Introducción a los tipos y comparación de la batería de flujo de hierro
Batería de flujo tiene las ventajas de un ciclo de vida largo, buena seguridad y control independiente de la energía y la potencia. Tienen un gran potencial en el campo del almacenamiento de energía a gran escala. Entre ellas, las baterías de flujo totalmente de vanadio han sido las más estudiadas.
En la actualidad, el coste de las baterías de flujo totalmente de vanadio es de 3500-4500 RMB/kWh, y el coste del electrolito representa 60%-70% del coste total de las baterías de flujo, que se ve muy afectado por el precio del vanadio, lo que limita su aplicación. Por tanto, explorar baterías de flujo de bajo coste es una vía necesaria para avanzar en el desarrollo de esta tecnología.
Los profesionales propusieron en 2018 que los electrolitos basados en hierro son baratos y fáciles de ganar y perder electrones, lo que supone una tecnología alternativa para los electrolitos de las baterías de flujo redox de vanadio.
Este artículo trata principalmente de la historia del desarrollo de batería de flujo de hierroEn este artículo se analizan y resumen las ventajas y características de la batería de flujo de hierro. Este artículo analiza y resume las ventajas y características de la batería de flujo de hierro, se centra en su aplicación, y espera su futura dirección de desarrollo.
Comparación del rendimiento de la batería de flujo de hierro
| Baterías de flujo | Densidad de corriente | Eficacia coulómbica | Eficacia de la tensión |
|---|---|---|---|
| unidad | (mA cm-²) | % | % |
| Todo vanadio | 40 / 80 | 95.3 / 97.3 | 93.7 / 87.8 |
| Cromo hierro | 40 / 80 | 90.5 / 94.6 | 93.3 / 87.0 |
| Zinc hierro | 40 / 80 | 97.8 / 99.9 | 88.7 / 76.0 |
| Hierro vanadio | 40 / 80 | 85.0 / 92.3 | 85.0 / 71.0 |
| Hierro titanio | 20 | - | - |
| Todo hierro | 40 / 60 | 93.0 / - | 78.0 / - |
| Baterías de flujo | Eficiencia energética | Tasa de desvanecimiento de la capacidad | Coste |
|---|---|---|---|
| unidad | % | % | (USD-kWh-¹) |
| Todo vanadio | 89.4 / 85.4 | 0.30 / - | 447 |
| Cromo hierro | 84.4 / 82.2 | 1.20 / - | 194 |
| Zinc hierro | 86.7 /74.0 | 0.13 / - | 100 |
| Hierro vanadio | 70.0 / 65.0 | 0.16 / - | - |
| Hierro titanio | 44.0-50.0 | - | - |
| Todo hierro | 73.0 / 11.0-44.0 | - | - |
Como puede verse en la tabla anterior, la pila de flujo de hierro tiene evidentes ventajas de coste. La eficiencia energética de la pila de flujo de hierro-cromo y de la pila de flujo de zinc-hierro es la más parecida a la de la pila de flujo de vanadio, pero la tasa de disminución de la capacidad de la pila de flujo de hierro-cromo es mayor, y la eficiencia energética de la pila de flujo de zinc-hierro disminuye considerablemente a alta densidad de corriente.
El rendimiento de las baterías de flujo de hierro-vanadio, hierro-titanio y totalmente de hierro es muy inferior al de las baterías de flujo redox totalmente de vanadio.
Tipos de batería de flujo de hierro
Batería de flujo de hierro y cromo
En la década de 1970, se llevó a cabo la investigación sobre la batería de flujo de hierro-cromo, que es el primer sistema de batería de flujo y la batería de flujo de hierro más investigada y demostrada.
La pila utiliza Fe2+/Fe3+ como cátodo y Cr3+/Cr2+ como ánodo. Su ventaja es que el coste del material activo es bajo, pero la lenta cinética de reacción electroquímica del ánodo y la reacción secundaria de evolución del hidrógeno afectan a su rendimiento.
En el caso de las baterías de flujo de hierro-cromo, la investigación sobre materiales clave como electrodos y electrolitos debe centrarse en resolver los problemas de la lenta cinética de reacción y la evolución del hidrógeno en el ánodo, con el fin de mejorar el rendimiento de las baterías de flujo. Además, para cumplir los requisitos de aplicación del almacenamiento de energía a gran escala, debe promoverse la investigación sobre el diseño de pilas y la integración de sistemas de baterías de flujo de hierro-cromo.
Pila de flujo de zinc-hierro
En 1979, los investigadores propusieron una pila alcalina de zinc hierro de flujo con Fe(CN)63-/Fe(CN)64-, Zn2+/Zn como pares de electrodos, y la eficiencia energética alcanzó los 74%.
Sin embargo, el ánodo de zinc de este sistema es propenso a generar dendritas irregulares de zinc, que crecen continuamente durante el ciclo y acaban perforando la membrana de la pila, provocando un cortocircuito de la misma, lo que afecta gravemente a la duración del ciclo y a la fiabilidad de la pila.
En respuesta a los problemas anteriores, los investigadores se centraron en el estudio de separadores con carga negativa. Comparada con la pila de flujo totalmente de vanadio, la pila de flujo de zinc-hierro tiene evidentes ventajas de coste, y la pila tiene potencial para su aplicación industrial.
Batería de flujo de hierro-titanio
Además de las baterías de flujo de hierro-cromo, los expertos también han debatido sobre sistemas de baterías de flujo de hierro-titanio de bajo coste con Fe2+/Fe3+ como cátodo y Ti3+/Ti2+ como ánodo.
Las baterías de flujo de hierro-titanio están limitadas por la cinética de reacción electroquímica más lenta del ánodo y la menor eficiencia energética, que no presenta ventajas en comparación con otros sistemas de baterías de flujo. Por ello, la investigación sobre las baterías de flujo de hierro-titanio se concentró sobre todo en la década de 1980, y después hubo pocos informes relacionados.
Pila de flujo de hierro-vanadio
Para combinar las ventajas de pila de flujo redox de vanadio y las baterías de flujo de hierro-cromo, el Pacific Northwest National Laboratory de Estados Unidos propuso una batería de flujo con V2+/V3+ como ánodo y Fe2+/Fe3+ como cátodo. En comparación con las baterías de flujo de Fe-Cr, el V3+/V2+ del ánodo es más activo electroquímicamente que el Cr3+/Cr2+, lo que evita el uso de costosos catalizadores.
En comparación con las baterías de flujo redox totalmente de vanadio, el electrolito del cátodo evita el uso de V5+ altamente oxidativo, y la costosa membrana de Nafion puede sustituirse por una membrana de intercambio iónico basada en hidrocarburos, lo que reduce significativamente el coste del sistema de batería de flujo.
El desarrollo de la batería de flujo redox hierro-vanadio pretende combinar las ventajas de la batería de flujo redox totalmente de vanadio y la batería de flujo redox hierro-cromo. Sin embargo, como el ánodo utiliza vanadio como material activo, su coste sigue estando limitado por el precio del vanadio, y no se ha resuelto el problema de la contaminación cruzada del electrolito. Por lo tanto, no hay muchos estudios sobre las baterías de flujo redox de hierro-vanadio en los últimos años.
Batería de flujo de hierro
La batería de flujo totalmente de hierro se propuso en 1981. Sus materiales activos catódicos y anódicos son compuestos que contienen hierro de diferentes estados de valencia, lo que resuelve el problema de la interconexión de electrolitos. En los últimos años, la batería de flujo totalmente de hierro ha atraído gran atención de los investigadores debido a sus ventajas de coste, centrándose en las siguientes cuestiones:
- Dado que el hierro sólido participa en la reacción del electrodo, la energía y la potencia no están completamente separadas;
- La deposición de hierro en el ánodo conduce a la formación de dendritas;
- El potencial del ánodo es inferior al potencial del electrodo estándar, lo que da lugar a la reacción secundaria de evolución del hidrógeno.
Ante las necesidades de desarrollo del campo del almacenamiento de energía a gran escala y el elevado coste de la batería de flujo de redox de vanadio tradicional, el desarrollo de la batería de flujo de hierro ofrece una opción más económica para el almacenamiento de energía a gran escala.
Conclusión
Desde la batería de flujo de hierro-cromo original hasta el desarrollo continuo de la batería de flujo totalmente de hierro, la batería de flujo de hierro ha atraído cada vez más la atención de los investigadores. Numerosos sitios empresas de baterías de flujo del mundo han llevado a cabo aplicaciones de demostración de baterías de flujo de hierro-cromo y batería de flujo de zinc-hierro, y todas las baterías de flujo de hierro son una de las direcciones de desarrollo más importantes en el futuro.
En el periodo de rápido desarrollo de la batería de flujo de hierro, sigue siendo necesario seguir reforzando la investigación y el desarrollo de materiales clave, mejorar la cinética de las reacciones del electrodo y resolver el problema de la evolución del hidrógeno en el ánodo. Explorar nuevas parejas de complejos de hierro para mejorar el rendimiento de las baterías de flujo de hierro, y promover continuamente la aplicación industrial de la batería de flujo de hierro de alta potencia.
