Batería de flujo de vanadio redox frente a batería de iones de litio: pros y contras

¿Qué es una pila de flujo de vanadio redox?

La batería de flujo redox de vanadio es una de las las mejores pilas recargables que utiliza la diferente energía potencial química de los iones de vanadio en diferentes estados de oxidación para conservar la energía. Tiene las ventajas de una alta eficiencia de carga y descarga, la capacidad puede aumentar con el aumento del tanque de almacenamiento de líquido, y el electrolito puede ser reciclado.

Puede utilizarse como dispositivo de almacenamiento de energía para energías limpias como la hidráulica, la eólica y la solar, y para suavizar la carga de la red eléctrica, a fin de garantizar el funcionamiento ordenado de ésta. Las baterías de almacenamiento de energía de flujo de vanadio son, por tanto, muy adecuadas para dispositivos de almacenamiento de energía a gran escala.

Ventajas e inconvenientes de la pila de flujo de vanadio redox

La batería de flujo de vanadio es un nuevo tipo de batería de almacenamiento de energía, que tiene las ventajas de larga vida útil, alta eficiencia de conversión de energía, diseño flexible y gran almacenamiento de energía, y tiene descarga profunda, bajo coste de mantenimiento, gestión térmica eficiente y conveniente.

En la actualidad, la densidad energética de la batería de flujo de redox de vanadio es inferior a 50 Wh/kg, lo que supone una gran diferencia con la densidad energética del fosfato de hierro y litio de 160 Wh/kg, unida al sistema de flujo, por lo que el volumen de las baterías de flujo de vanadio es mucho mayor que el de otras baterías, a menudo almacenadas en contenedores o incluso edificios, y no pueden trasladarse fácilmente.

Al mismo tiempo, la batería de flujo de redox de vanadio también necesita un entorno de temperatura más moderada, y la temperatura de funcionamiento de 5-40° no puede aplicarse a muchos escenarios.

Diferencias entre la pila de flujo de redox de vanadio y la pila de iones de litio

A continuación se resumen las diferencias entre la batería de flujo de vanadio redox y la batería de iones de litio desde el punto de vista de la estructura, el principio de funcionamiento, la seguridad, la vida útil y los costes.

Batería de flujo de vanadio redox frente a batería de iones de litio - estructura

La batería de litio consta de un electrodo positivo, un electrodo negativo, un electrolito y un diafragma. El material del electrodo positivo suele ser ácido de litio-cobalto, ácido de litio-níquel-cobalto-manganeso, fosfato de litio-hierro y otros compuestos, y el material del electrodo negativo suele ser grafito o ácido de litio-titanio.

El electrolito es una mezcla de sal de litio y disolvente orgánico, que desempeña principalmente la función de conducción y transporte de iones. El diafragma sirve para aislar los electrodos positivo y negativo, evitar cortocircuitos y limitar la velocidad de transporte de iones. La morfología se divide en baterías de polímero de envasado flexible y envasado de cáscara de acero de las baterías de iones de litio líquido.

La batería de flujo redox de vanadio se compone principalmente de electrolito, electrodo, membrana de intercambio selectivo de protones, placa bipolar y colector de fluido. El diagrama de la estructura es el siguiente. La estructura de la pila de flujo redox de vanadio se divide en dos tipos: estática y dinámica, y la solución en la pila de vanadio estática es estática.

La estructura de la pila dinámica de vanadio es básicamente la misma que la de la pila estática de vanadio, con la salvedad de que se añaden un depósito de almacenamiento de líquido y una bomba de circulación de electrolito en los terminales positivo y negativo.

A diferencia de las pilas de litio, el electrolito de la pila de flujo y la pila están separados, ya que los iones del electrolito de la pila de flujo de vanadio existen en una solución acuosa, no habrá desbocamiento térmico, combustión por sobrecalentamiento ni explosión.

Al mismo tiempo, las baterías de vanadio admiten cargas y descargas frecuentes, que pueden cargarse y descargarse cientos de veces al día, y el electrolito líquido hace que la sobrecarga y la sobredescarga no provoquen una explosión.

Batería de flujo de vanadio redox frente a batería de iones de litio - principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento de las baterías de iones de litio puede resumirse como el transporte de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo y el proceso de carga y descarga de incrustación y descarga.

Durante la carga, los iones de litio salen del entramado del material del electrodo positivo, llegan al material del electrodo negativo a través del electrolito y se incrustan en su entramado. En la descarga, es el ion de litio en el material de electrodo negativo después de la eliminación, a través del electrolito re-incrustación del material de electrodo positivo, este proceso reversible de incrustación y eliminación constituye el proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio.

La pila de flujo redox de vanadio es la única con una única sustancia activa en la pila de flujo, que utiliza el cambio de valencia del ion vanadio para realizar la conversión entre energía eléctrica y energía química.

La sustancia activa de la batería de flujo de vanadio es una solución de iones de vanadio de diferentes estados de valencia, electrodo positivo VO2+/VO2+, electrodo negativo V2+/V3+, el electrodo positivo y el electrodo negativo están separados por intercambio de membrana iónica.

El electrolito se almacena en dos depósitos de almacenamiento de electrolito, que pueden aumentarse o sustituirse según las necesidades, y el electrolito se bombea a la batería cuando está en funcionamiento. El electrolito fluye durante la carga y descarga de la batería.

Batería de flujo de vanadio redox frente a batería de iones de litio - seguridad

La mayor diferencia entre la pila de flujo redox de vanadio y la de iones de litio es la seguridad. En términos de propiedades elementales, el vanadio es menos activo y más seguro que el litio. Desde el punto de vista del principio de funcionamiento, el electrolito de la pila de flujo de vanadio está separado de la fase de reactor, es decir, el lugar de reacción y el lugar de almacenamiento de la sustancia activa están separados, y no se producirán embalamiento térmico, sobrecalentamiento, combustión ni explosión.

Seguridad de la batería de iones de litio:
En la actualidad, el problema del desbordamiento térmico de las baterías de iones de litio se ha convertido en un factor importante que afecta a la promoción de las baterías de iones de litio y los vehículos eléctricos.

El problema de seguridad de las baterías de iones de litio no sólo está relacionado con el diseño de disipación de calor de la propia batería, sino que también tiene una estrecha relación con la naturaleza del material utilizado en la batería, y la tasa de disipación de calor en el interior de la batería es inferior a la tasa de producción de calor en determinadas condiciones, lo que provoca una acumulación de calor.

En la actualidad, los estudios pertinentes creen que la posible razón de la fuga térmica de las baterías de litio es que las baterías de iones de litio en la sobrecarga de la batería, la carga rápida externa o colisión de extrusión y otros casos de agrietamiento externo.

Como resultado, las reacciones químicas entre el electrolito de la batería y el material del electrodo negativo continuamente inspirado, o el cortocircuito dentro de la batería provoca una gran cantidad de calor en el interior, lo que hace que la batería se caliente fuera de control, y luego generar el riesgo de incendio y explosión.

Este riesgo de explosión es inseparable de las características de muchos materiales y estructuras de las baterías de iones de litio.

① En primer lugar, el electrolito de la batería de iones de litio es en su mayoría grasa orgánica combustible de bajo punto de fusión, este electrolito orgánico es inflamable a altas temperaturas, en el caso de la liberación de calor excesivo o la gestión térmica fuera de control del sistema de batería de iones de litio, lo que equivale a una causa importante del accidente de explosión de la batería.

En condiciones de almacenamiento a alta temperatura, también puede producir gas anormal, causando el fenómeno de batería hinchada.

② En segundo lugar, los polos negativos de las baterías de iones de litio más utilizados son los electrodos de grafito. La especialidad inflamable del grafito también hace que el problema de seguridad de las baterías de iones de litio necesite cada vez más un control estricto.

③ Además, en el actual sistema de baterías de litio, el crecimiento de dendritas de litio es inevitable, sólo puede tratar de frenar su crecimiento. Pero cuando las dendritas de litio crecen lo suficiente como para perforar el diafragma, que hará que la gestión térmica del cortocircuito positivo y negativo causado por la pérdida de control, así como la reacción de la liberación de calor ánodo de litio de metal, acompañado de un mayor riesgo de explosión.

Seguridad de la pila de flujo de redox de vanadio:
A diferencia de las baterías de litio, las baterías de flujo tienen una seguridad excelente, y el medio de almacenamiento de energía de las baterías de flujo es una solución acuosa, que es más segura y fiable, sin riesgo de explosión o incendio, y la batería de flujo tiene una buena uniformidad.

Tomando como ejemplo la batería de flujo de vanadio aplicada con éxito en la actualidad, el sistema utiliza cambios reversibles entre diferentes iones de vanadio de valencia para lograr la carga y descarga de la batería, y luego logra el propósito de la conversión mutua de energía química y energía eléctrica.

Los iones de vanadio de la batería de flujo redox de vanadio se almacenan en una solución acuosa, y el electrolito es una solución acuosa de ácido sulfúrico diluido y vanadio, que es completamente diferente del disolvente orgánico inflamable de baja fusión utilizado en las baterías de iones de litio.

Esta característica hace que la batería de flujo de vanadio redox reduzca en gran medida el riesgo de sobrecalentamiento y de explosión en comparación con las baterías de iones de litio. Se dice que, siempre que se gestione adecuadamente, casi no hay riesgo de explosión en la batería de flujo redox de vanadio.

Batería de flujo de vanadio redox frente a batería de iones de litio - duración del ciclo

Los ciclos de carga y descarga de la batería de flujo redox de vanadio son superiores a 10.000 veces, y algunos pueden llegar incluso a más de 20.000 veces. Además, una vez agotada la vida útil de la batería, la solución electrolítica de vanadio puede reciclarse; el coste de la solución electrolítica de vanadio representa 40% del coste total del sistema de almacenamiento de energía, y el valor residual tras el desguace del sistema de almacenamiento de energía es elevado.

Desde la perspectiva del ciclo de vida completo, la vida útil de las baterías de litio en el funcionamiento real de los proyectos de almacenamiento de energía puede ser inferior a ocho años, pero la vida útil de la batería de flujo de redox de vanadio puede alcanzar los 20 años o más. El coste de un solo ciclo es inferior al de la tecnología de almacenamiento de energía de las baterías de litio, por lo que las baterías de vanadio tienen una buena competitividad en el ciclo de vida de almacenamiento de energía a largo plazo.

Batería de flujo de vanadio redox frente a batería de iones de litio - coste

El factor que restringe el desarrollo de las baterías de flujo de vanadio es que su coste es demasiado elevado, especialmente cuando la estación de almacenamiento de energía puede hacer uso de baterías de segunda mano de vehículos eléctricos, lo que magnifica los inconvenientes del elevado coste de las baterías de flujo de redox de vanadio.

Según las estadísticas, el coste actual de la batería de flujo de vanadio es de unos 3-3,2 RMB /Wh, comparado con el coste medio de las baterías de litio es de sólo 1,2-1,5 RMB /Wh, unos 40% de la batería de flujo de redox de vanadio.

Perspectivas de la pila de flujo de redox de vanadio

China es rica en recursos de vanadio, y es factible utilizar baterías de vanadio para sustituir a las de litio en algunas zonas, pero la densidad energética de la batería de vanadio no es tan buena como la de litio, y ocupa una gran superficie, por lo que sólo es adecuada para proyectos de almacenamiento de energía a gran escala.

El almacenamiento electroquímico de energía incluye principalmente una variedad de baterías secundarias, baterías de plomo-ácido/plomo-carbono, baterías de iones de litio, baterías de sodio-azufre y baterías de flujo, etc., mientras que las baterías de litio siguen siendo la corriente principal, representando alrededor de 90%. Sin embargo, sólo 1% de baterías de flujo también presentan una oportunidad de mercado para ir a un espacio más grande.

Según McKinsey, el almacenamiento de energía a largo plazo puede comenzar a desplegarse a gran escala a partir de 2025 (30GW a 40GW o 1TWh), para 2040, se espera que el despliegue mundial de capacidad instalada de almacenamiento de energía a largo plazo alcance 1,5-2,5TW, el despliegue de 85-140TWh de capacidad de almacenamiento de energía.

Se espera que la capacidad instalada de baterías de flujo de vanadio redox en el mundo alcance los 32,8 GWh en 2031, y que la capacidad instalada de baterías de flujo de vanadio redox en China alcance los 24 GW en 2030.