Tipos de pilas de flujo de zinc y perspectivas de su tecnología de almacenamiento de energía

El principio de la pila de flujo de zinc

Normalmente, el material activo del electrolito del ánodo de la pila de flujo de zinc es Zn 2+ (entorno neutro o ligeramente ácido) o Zn(OH)42- (entorno alcalino). Durante la carga, el Zn 2+ o Zn(OH) 42- del lado del ánodo obtiene electrones para formar zinc metálico, mientras que el material activo del lado del cátodo se oxida. El proceso de descarga es el contrario, el zinc del lado del ánodo se disuelve para formar Zn 2+ o Zn(OH)42-, mientras que el material activo del lado del cátodo se reduce.

Ventajas de las pilas de flujo de zinc

La mayoría de los electrolitos para pilas de flujo de zinc que utilizan la deposición y disolución de zinc metálico como par anódico tienen menor coste y mayor densidad energética. Al mismo tiempo, en el sistema de pilas de flujo de zinc, el ánodo de zinc es respetuoso con el medio ambiente y relativamente estable en el aire y en solución acuosa, y el electrolito del sistema de pilas es un electrolito acuoso, lo que garantiza la seguridad de la pila.

Por lo tanto, las pilas de flujo de zinc de bajo coste, alta seguridad y alta densidad energética tienen buenas perspectivas de aplicación en el campo del almacenamiento distribuido de energía.

Tipos de pila de zinc

Pila de flujo de zinc-bromo

El bromo tiene las ventajas de abundantes reservas, bajo coste, alto potencial de electrodo, alta solubilidad y alta densidad teórica de energía. La pila de flujo de zinc-bromo que utiliza ánodo de zinc para emparejarlo se ha convertido en una pila relativamente madura y está siendo reconocida gradualmente por el mercado. Otras pilas a base de zinc presentan diversos problemas y están menos maduras.

Los iones bromuro se oxidan en iones polibromuro durante la carga, principalmente triión bromuro y pentaión bromuro. El proceso de descarga es el contrario, y el proceso global de carga y descarga presenta una buena reversibilidad.

Pila de flujo de zinc-manganeso

Las pilas de zinc-manganeso habituales en el mercado utilizan la reacción de conversión en fase sólida del dióxido de manganeso en oxihidróxido de manganeso. Debido a su escasa reversibilidad, sólo pueden utilizarse como pilas primarias. Como pila secundaria, la pila de flujo de zinc-manganeso utiliza la reacción de deposición-disolución entre iones de manganeso divalentes solubles y dióxido de manganeso, y su reversibilidad será relativamente mejor.

El manganeso es barato y respetuoso con el medio ambiente. Los iones de manganeso divalentes y el dióxido de manganeso tienen un alto potencial de electrodo, y una pila de flujo ensamblada con un ánodo de zinc tiene un alto voltaje de circuito abierto y una densidad de energía teórica.

Pila de flujo de zinc-yodo

El sistema de pila de flujo de zinc-yodo se propuso por primera vez en 2014. En el electrodo positivo de yodo, el I- se oxida a I2 durante el proceso de carga. Debido a la coordinación del I-, el I2 se disolverá en forma de I3-. Evitando así su precipitación, la reacción de descarga tiene lugar a la inversa, y el I3- se reduce de nuevo a I-.

Tanto los materiales activos del cátodo como los del ánodo del sistema zinc-yodo tienen una alta solubilidad, por lo que presentan una alta densidad de energía teórica. Se espera que la buena cinética de pares del cátodo permita alcanzar una alta densidad de energía. En comparación con el sistema de zinc-bromo, su volatilidad, oxidación y corrosión son reducidas, los requisitos de materiales del sistema de pilas son menores y es más respetuoso con el medio ambiente.

Pila de flujo de zinc-hierro

En batería de flujo de hierroLos cátodos de hierro tienen buena actividad electroquímica y reversibilidad, y las sales de hierro son baratas, por lo que los investigadores las han combinado con ánodos de zinc para formar un sistema de pila de flujo zinc-hierro. Según la diferencia de pH del electrolito, la pila de flujo zinc-hierro puede dividirse aún más, y los pares activos que participan en la reacción electroquímica son diferentes en distintos entornos.

Pila de flujo de zinc-níquel

Los electrodos de níquel tienen las ventajas de un alto potencial de batería y un bajo coste, y su carga y descarga son reacciones en fase sólida-sólida. Por tanto, el sistema de batería de flujo de zinc-níquel puede utilizar un solo juego de bombas y tuberías, y no requiere costosas membranas de intercambio iónico, lo que reduce enormemente el coste del sistema de batería.

Perspectivas de desarrollo de la pila de flujo de zinc

Las pilas de flujo de zinc presentan las ventajas de un bajo coste del electrolito, una gran seguridad y un elevado potencial, y tienen buenas perspectivas de aplicación en el campo del almacenamiento distribuido de energía. Entre ellas, las pilas de flujo de zinc-bromo han alcanzado una relativa madurez. El ánodo de zinc de las pilas de flujo de zinc se enfrenta principalmente a los problemas de dendritas de zinc, exfoliación de zinc y capacidad superficial limitada.

Dendrita de zinc: Cuando se carga la pila, aumenta la polarización de la concentración en la superficie del electrodo, disminuye la concentración de iones cerca de la superficie del electrodo y es más probable que los iones reactivos se difundan a las protuberancias de la superficie del electrodo, lo que induce un mayor crecimiento de las dendritas de zinc. A medida que las dendritas siguen creciendo, acaban perforando el separador y provocan un cortocircuito en la pila.

Desprendimiento de zinc: Durante el proceso de descarga, el zinc metálico en estrecho contacto con los electrodos se disuelve preferentemente. En el caso de las dendritas, la punta de éstas perderá la conexión con los electrodos a medida que avance la reacción. Además, el zinc metálico depositado en la superficie del electrodo también se desprenderá de éste debido a la pérdida de conexión con el electrodo. Este zinc desprendido no podrá seguir utilizándose, lo que provocará una disminución del rendimiento de la pila.

Capacidad de superficie limitada: Las pilas de flujo de zinc utilizan principalmente fieltro de carbono poroso o electrodos planos como electrodos. A medida que avanza la carga, los iones de zincato o zinc se reducen continuamente a zinc metálico en el electrodo y, finalmente, se depositan en él. Una vez que la superficie del electrodo está completamente cubierta por zinc metálico, la electrodeposición ya no puede llevarse a cabo, lo que resulta en una capacidad areal limitada de la pila.

Al mismo tiempo, si se sigue cargando, se producirá un fuerte aumento de la tensión de carga de la batería, lo que dará lugar a una reacción irreversible de evolución del hidrógeno en la semicelda negativa.

Estos problemas son obstáculos que limitan la mejora del rendimiento de la pila de flujo de zinc en empresas de baterías de flujo del mundoAdemás, son problemas técnicos clave que deben resolverse en el proceso de realización de la aplicación práctica de la pila de flujo de zinc. Los principales problemas son las dendritas de zinc, el desprendimiento de zinc y la limitada capacidad superficial de los ánodos de zinc:

● Desde la perspectiva de la química de la solución electrolítica, se puede regular el proceso de deposición de zinc;
● Desde la perspectiva del diseño de la estructura del electrodo, se puede ajustar el sobrepotencial de deposición de zinc;
● Diseñado desde la perspectiva de la estructura del material de la membrana, puede inhibir el daño causado por el zinc metálico;
● La optimización desde la perspectiva de la estructura de la pila puede regular el espacio de interfaz entre la membrana y el electrodo, y mejorar la capacidad superficial de la pila de flujo de zinc.

Por último, romperá el cuello de botella de la pila de flujo de zinc y ayudará al desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía del lado del usuario.