År 2020, Kina planerar att lansera det största batterikomplexet i världen med en kapacitet på 800 MW*h (ungefär denna mängd energi per år förbrukas av ett hushåll med 200 lägenheter). Detta komplex är inte baserat på de vanliga litiumjon- eller blysyrabatterierna, men på redoxflödesbatteriet där elektriciteten lagras i form av kemisk energi av lösningar – elektrolyter. Batteriet består av två tankar i vilka elektrolyter lagras och membran-elektrodmontering (MEA) – lösningar tillförs MEA av pumpar där de genomgår elektrokemiska reaktioner som ger laddning och urladdning av batteriet.

På grund av denna inställning, redoxflödesbatterier, till skillnad från många andra energilagringsenheter, möjliggör oberoende skalning av batteriets effekt och kapacitet, som bestäms av storleken på MEA och elektrolytvolymen, respektive. Dessutom, redoxflödesbatterier uppvisar minimal självurladdning under långa perioder och deras elektrolyter bryts inte ned ens efter tiotusentals driftcykler, vilket gör dem till lovande kandidater för att lagra stora mängder energi i de smarta elnäten. Till exempel, de kan lagra överskottsel som genereras av solceller under dagsljus och generera reservelektricitet på natten eller i molnigt väder.

"Flödesbatterier integreras aktivt i kraftnäten i Kina, Tyskland och andra länder, å ena sidan, och å andra sidan, fortsätter att utvecklas och förfinas i laboratorier, " kommenterar en av författarna till verket, forskare vid NTI Competence Center vid IPCP RAS, Dmitrij Konev. "Vi har föreslagit en helt ny design av MEA, vilket kommer att underlätta forskningsprocessen och kraftigt minska tröskeln för inträde för nya forskargrupper inom detta område. I framtiden, detta kommer att bidra till betydande framsteg och kommer att föra distribuerade energiresurser från nischpositionering till mycket hög kommersialiseringsnivå, inklusive i Ryssland."

Smörgås med laserfyllning

MEA är hjärtat i flödesbatteriet. Det ser ut som en smörgås av olika arkmaterial, uppdelad i två symmetriska delar försedd med egen elektrolyt. När batteriet är anslutet till en strömkälla, den ena elektrolyten oxideras, medan en annan minskar och så laddas batteriet. Efter det, strömkällan kan kopplas bort och ersättas med en energikonsument – ​​elektrolyterna kommer att genomgå omvända processer och batteriet börjar laddas ur.

En viktig del av MEA är flödesfältplattorna, sandwichlager genom vilka elektrolyten pumpas till elektroderna där elektrolyterna oxideras eller reduceras. Batteriets prestanda, dvs kraft och effektivitet, beror starkt på hur väl flödesfälten är organiserade. Därför, forskare väljer ofta olika typer av fält för att optimera batteriprestanda, men detta är en mycket arbetskrävande uppgift:flödesfält fräses i täta grafitplattor, vilket är en tidskrävande procedur. Ryska forskare har föreslagit ett annat tillvägagångssätt.

"Vi bildar flödesfält genom att använda flera tunna lager av flexibla grafitmaterial:de nödvändiga mönstren i dem skärs av en laser och sedan läggs dessa lager på varandra för att få det önskade fältet, " säger den första författaren till verket, Roman Pichugov, en forskare vid Mendeleev University. "Proceduren för att skapa flödesfält tar bara några minuter, vilket är mycket mindre än traditionell fräsning av grafit. Plus, billigare material används, och som resultat, det finns mer utrymme för variation och urval av flödesfält."

Från cell till stack

Flödesbatterier kan fungera med olika typer av elektrolyter. De vanligaste (inklusive de som är installerade i Kina och introduceras i andra länder) använder vanadinelektrolyter, nämligen lösningar av vanadinsalter. Detta är elektrolyten som ryska forskare testade sin celldesign på. De sorterade ut olika typer av flödesfält, varierade elektrolytflödet och erhöll resultat som på en kvalitativ nivå sammanfaller med de bästa världsstudierna och på en kvantitativ nivå till och med något överträffar dem:kraften hos testad MEA översteg något kraften hos liknande celler på grafit.

Således, den nya designen av MEA förenklar laboratorietester avsevärt och kan i framtiden användas i riktiga energilagringssystem för distribuerade elnät. Ryska forskare i samarbete med InEnergy LLC utvecklar och testar ett vanadinflödesbatteri som består av 10 sådana celler med en total effekt på 20 watt. Konstruktionen av själva cellen och stapeln med 10 celler är skyddade av patent, varav den sista tillhör ADARM-företaget, skapad av de anställda på MUCTR. Dessutom, forskare utvecklar andra typer av flödesbatterier som använder olika elektrolyter på basis av den föreslagna designen av MEA.