Полисульфидно-бромидный аккумулятор
Полисульфидно -бромная батарея (ПСБ; иногда полисульфид-полибромид или «бром-сера») — это тип перезаряжаемой электрической батареи , которая хранит электрическую энергию в жидкостях, таких как водные растворы двух солей: бромида натрия и полисульфида натрия . . Это пример и тип окислительно -восстановительного (окислительного) проточной батареи типа .
был построен прототип электроаккумулирующей установки мощностью 12 МВт . В 2002 году на электростанции Литл-Барфорд в Великобритании [ 1 ] который использует полисульфид-бромидные проточные батареи . Хотя объект был завершен, из-за инженерных проблем при масштабировании технологии он так и не был полностью введен в эксплуатацию. [ 2 ] Аналогичная демонстрационная установка, расположенная на предприятии Tennessee Valley Authority (TVA) в Колумбусе, штат Миссисипи, США, так и не была завершена.
Химия
[ редактировать ]солевого раствора Два разных электролита содержатся в двух отдельных резервуарах. раствор Na 2 S 2 ( дисульфид Когда требуется энергия, к аноду перекачивают NaBr 3 ( трибромид натрия натрия), а к катоду – ). Анод и катод, а также соответствующие им солевые растворы разделены ионообменной мембраной . На отрицательном электроде анодная реакция проявляется как:
2Na 2 S 2 → Na 2 S 4 + 2Na + + 2е −
На положительном электроде катодная реакция проявляется как:
NaBr3 2Na + + + 2е − → 3НаБр
По мере того как энергия извлекается из системы, дисульфид натрия превращается в полисульфид натрия , а трибромид натрия становится бромидом натрия. Эту реакцию можно обратить вспять, если к электродам подать ток и химические соли системы перезарядятся . Система определяется как топливный элемент, поскольку электроды не участвуют в реакции, а действуют только как поверхность для реакции. Однако жидкость не является расходуемым топливом. Это электролит в виде солевого раствора, который изменяется в процессе.
История
[ редактировать ]Хотя возможности использования окислительно-восстановительных пар полисульфида и брома в проточных и статических батареях уже упоминались ранее, именно Роберт Ремик и Питер Энг из Института газовых технологий (Чикаго) первыми продемонстрировали (и заявили в патенте) перезаряжаемая (циклическая) полисульфидно-полибромидная батарея (SBB) в 1981 году. [ 1 ] Они быстро получили грант Министерства энергетики на детальные исследования, которые показали, что MoS 2 является предпочтительным (хотя и не идеальным) электрокатализом для реакции негоде. [ 2 ]
В 1987 году Стюарт Лихт в Институте Вейцмана (Реховот, Израиль) и Массачусетском технологическом институте (Кембридж, Массачусетс) продемонстрировал необычайную растворимость сульфидов калия в воде, например, молярное соотношение вода:соль 3:1 для K 2 S и K 2 S 4. растворов и позже продемонстрировал это на серно-полисульфидно-алюминиевой батарее. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Тем не менее, химия натрия оставалась основным направлением среди разработчиков полисульфид-полибромидных RFB, возможно, из-за более высокой растворимости NaBr (8,82 моля при 20 °C) по сравнению с KBr (5,49 моля при 20 °C).
В 1992 году компания National Power PLC (которая была образована в 1990 году в результате приватизации рынка электроэнергии Великобритании) приобрела у Института газовых технологий оригинальный патент США, выданный Ремиком и Энгом. [ 2 ] и начал программу исследований и разработок в области полисульфид-полибромида RFB. Первоначальную работу в National Power провел Ральф Зито. [ 5 ] который был известен своими предыдущими работами над RFB Zn-Br2. (6-8) Во время реорганизации рынка электроэнергии Великобритании в 1990-х годах патенты National Power были переданы компании Innogy Technology Ventures Ltd, которая в 2002 году стала дочерней компанией немецкая многопрофильная RWE группа компаний . Компания Regenesys Technologies Limited была выделена из RWE-Innogy с задачей оперативной демонстрации и коммерциализации полисульфидно-полибромидных RFB, которые назывались батареями Regenesys®. К 2001 году в компании Regenesys работало более 70 человек, и она продемонстрировала стеки мощностью 5 и 10 кВт.
Программа разработки SBB Regenesys была гораздо более энергичной, чем у его предшественников. К 1999 году команда Regensys обнаружила, что сера необратимо окисляется до сульфата в результате побочной реакции, которая происходит в основном, когда серосодержащие соединения проникают в посолит. Поскольку их попытки разработать систему со смешанным полисульфид-бромидным неголитом и бессульфидным посолитом с использованием мембраны Нафион оказались безуспешными, они предложили добавлять больше твердой серы или полисульфидов к неголиту как часть обычной циклической ребалансировки батареи. (10) Они также разработали оригинальный метод обнаружения начала образования коллоидной серы с помощью электрокинетического звукового эффекта. (11) Хотя ранняя конструкция Regenesys SBB был довольно неэффективен по современным стандартам (например, мембрана не была покрыта каталитическими слоями, а была приведена в прямой контакт с сетчатыми углеродными электродами толщиной 1,5 мм с каждой стороны), и поначалу он показывал многообещающие результаты. (12) Примечательно, что во время заряда при 34 мА/см2 перенапряжение на отрицательном электроде (0,65 В) было значительно больше, чем перенапряжение на положительном электроде (0,075 В).(12) Сульфиды переходных металлов. (13) и другие комплексы (14) были предложены в качестве электрокатализаторов негоде-реакции. В более поздней конструкции плотность рабочего тока была увеличена до 80 мА/см. 2 .(10)
Великобритании В 2001 году Министерство торговли и промышленности профинансировало ок. 50% от общей суммы ок. 2 миллиона фунтов стерлингов. стоимость (вероятно, с ожидаемой долей затрат от RWE-Innogy) строительства батареи Regenesys® мощностью 100 кВт в Литтл-Барфорде в центральной Англии рядом с существующей газовой пиковой электростанцией и предполагаемой площадкой для ветряной мельницы. (9, 15) Аналогичная электростанция рассматривался в Колумбусе, штат Миссисипи , США (16, 17) как часть злополучной администрации долины Теннесси . (18) Гипотетический 15-120 МВт в Великобритании также предлагалось на 2000-2002 годы (19, 20). Однако переход от 10 к 100 кВт оказался более сложным, чем ожидалось для модульной системы, такой как RFB. Утечки в дымовой трубе предположительно были устранены путем улучшения конструкции уплотнений и производственных допусков. (9) После этих усовершенствований трещины концевых пластин, электродов и резервуаров с футеровкой из ПВДФ были зарегистрированы как основные виды отказов на протяжении всего испытания. Эти проблемы (а также вышеупомянутое необратимое окисление серы до сульфата) не были решены за время, отведенное для этого демонстрационного проекта. В 2003 году, после фиаско в Литтл-Барфорде, RWE решила отказаться от своей технологии Regenesys® (которая была изобретена не в RWE, а унаследовано в результате приобретения Innogy). Судя по всему, RWE не смогла найти покупателя на эту продажу, поскольку срок действия ее патентов на эту технологию истек из-за неуплаты платы за обслуживание. в различных странах в период с 2004 по 2013 год. Стоимость разработки полисульфид-полибромидных РФБ в период с 1990 по 2004 год, по отчетам компании, составила более 140 млн фунтов стерлингов.(21) Кроме того, собственные исследования Regenesys опубликованы в журнале. 2009 г. поставил под сомнение техническую осуществимость долгосрочной эксплуатации и рентабельность SBB.(22, 23)
Другие также исследовали возможность создания полисульфидно-полибромидной батареи (SBB). ок. В 2002 году Даляньский институт химической физики (КНР), ставший к тому времени ведущим мировым разработчиком проточных батарей, запустил собственную программу SBB. В 2004-2006 гг. они сообщили о системах мощностью 1 кВт, работающих при токе 40 мА/см2, с повышением энергоэффективности цикла с 67 до 82 %, в основном за счет разработки новых материалов электродов. (24-27) Тем не менее, активность патентов и публикаций SBB значительно снизилась после 2006. Вполне вероятно, что проблема отложения серы в пористом негоде во время длительного циклирования (28), а также сопутствующий успех ванадиевые окислительно-восстановительные проточные батареи стали основной причиной свертывания деятельности SBB. Начиная с ок. Разработка SBB в 2010 году ограничивалась в основном академическими лабораториями и разработкой новых электрокатализаторов, которые, тем не менее, не соответствуют требуемым показателям активности и долговечности (29, 30).
В последние годы SBB с Ли + - (31) и На + - (32) продемонстрированы проводящие керамические сепараторы. Хотя эти элементы показали хороший срок службы (более 100 циклов без заметной деградации), они эксплуатировались прибл. 1 мА/см 2 из-за высокого омического сопротивления сепаратора.
1. Дж. Ремик Роберт и Г.П. Энг Питер, «Электрически перезаряжаемая анионно-активная окислительно-восстановительная электрическая система хранения-питания». 1981US-06299977 1981-09-08 (1981US-06299977 1981-09-08).
2. Р. Ремик и Э. Камара, Электрохимия пары сульфид/полисульфид, Институт газовых технологий, Чикаго, Иллинойс (США) (1983-07-01) 10.2172/5443566.
3. С. Лихт, «Энергетическая среда для электрохимического хранения, использующая высокую растворимость полисульфида калия в воде». Дж. Электрохим. Соц., 134, 2137 (1987) 10.1149/1.2100838.
4. Зито Р. «Электрохимический элемент хранения и/или подачи энергии с контролем pH». 1993US-08128126
5. Зито Р. «Электрохимические устройства для хранения и/или подачи энергии, включающие многокамерные ячейки». 1993US-08128117
6. Р. Зито-младший, «Аккумуляторная батарея с бромположительным активным материалом». 1963US-04317507 1963-10-21 (1963US-04317507 1963-10-21).
7. Р. Зито-младший, «Цинк-бромная вторичная ячейка». 1965US-04484556 02 сентября 1965 г. (1965US-04484556 02 сентября 1965 г.).
8. Зито Р. Цинк-бромный аккумулятор с длительной стабильностью. 1982US-06441491 1
9. Масштабное хранилище энергии Regenesys: отчет (2004 г.) https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/20517742
10. Дж. Моррисси Патрик, Дж. Митчелл Филип и Э. Мэйл Стюарт, «Система ребалансировки электролита». 1998ГБ-0015173
11. Дж. Моррисси Патрик и Э. Кули Грэм, «Методы обнаружения начала образования коллоидов в частности осаждения серы». 1999ГБ-0013185
12. Э. Кули Грэм, Э. Мэл Стюарт, Дж. Митчелл Филип и И.а. Н. Уайт, «Способ проведения электрохимических реакций с помощью электрокатализатора». 1999ГБ-0001235
13. Э. Кули Грэм, Э. Мэл Стюарт, Дж. Митчелл Филип и И.а. Н. Уайт, «Способ проведения электрохимических реакций с помощью электрокатализатора». 1999ГБ-0001235
14. Флетчер С., Ван Дейк Николас Дж. Электрод для восстановления полисульфидных частиц. 2002ГБ-0007214
15. Б. Дэвидсон, Т. Калвер, А. Прайс и Д. Симчок, «Крупномасштабное решение для хранения данных? Регенеративный топливный элемент Regenesys». Мир возобновляемых источников энергии, 3, 84 (2000)
16. IND предоставлено Federal, Inc., запрос предложений по завершению строительства завода TVA Regenesys в Колумбусе, штат Миссисипи, с. 1, Federal Information & News Dispatch, LLC, Вашингтон (2004 г.)
17. И. Х. Грант, Дж., Проект TVA по хранению энергии Regenesys, на Летнем собрании IEEE Power-Engineering-Society, с. 321, IEEE, Чикаго, Иллинойс (2002) 10.1109/PESS.2002.1043242.
18. А. Рэй, «Институт государственной власти TVA (ppi): заседание совета директоров TVA по возобновляемым источникам энергии». (2008) https://tva.maripo.com/tva_ppi.htm .
19. Моррисси П. «Regenesys: новая технология хранения энергии». Международный журнал окружающей энергии, 21, 213 (2000) 10.1080/01430750.2000.9675376.
20. Regenesys заряжает «гигантскую батарею», в TCE, с. 16 (2002)
21. Рве отказывается от проекта регенезиса, в The Guardian, стр. 9 (2004)
22. ДНР Скамман, ГВ; Робертс, EPL, «Численное моделирование проточной бромид-полисульфидной окислительно-восстановительной батареи, часть 1: подход к моделированию и проверка для пилотной системы». Журнал источников энергии, 189, 1220 (2009) 10.1016/j.jpowsour.2009.01.071.
23. DPR Scamman, Гэвин В.; Робертс, Эдвард П.Л., «Численное моделирование проточной бромидно-полисульфидной окислительно-восстановительной батареи. Часть 2: Оценка системы промышленного масштаба». Журнал источников энергии, 189, 1231 (2009) 10.1016/j.jpowsour.2009.01.076.
24. ZHZHZPY Baolian, Исследование электродных материалов и систем для аккумуляторов энергии на основе полисульфида натрия/брома, Китайская конференция по исследованию материалов 2004 г., стр. 24. 7, Пекин, Китай (2004 г.)
25. П.З. Чжао, Хуамин; Чжоу, Хантао ; Йи, Баолян, «Применение никелевой пены и углеродного войлока для электродов проточных аккумуляторных батарей из полисульфида натрия и брома». Electrochimica Acta, 51, 1091 (2005) 10.1016/j.electacta.2005.06.008.
26. Х. З. Чжоу, Хуамин; Чжао, Пин ; Йи, Баолян, «Новый углеродный войлок с кобальтовым покрытием в качестве высокоэффективного отрицательного электрода в проточных батареях на основе полисульфида натрия и брома». Электрохимия (Токио, Япония), 74, 296 (2006) 10.5796/электрохимия.74.296.
27. Х. З. Чжоу, Хуамин; Чжао, Пин ; Йи, Баолян, «Сравнительное исследование электродов на основе углеродного войлока и активированного угля для проточных окислительно-восстановительных батарей на основе полисульфида натрия и брома». Electrochimica Acta, 51, 6304 (2006) 10.1016/j.electacta.2006.03.106.
28. З. Хантао, «Исследование полисульфидно-бромных проточных энергоаккумуляторов». Диссертация (2006)
29. IEL Stephens, C. Ducati и DJ Fray, «Корреляция микроструктуры и активности при восстановлении и окислении полисульфидов на электрокатализаторах ws2». Журнал Электрохимического общества, 160, A757 (2013) 10.1149/2.027306jes.
30. CB Брюно, Ю-Цзя; Гоэнага, Габриэль; Заводзински, Том, Исследование катализатора и характеристика проточной полисульфидно-бромной окислительно-восстановительной батареи, в тезисах, 66-е Юго-Восточное региональное собрание Американского химического общества, Нэшвилл, Теннесси, США, 16-19 октября, SERMACS, Американское химическое общество (2014 г.)
31. ЛНВ Ван, XF; Лю, JY ; Ян, Х.; Фу, СМ; Ся, ГГ ; Лю, Техас, «Перезаряжаемая безметалловая полностью жидкая серо-бромная батарея для устойчивого хранения энергии». Журнал химии материалов А, 6, 20737 (2018) 10.1039/c8ta07951j.
32. Гросс М.М., Мантирам А. Долговечные полисульфидно-полигалогенидные аккумуляторы с твердым электролитом-медиатором. Acs Applied Energy Materials, 2, 3445 (2019) 10.1021/acsaem.9b00253.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Прайс, А.; Бартли, С.; Кули, Дж.; Мале, С. (1999). «Новый подход к хранению энергии в коммунальных масштабах». Энергетический журнал . 13 (3): 122–129. дои : 10.1049/pe:19990304 .
- ^ Перейти обратно: а б с «Обзор технологий и систем хранения электрической энергии и их потенциала для Великобритании» (PDF) . п. 24. Архивировано из оригинала (PDF) 19 сентября 2010 года . Проверено 24 ноября 2012 г.
- ^ Лихт, Стюарт (1 сентября 1987 г.). «Энергетическая среда для электрохимического хранения с использованием высокой растворимости полисульфида калия в воде» . Журнал Электрохимического общества . 134 (9): 2137–2141. дои : 10.1149/1.2100838 . ISSN 1945-7111 .
- ^ US5413881A , Licht, Stuart & Peramunage, Dharmasena, «Алюминиевые и серные электрохимические батареи и элементы», выпущено 9 мая 1995 г.
- ^ Перейти обратно: а б Перамунаге, Дхармасена; Лихт, Стюарт (20 августа 1993 г.). «Твердый серный катод для водных аккумуляторов» . Наука . 261 (5124): 1029–1032. дои : 10.1126/science.261.5124.1029 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17739624 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Раздел Ассоциации хранения электроэнергии об ОВО (включая схему)
 | Эта статья, посвященная электронике, незавершена . Вы можете помочь Википедии, расширив ее . |