиковых биполярных пластин (например, 60 ячеек) и заключен в контейнер из полиэтилена высокой плотности (HDPE). Батарею можно рассматривать как гальваническую машину. Во время зарядки цинк осаждается на проводящих электродах, при этом образуется бром. При разряде процесс обратный: металлический цинк, нанесенный на отрицательные электроды, растворяется в электролите и доступен для повторного нанесения покрытия при следующем цикле зарядки . Его можно оставлять полностью разряженным на неопределенный срок. Саморазряд не происходит в полностью заряженном состоянии, когда аккумулятор остается сухим.

Функции

Помимо общих преимуществ химии, проточные цинк-бромные батареи имеют два существенных преимущества:

Их можно масштабировать до большой емкости хранения за счет более крупных резервуаров и штабелей.
Отдельные детали можно обслуживать или заменять, например, насос, баки или электролит.

Проточные батареи имеют и специфические недостатки:

Сброс: Каждые 1–4 цикла клеммы необходимо закорачивать на низкоомный шунт во время работы насоса электролита, чтобы полностью удалить цинк с пластин батареи. ^{[ 3 ]}
Низкая мощность по площади: (<0,2 Вт/см ²) как во время заряда, так и во время разряда, что увеличивает стоимость электроэнергии. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}
Низкая эффективность в обоих направлениях: 70–80 %, что значительно ниже, чем у литий-ионных батарей, которые обычно достигают 90 % и более.
Низкая плотность энергии:
Сложная конструкция с движущимися частями.

Дизайн

Две электродные камеры каждой ячейки обычно разделены мембраной (обычно микропористой или ионообменной ). Это помогает предотвратить попадание брома на отрицательный электрод, где он вступит в реакцию с цинком, вызывая саморазряд. Для дальнейшего уменьшения саморазряда и снижения давления паров брома в положительный электролит добавляют комплексообразователи. Они обратимо реагируют с бромом, образуя маслянистую красную жидкость и восстанавливая Br.
₂ концентрация в электролите. ^{[ нужна ссылка ]}

Разработчики

Primus Power – Хейворд, Калифорния, является частной американской компанией. Однако по состоянию на май 2023 года у них не было никаких установок с 2015 года. ^{[ 8 ]} Primus Power заявляет о 70% эффективности своего агрегата мощностью 125 кВтч. ^{[ 9 ]}
RedFlow Limited – Брисбен, Австралия, является публичной компанией, акции которой котируются на ASX. Их батарея ZBM3 обеспечивала 12 часов непрерывной работы. ^{[ 10 ]} Они заявили, что « энергетическая эффективность стека DC – DC » достигает 80% для их батареи ZBM3. ^{[ 11 ]} и 42 Втч/кг для ZBM3, ^{[ 11 ]} агрегат на 10 кВтч.
EnSync (ранее ZBB) ^{[ 12 ]} - Меномони-Фолс, Висконсин, США (несуществующий). ^{[ 13 ]}

Нет потока

Непроточные батареи не пропускают материалы батареи между двумя резервуарами.

Разработчики

Гелион: Томас Машмейер из Сиднейского университета заменил жидкость гелем . Ионы могут двигаться быстрее, сокращая время зарядки. Гель огнестойкий. ^{[ 14 ]} В апреле 2016 года запущен Gelion. Компания получила инвестиции в размере 11 миллионов австралийских долларов от британской группы возобновляемых источников энергии Armstrong Energy . ^{[ 15 ]} Gelion привлек дополнительный капитал посредством IPO и прошел листинг на Лондонской фондовой бирже AIM 30 ноября 2021 года.

Компания Gelion планирует вывести на рынок моноблочную батарею емкостью 1,2 кВтч для использования в коммерческих и сетевых приложениях. ^{[ 16 ]} Компания Gelion заявила, что ее моноблоки будут иметь ^{[ 16 ]} более высокая плотность энергии (120 Втч/кг), более высокий КПД туда и обратно (>87%), отсутствие движущихся частей и масштабируемость производства до гигаваттной мощности за счет адаптации существующих заводов по производству свинцово-кислотных аккумуляторов.

По состоянию на март 2023 г. ^[update]Компания Gelion планировала протестировать систему для Acciona Energy в 2023 году. ^{[ 17 ]} Компания Gelion анонсировала режим быстрой разрядки, более дешевые электроды (для замены титана) и улучшения в управлении и предотвращении дендритов. ^{[ 18 ]}

Катод EOS Energy Enterprise: по состоянию на май 2023 г. ^[update] EOS анонсировала свою батарею Eos Z3 и заявила, что количество невыполненных заказов составляет 347 МВтч, а общая сумма обязательных заказов составляет 2,2 ГВтч. ^{[ 19 ]} EOS заявила, что ее батарея имеет RTE «середины 80-х» (с уменьшенной глубиной разряда) и срок службы 6000 циклов/20 лет. ^{[ 20 ]}

Электрохимия

Проточная и непроточная конфигурации имеют одинаковую электрохимию.

На отрицательном электроде цинк является электроактивным веществом. Он электроположительный , со стандартным восстановительным потенциалом E ° = −0,76 В относительно SHE .

Реакция отрицательного электрода представляет собой обратимое растворение/осаждение цинка:

{\ce {Zn_{(s)}<=>{Zn^{2}+}_{(aq)}+2e^{-}}}

На положительном электроде бром обратимо восстанавливается до бромида (со стандартным потенциалом восстановления +1,087 В относительно SHE):

{\ce {{Br2_{(aq)}}+2e^{-}<=>{2Br^{-}}_{(aq)}}}

Таким образом, общая реакция клетки

{\ce {{Zn_{(s)}}+Br2_{(aq)}<=>{2Br^{-}}_{(aq)}+{Zn^{2}+}_{(aq)}}}

Измеренная разность потенциалов составляет около 1,67 В на ячейку (немного меньше, чем прогнозируется на основе стандартных потенциалов восстановления). ^{[ нужна ссылка ]}

Приложения

Удаленные телекоммуникационные сайты

Значительная экономия топлива дизель-генераторов возможна на удаленных объектах связи, работающих в условиях низкой электрической нагрузки и большой установленной генерации, за счет параллельного использования нескольких систем для максимизации преимуществ и минимизации недостатков технологии. ^{[ 21 ]}

История

В декабре 2021 года Redflow завершила установку мощностью 2 МВтч для Aneargia для поддержки когенерационной установки мощностью 2,0 МВт , работающей на биогазе , и системы управления микросетью в Калифорнии. ^{[ 22 ]}^{[ 23 ]}

По состоянию на ноябрь 2021 г. ^[update] EOS Energy Enterprises получила заказ на 300 МВтч от Pine Gate Renewables, установка которого запланирована на 2022 год. ^{[ 24 ]}

По состоянию на февраль 2022 г. ^[update]Компания Gelion объявила о заключении соглашения с Acciona Energy на испытание батарей Endure для сетевых приложений. ^{[ 25 ]}

В июне 2023 года Redflow объявила о соглашении на поставку системы мощностью 20 МВтч для обеспечения электроснабжения калифорнийского казино Rolling Hills. ^{[ 10 ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Хорь, А.; Люнг, П.; Мохамед, MR; Флокс, К.; Сюй, Кью; Ан, Л.; Уиллс, RGA; Моранте, младший; Шах, А.А. (июнь 2018 г.). «Обзор гибридных проточных батарей на основе цинка: от основ к применению». Материалы сегодня Энергия . 8 : 80–108. дои : 10.1016/j.mtener.2017.12.012 . hdl : 10397/77992 . S2CID 117522227 .
^ «Тестирование рабочих характеристик проточных цинк-бромных батарей для удаленных объектов связи» (PDF) . Сандианские национальные лаборатории. 2013. с. 6 . Проверено 1 апреля 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Роуз и Феррейра , с. 4.
^ «US20200036046 БЕЗМЕМБРАННАЯ НЕТЕЧНАЯ ОДНОЭЛЕМЕНТНАЯ ЦИНК-БРОМНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ С КОМПОЗИЦИОННЫМ ЭЛЕКТРОДОМ ИЗ УГЛЕРОДНОЙ ПЕНЫ, ЗАХВАТЫВАЮЩИМ БРОМ» . Patentscope.wipo.int .
^ Г. П. Кори, Оценка состояния усилий по разработке цинк-бромных батарей . RedFlowLimited Брисбен, Квинсленд, Австралия, 2011 г.
^ Накацуджи-Мазер, М.; Саха, ТК (2012). «Цинково-бромные проточные батареи в электроснабжении жилых домов: два тематических исследования». Общее собрание Общества энергетики и энергетики IEEE , 2012 г. стр. 1–8. дои : 10.1109/PESGM.2012.6344777 . ISBN 978-1-4673-2729-9 . S2CID 22810353 .
^ Суреш, С.; Кесаван, Т.; Мунайя, Ю.; Арулрадж, И.; Динадайалан, С.; Рагупати, П. (2014). «Гибридная проточная цинк-бромная батарея: влияние использования цинка и эксплуатационные характеристики». РСК Прогресс . 4 (71): 37947. Бибкод : 2014RSCAd...437947S . дои : 10.1039/C4RA05946H . ISSN 2046-2069 .
^ «Примус Пауэр» . primuspower.com . Проверено 14 мая 2023 г.
^ «Примус Пауэр» . primuspower.com . Проверено 08 февраля 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б Хэнли, Стив (2 июня 2023 г.). «Redflow поставит систему хранения проточных батарей мощностью 20 МВтч в Калифорнию» . ЧистаяТехника . Проверено 4 июня 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Батарея ZBM3 – Redflow» . Проверено 13 июня 2022 г.
^ «ZBB Energy меняет название на EnSync» (пресс-релиз).
^ Ник Уильямс (13 марта 2019 г.). «EnSync Energy намерена инициировать банкротство, сокращает почти всех сотрудников» . Деловой журнал Милуоки.
^ «ДОМА С АККУМУЛЯТОРНЫМ ПИТАНИЕМ» . Австралийская радиовещательная корпорация . 2 февраля 2016 г. Проверено 15 января 2017 г.
^ «Австралийская технология гелевых аккумуляторов привлекает крупные британские финансы» . 13 апреля 2016 года . Проверено 15 января 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Презентации | Гелион – Вдохновленная энергия» . Проверено 08 февраля 2022 г.
^ «Gelion PLC Lithium Sulphur IP Acq + Innovation Challenge» . АДВФН . Проверено 14 мая 2023 г.
^ «Презентации» . Гелион — Вдохновленная энергия . Проверено 14 мая 2023 г.
^ «Eos Energy Enterprises сообщает о финансовых результатах за первый квартал 2023 года» . Bloomberg.com . 09.05.2023 . Проверено 14 мая 2023 г.
^ «Технология» . Эос Энергетические Предприятия . Проверено 14 мая 2023 г.
^ Роуз и Феррейра , с. 10.
^ «Redflow подписывает крупнейшую в мире сделку по продаже аккумуляторов с компанией Anaergia для поставки накопителей энергии в Калифорнию» . Анаэргия . 13 марта 2021 г. Проверено 08 февраля 2022 г.
^ «Redflow завершает установку мощностью 2 МВтч в Калифорнии – Redflow» . Проверено 08 февраля 2022 г.
^ «Eos Energy получила заказ на аккумуляторные системы хранения мощностью 300 МВт» . Renewablesnow.com . Проверено 08 февраля 2022 г.
^ Воррат, Софи (2 февраля 2022 г.). «Gelion проведет испытания своих бромидно-цинковых батарей на солнечной ферме в Испании» . ОбновитьЭкономику . Проверено 08 февраля 2022 г.

Дальнейшее чтение

Комплексообразование брома в цинк-бромных циркулирующих батареях DJ Eustace, J. Electrochem. Соц. 127 (3), 528–32 (1980)
Справочник по батареям, 3-е издание. Д. Линден, Т.Б. Редди. 39,1–39,8 (2002)
Роуз, Дэвид М.; Феррейра, Саммер Р. «Испытание рабочих характеристик проточных цинк-бромных батарей для удаленных объектов связи» (PDF) . Сандия Национальная лаборатория. Обновлять
РедФлоу.

Внешние ссылки

ZnBr аккумуляторы в Ассоциации хранения электроэнергии

[Khor_et_al_2018-1] Jump up to: ^а ^б Хорь, А.; Люнг, П.; Мохамед, MR; Флокс, К.; Сюй, Кью; Ан, Л.; Уиллс, RGA; Моранте, младший; Шах, А.А. (июнь 2018 г.). «Обзор гибридных проточных батарей на основе цинка: от основ к применению». Материалы сегодня Энергия . 8 : 80–108. дои : 10.1016/j.mtener.2017.12.012 . hdl : 10397/77992 . S2CID 117522227 .

[2] «Тестирование рабочих характеристик проточных цинк-бромных батарей для удаленных объектов связи» (PDF) . Сандианские национальные лаборатории. 2013. с. 6 . Проверено 1 апреля 2015 г.

[FOOTNOTERoseFerreira4-3] Jump up to: ^а ^б ^с Роуз и Феррейра , с. 4.

[4] «US20200036046 БЕЗМЕМБРАННАЯ НЕТЕЧНАЯ ОДНОЭЛЕМЕНТНАЯ ЦИНК-БРОМНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ С КОМПОЗИЦИОННЫМ ЭЛЕКТРОДОМ ИЗ УГЛЕРОДНОЙ ПЕНЫ, ЗАХВАТЫВАЮЩИМ БРОМ» . Patentscope.wipo.int .

[5] Г. П. Кори, Оценка состояния усилий по разработке цинк-бромных батарей . RedFlowLimited Брисбен, Квинсленд, Австралия, 2011 г.

[Nakatsuji-MatherSaha2012-6] Накацуджи-Мазер, М.; Саха, ТК (2012). «Цинково-бромные проточные батареи в электроснабжении жилых домов: два тематических исследования». Общее собрание Общества энергетики и энергетики IEEE , 2012 г. стр. 1–8. дои : 10.1109/PESGM.2012.6344777 . ISBN 978-1-4673-2729-9 . S2CID 22810353 .

[SureshKesavan2014-7] Суреш, С.; Кесаван, Т.; Мунайя, Ю.; Арулрадж, И.; Динадайалан, С.; Рагупати, П. (2014). «Гибридная проточная цинк-бромная батарея: влияние использования цинка и эксплуатационные характеристики». РСК Прогресс . 4 (71): 37947. Бибкод : 2014RSCAd...437947S . дои : 10.1039/C4RA05946H . ISSN 2046-2069 .

[8] «Примус Пауэр» . primuspower.com . Проверено 14 мая 2023 г.

[9] «Примус Пауэр» . primuspower.com . Проверено 08 февраля 2022 г.

[:3-10] Jump up to: ^а ^б Хэнли, Стив (2 июня 2023 г.). «Redflow поставит систему хранения проточных батарей мощностью 20 МВтч в Калифорнию» . ЧистаяТехника . Проверено 4 июня 2023 г.

[:2-11] Jump up to: ^а ^б «Батарея ZBM3 – Redflow» . Проверено 13 июня 2022 г.

[12] «ZBB Energy меняет название на EnSync» (пресс-релиз).

[13] Ник Уильямс (13 марта 2019 г.). «EnSync Energy намерена инициировать банкротство, сокращает почти всех сотрудников» . Деловой журнал Милуоки.

[14] «ДОМА С АККУМУЛЯТОРНЫМ ПИТАНИЕМ» . Австралийская радиовещательная корпорация . 2 февраля 2016 г. Проверено 15 января 2017 г.

[15] «Австралийская технология гелевых аккумуляторов привлекает крупные британские финансы» . 13 апреля 2016 года . Проверено 15 января 2017 г.

[:0-16] Jump up to: ^а ^б «Презентации | Гелион – Вдохновленная энергия» . Проверено 08 февраля 2022 г.

[17] «Gelion PLC Lithium Sulphur IP Acq + Innovation Challenge» . АДВФН . Проверено 14 мая 2023 г.

[18] «Презентации» . Гелион — Вдохновленная энергия . Проверено 14 мая 2023 г.

[19] «Eos Energy Enterprises сообщает о финансовых результатах за первый квартал 2023 года» . Bloomberg.com . 09.05.2023 . Проверено 14 мая 2023 г.

[20] «Технология» . Эос Энергетические Предприятия . Проверено 14 мая 2023 г.

[FOOTNOTERoseFerreira10-21] Роуз и Феррейра , с. 10.

[22] «Redflow подписывает крупнейшую в мире сделку по продаже аккумуляторов с компанией Anaergia для поставки накопителей энергии в Калифорнию» . Анаэргия . 13 марта 2021 г. Проверено 08 февраля 2022 г.

[23] «Redflow завершает установку мощностью 2 МВтч в Калифорнии – Redflow» . Проверено 08 февраля 2022 г.

[24] «Eos Energy получила заказ на аккумуляторные системы хранения мощностью 300 МВт» . Renewablesnow.com . Проверено 08 февраля 2022 г.

[:1-25] Воррат, Софи (2 февраля 2022 г.). «Gelion проведет испытания своих бромидно-цинковых батарей на солнечной ферме в Испании» . ОбновитьЭкономику . Проверено 08 февраля 2022 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

v т и Электрохимические ячейки
Типы	Гальванический элемент Концентрационная ячейка Электрическая батарея Проточная батарея Кормушка аккумуляторная Топливный элемент Термогальванический элемент Вольтов столб
Первичная ячейка (неперезаряжаемый)	Щелочной Алюминий-воздух Бунзен Хромовая кислота Кларк Дэниел Сухой Эдисон-Лаланд Роща Лекланше Литий-металлический Литий-воздушный Меркурий Металловоздушный электрохимический оксигидроксид никеля Кремний-воздух Оксид серебра Уэстон Замбони Цинк-воздух Цинк-углерод
Вторичная ячейка (перезаряжаемый)	Автомобильная промышленность Свинцово-кислотный гель–VRLA Литий-воздушный Литий-ионный Двойной углерод Литий-железо-фосфат Литий-полимерный Литий-серный Литий-титанат Металл-воздух Расплавленная соль Нанопор Нанопроволока Никель-кадмий Никель-водород Никель-железо Никель-литий Никель-металлогидрид Никель-цинк Полисульфид-бромид Ион калия Перезаряжаемая щелочная Серебро-кадмий Серебро-цинк Ион натрия Натрий-сера Твердотельный Редокс ванадий Цинк-бром Цинк-церий
Другая ячейка	Атомная батарея Топливный элемент Солнечная батарея
Части клетки	Анод связующее Катализатор катод Электрод Электролит Полуклетка Ионы Соляной мост Полупроницаемая мембрана