Batterie à flux redox au vanadium ou batterie au lithium-ion - avantages et inconvénients

Qu'est-ce qu'une batterie à flux redox au vanadium ?

La batterie à flux redox au vanadium est l'une des meilleures piles rechargeables qui utilise les différentes énergies potentielles chimiques des ions vanadium dans différents états d'oxydation pour conserver l'énergie. Il présente les avantages d'une grande efficacité de charge et de décharge, la capacité peut être augmentée avec l'augmentation du réservoir de stockage de liquide, et l'électrolyte peut être recyclé.

Il peut être utilisé comme dispositif de stockage d'énergie pour les énergies propres telles que l'énergie hydraulique, l'énergie éolienne et l'énergie solaire, et peut être utilisé pour lisser la charge du réseau électrique, afin d'assurer le bon fonctionnement du réseau électrique. Les batteries de stockage d'énergie à écoulement de vanadium sont donc extrêmement adaptées aux dispositifs de stockage d'énergie à grande échelle.

Avantages et inconvénients de la batterie à flux redox au vanadium

La batterie à flux de vanadium est un nouveau type de batterie de stockage d'énergie, qui présente les avantages d'une longue durée de vie, d'une grande efficacité de conversion de l'énergie, d'une conception flexible et d'un stockage d'énergie important. Elle présente également une décharge profonde, un faible coût d'entretien et une gestion thermique efficace et pratique.

À l'heure actuelle, la densité énergétique des batteries à flux redox au vanadium est inférieure à 50 Wh/kg, ce qui représente un écart important par rapport à la densité énergétique de 160 Wh/kg du phosphate de fer lithié, couplé au système de flux, de sorte que le volume des batteries à flux de vanadium est beaucoup plus important que celui des autres batteries, souvent stockées dans des conteneurs ou même dans des bâtiments, et ne peut pas être facilement déplacé.

Dans le même temps, la batterie à flux redox au vanadium a également besoin d'un environnement à température plus modérée, et la température de fonctionnement de 5-40° ne peut pas être appliquée à de nombreux scénarios.

Différences entre les batteries à flux redox au vanadium et les batteries au lithium-ion

Les différences entre les batteries à oxyde de vanadium et les batteries lithium-ion sont résumées ci-dessous en ce qui concerne la structure, le principe de fonctionnement, la sécurité, la durée de vie et les coûts.

Batterie à flux redox au vanadium et batterie lithium-ion - structure

La pile au lithium se compose d'une électrode positive, d'une électrode négative, d'un électrolyte et d'un diaphragme. Le matériau de l'électrode positive est généralement de l'acide de lithium-cobalt, de l'acide de lithium-nickel-cobalt-manganèse, du phosphate de fer-lithium et d'autres composés, et le matériau de l'électrode négative est généralement du graphite ou de l'acide de lithium-titane.

L'électrolyte est un mélange de sel de lithium et de solvant organique, qui joue principalement le rôle de conducteur et de transporteur d'ions. Le diaphragme est utilisé pour isoler les électrodes positives et négatives, éviter les courts-circuits et limiter les taux de transport d'ions. La morphologie est divisée en batteries polymères à emballage flexible et en batteries lithium-ion liquides à enveloppe en acier.

Le schéma de la structure est le suivant. La structure de la batterie à flux redox au vanadium est divisée en deux types : statique et dynamique, et la solution dans la batterie statique au vanadium est statique.

La structure de la batterie dynamique au vanadium est fondamentalement la même que celle de la batterie statique au vanadium, si ce n'est qu'un réservoir de stockage de liquide et une pompe de circulation d'électrolyte sont ajoutés aux bornes positives et négatives.

Contrairement aux piles au lithium, l'électrolyte de la pile à flux et la pile sont séparés, car les ions de l'électrolyte de la pile à flux au vanadium existent dans une solution aqueuse, il n'y aura pas d'emballement thermique, de surchauffe, de combustion et d'explosion.

En même temps, les batteries au vanadium supportent des charges et des décharges fréquentes, elles peuvent être chargées et déchargées des centaines de fois par jour, et l'électrolyte liquide fait que la surcharge et la décharge excessive ne provoquent pas d'explosion.

Batterie à flux redox au vanadium et batterie au lithium-ion - principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion peut se résumer à la navette des ions lithium entre les électrodes positives et négatives et au processus de charge et de décharge.

Lors de la charge, les ions lithium sortent du réseau du matériau de l'électrode positive, atteignent le matériau de l'électrode négative à travers l'électrolyte et s'incrustent dans son réseau. Lors de la décharge, c'est l'ion lithium dans le matériau de l'électrode négative après l'enlèvement, à travers l'électrolyte, qui réintègre le matériau de l'électrode positive. Ce processus réversible d'enrobage et d'enlèvement constitue le processus de charge et de décharge des batteries au lithium-ion.

La batterie à flux redox au vanadium est la seule batterie avec une seule substance active dans la batterie à flux, qui utilise le changement de valence de l'ion vanadium pour réaliser la conversion entre l'énergie électrique et l'énergie chimique.

La substance active de la batterie à flux de vanadium est une solution d'ions de vanadium de différents états de valence, l'électrode positive VO2+/VO2+, l'électrode négative V2+/V3+, l'électrode positive et l'électrode négative sont séparées par une membrane d'échange d'ions.

L'électrolyte est stocké dans deux réservoirs de stockage d'électrolyte, qui peuvent être augmentés ou remplacés en fonction des besoins, et l'électrolyte est pompé dans la batterie lorsqu'elle fonctionne. L'électrolyte s'écoule pendant la charge et la décharge de la batterie.

Batterie à flux redox au vanadium et batterie lithium-ion - sécurité

La plus grande différence entre la batterie à flux redox au vanadium et la batterie lithium-ion est la sécurité. En termes de propriétés élémentaires, le vanadium est moins actif et plus sûr que le lithium. Du point de vue du principe de fonctionnement, l'électrolyte de la batterie à flux de vanadium est séparé de la phase du réacteur, c'est-à-dire que le site de réaction et le site de stockage de la substance active sont séparés, et l'emballement thermique, la surchauffe, la combustion et l'explosion ne se produiront pas.

Sécurité des batteries au lithium-ion :
À l'heure actuelle, le problème de l'emballement thermique des batteries lithium-ion est devenu un facteur majeur affectant la promotion des batteries lithium-ion et des véhicules électriques.

Le problème de sécurité des batteries lithium-ion n'est pas seulement lié à la conception de la dissipation thermique de la batterie elle-même, mais il est également étroitement lié à la nature du matériau utilisé dans la batterie, et le taux de dissipation de la chaleur à l'intérieur de la batterie est inférieur au taux de production de chaleur dans certaines conditions, ce qui entraîne une accumulation de chaleur.

À l'heure actuelle, les études pertinentes estiment que l'emballement thermique des piles au lithium peut être dû à la surcharge des piles, à la charge rapide externe, à la collision par extrusion et à d'autres cas de fissuration externe.

En conséquence, les réactions chimiques entre l'électrolyte de la batterie et le matériau de l'électrode négative s'inspirent continuellement, ou le court-circuit à l'intérieur de la batterie provoque une grande quantité de chaleur à l'intérieur, ce qui entraîne un échauffement incontrôlable de la batterie et génère un risque de brûlure et d'explosion.

Ce risque d'explosion est indissociable des caractéristiques de nombreux matériaux et structures des batteries lithium-ion.

① Tout d'abord, l'électrolyte de la batterie lithium-ion est principalement constitué de graisse organique combustible à bas point de fusion, cet électrolyte organique est inflammable à haute température, en cas de dégagement excessif de chaleur ou d'emballement de la gestion thermique du système de batterie lithium-ion, ce qui équivaut à une cause importante de l'accident d'explosion de la batterie.

Dans des conditions de stockage à haute température, il peut également produire des gaz anormaux, ce qui provoque le phénomène suivant batterie gonflée.

② Deuxièmement, les pôles négatifs du lithium-ion les plus utilisés sont des électrodes en graphite. La spécialité inflammable du graphite rend le problème de sécurité des batteries lithium-ion de plus en plus important et doit être strictement contrôlé.

③ En outre, dans le système actuel de batterie au lithium, la croissance des dendrites de lithium est inévitable, et l'on ne peut qu'essayer de ralentir cette croissance. Mais lorsque les dendrites de lithium se développent suffisamment pour percer le diaphragme, elles provoquent la gestion thermique du court-circuit positif et négatif causé par la perte de contrôle, ainsi que la réaction de l'anode métallique au lithium qui dégage de la chaleur, accompagnée d'un plus grand risque d'explosion.

Sécurité de la batterie à flux redox au vanadium :
Contrairement aux batteries au lithium, les batteries à flux présentent une excellente sécurité, et le milieu de stockage de l'énergie des batteries à flux est une solution aqueuse, qui est plus sûre et plus fiable, sans risque d'explosion ou d'incendie, et la batterie à flux présente une bonne uniformité.

Si l'on prend comme exemple la batterie à flux de vanadium appliquée avec succès à l'heure actuelle, le système utilise les changements réversibles entre les différents ions de valence du vanadium pour charger et décharger la batterie, et atteint ainsi l'objectif de conversion mutuelle de l'énergie chimique et de l'énergie électrique.

Les ions vanadium de la batterie à flux redox au vanadium sont stockés dans une solution aqueuse, et l'électrolyte est une solution aqueuse d'acide sulfurique dilué et de vanadium, ce qui est complètement différent du solvant organique inflammable à bas point de fusion utilisé dans les batteries au lithium-ion.

Grâce à cette caractéristique, la batterie à flux redox au vanadium réduit considérablement le risque de surchauffe et d'explosion par rapport aux batteries lithium-ion. On dit que tant qu'elle est correctement gérée, il n'y a pratiquement aucun risque d'explosion dans une batterie à flux d'oxyde de vanadium.

Batterie à flux redox au vanadium contre batterie lithium-ion - durée de vie du cycle

Les cycles de charge et de décharge de la batterie à flux d'oxyde de vanadium sont de plus de 10 000 fois, et certains peuvent même atteindre plus de 20 000 fois. Le coût de la solution d'électrolyte au vanadium représente 40% du coût total du système de stockage d'énergie, et la valeur résiduelle après la mise au rebut du système de stockage d'énergie est élevée.

Du point de vue du cycle de vie complet, la durée de vie des piles au lithium dans le fonctionnement réel des projets de stockage d'énergie peut être inférieure à huit ans, alors que la durée de vie des piles à oxyde de vanadium peut atteindre 20 ans ou plus. Le coût d'un cycle unique est inférieur à celui de la technologie de stockage de l'énergie des batteries au lithium, de sorte que les batteries au vanadium sont très compétitives en ce qui concerne la durée de vie du cycle de stockage de l'énergie à long terme.

Batterie à flux redox au vanadium contre batterie lithium-ion - coût

Le facteur qui limite le développement des batteries à flux de vanadium est leur coût trop élevé, en particulier lorsque la station de stockage d'énergie peut utiliser les batteries d'occasion des véhicules électriques, ce qui amplifie les inconvénients liés au coût élevé des batteries à flux de vanadium et d'oxydoréduction.

Selon les statistiques, le coût actuel des batteries à flux de vanadium est d'environ 3-3,2 RMB /Wh, comparé au coût moyen des batteries au lithium qui n'est que de 1,2-1,5 RMB /Wh, soit environ 40% de la batterie à flux de vanadium redox.

Perspectives de la batterie à flux redox au vanadium

La Chine est riche en ressources en vanadium et il est possible d'utiliser des batteries au vanadium pour remplacer les batteries au lithium dans certains domaines, mais la densité énergétique des batteries au vanadium n'est pas aussi bonne que celle des batteries au lithium et elles occupent une grande surface, ce qui les rend uniquement adaptées aux projets de stockage d'énergie à grande échelle.

Le stockage électrochimique de l'énergie comprend principalement une variété de batteries secondaires, de batteries plomb-acide/plomb-carbone, de batteries lithium-ion, de batteries sodium-soufre et de batteries à flux, etc., tandis que les batteries au lithium restent le courant dominant, représentant environ 90%. Cependant, seulement 1% de batteries à flux présentent également une opportunité de marché pour aller vers un espace plus large.

Selon McKinsey, le stockage d'énergie à long terme peut commencer à être déployé à grande échelle à partir de 2025 (30GW à 40GW ou 1TWh), d'ici 2040, le déploiement mondial de la capacité installée de stockage d'énergie à long terme devrait atteindre 1,5-2,5TW, soit le déploiement de 85-140TWh de capacité de stockage d'énergie.

La capacité installée des batteries à flux redox au vanadium dans le monde devrait atteindre 32,8 GWh en 2031, et la capacité installée des batteries à flux redox au vanadium en Chine devrait atteindre 24 GW en 2030.