Introduction aux types de batteries d'accumulateurs de flux de fer et à leur comparaison
Batterie de débit a les avantages d'une longue durée de vie, d'une bonne sécurité et d'un contrôle indépendant de l'énergie et de la puissance. Elles ont un grand potentiel dans le domaine du stockage de l'énergie à grande échelle. Parmi elles, les batteries à flux tout vanadium sont celles qui ont été le plus étudiées.
Actuellement, le coût des batteries à flux tout vanadium est de 3500-4500 RMB/kWh, et le coût de l'électrolyte représente 60%-70% du coût total des batteries à flux, ce qui est fortement influencé par le prix du vanadium, ce qui limite son application. Par conséquent, l'exploration de batteries à flux à faible coût est un moyen nécessaire pour faire progresser le développement de cette technologie.
Les professionnels ont proposé en 2018 que les électrolytes à base de fer soient bon marché et faciles à gagner et à perdre des électrons, ce qui constitue une technologie alternative pour les électrolytes des batteries à flux redox au vanadium.
Cet article traite principalement de l'histoire du développement de la batterie à flux de ferLe présent article analyse et résume les avantages et les caractéristiques de la batterie à flux de fer, se concentre sur son application et envisage l'orientation de son développement futur. Cet article analyse et résume les avantages et les caractéristiques de la batterie à flux de fer, se concentre sur son application et envisage son développement futur.
Comparaison des performances des batteries à flux de fer
| Batteries d'écoulement | Densité de courant | Efficacité coulombienne | Efficacité de la tension |
|---|---|---|---|
| unité | (mA cm-²) | % | % |
| Tout vanadium | 40 / 80 | 95.3 / 97.3 | 93.7 / 87.8 |
| Fer chrome | 40 / 80 | 90.5 / 94.6 | 93.3 / 87.0 |
| Zinc fer | 40 / 80 | 97.8 / 99.9 | 88.7 / 76.0 |
| Fer vanadium | 40 / 80 | 85.0 / 92.3 | 85.0 / 71.0 |
| Fer titane | 20 | - | - |
| Tout le fer | 40 / 60 | 93.0 / - | 78.0 / - |
| Batteries d'écoulement | Efficacité énergétique | Capacité taux d'évanouissement | Coût |
|---|---|---|---|
| unité | % | % | (USD-kWh-¹) |
| Tout vanadium | 89.4 / 85.4 | 0.30 / - | 447 |
| Fer chrome | 84.4 / 82.2 | 1.20 / - | 194 |
| Zinc fer | 86.7 /74.0 | 0.13 / - | 100 |
| Fer vanadium | 70.0 / 65.0 | 0.16 / - | - |
| Fer titane | 44.0-50.0 | - | - |
| Tout le fer | 73.0 / 11.0-44.0 | - | - |
Comme le montre le tableau ci-dessus, la batterie à flux de fer présente des avantages évidents en termes de coûts. L'efficacité énergétique de la batterie à flux fer-chrome et de la batterie à flux zinc-fer est la plus proche de celle de la batterie à flux tout vanadium, mais le taux de décroissance de la capacité de la batterie à flux fer-chrome est plus élevé, et l'efficacité énergétique de la batterie à flux zinc-fer chute de manière significative à une densité de courant élevée.
Les performances des batteries à flux fer-vanadium, fer-titane et tout fer sont bien inférieures à celles des batteries à flux redox tout vanadium.
Types de batteries à flux de fer
Batterie à flux de chrome de fer
Dans les années 1970, des recherches ont été menées sur les batteries d'écoulement fer-chrome, qui constituent le premier système de batterie d'écoulement et la batterie d'écoulement ferreuse la plus étudiée et la plus démontrée.
La batterie utilise Fe2+/Fe3+ comme cathode et Cr3+/Cr2+ comme anode. Son avantage est que le coût de la matière active est faible, mais la cinétique lente de la réaction électrochimique de l'anode et la réaction secondaire de l'évolution de l'hydrogène affectent ses performances.
Pour les batteries à flux fer-chrome, la recherche sur les matériaux clés tels que les électrodes et les électrolytes devrait se concentrer sur la résolution des problèmes de cinétique de réaction lente et d'évolution de l'hydrogène à l'anode, afin d'améliorer les performances des batteries à flux. En outre, pour répondre aux exigences d'application du stockage d'énergie à grande échelle, la recherche sur la conception de la pile et l'intégration du système de la batterie à flux fer-chrome devrait être encouragée.
Batterie à flux de zinc et de fer
En 1979, des chercheurs ont proposé une batterie alcaline zinc-fer avec Fe(CN)63-/Fe(CN)64-, Zn2+/Zn comme paires d'électrodes, et l'efficacité énergétique a atteint 74%.
Cependant, l'anode de zinc de ce système est susceptible de générer des dendrites de zinc irrégulières, qui se développent continuellement au cours du cycle et finissent par percer la membrane de la batterie, provoquant un court-circuit de la batterie, ce qui affecte sérieusement la durée du cycle et la fiabilité de la batterie.
En réponse à ces problèmes, les chercheurs se sont concentrés sur l'étude des séparateurs à charge négative. Comparée à la batterie à flux entièrement au vanadium, la batterie à flux zinc-fer présente des avantages évidents en termes de coûts, et la batterie a un potentiel d'application industrielle.
Batterie d'écoulement fer-titane
Outre les batteries à flux fer-chrome, les experts ont également discuté de systèmes de batteries à flux fer-titane à faible coût avec Fe2+/Fe3+ comme cathode et Ti3+/Ti2+ comme anode.
Les batteries à flux fer-titane sont limitées par la cinétique de réaction électrochimique plus lente de l'anode et par un rendement énergétique plus faible, qui ne présente pas d'avantages par rapport à d'autres systèmes de batteries à flux. Par conséquent, la recherche sur les batteries à flux fer-titane s'est surtout concentrée sur les années 1980, et il y a eu peu de rapports sur le sujet par la suite.
Batterie à flux de fer et de vanadium
Afin de combiner les avantages de la batterie à flux redox au vanadium et les piles à flux fer-chrome, le Pacific Northwest National Laboratory des États-Unis a proposé une pile à flux avec V2+/V3+ comme anode et Fe2+/Fe3+ comme cathode. Par rapport aux batteries à flux Fe-Cr, le V3+/V2+ de l'anode est plus électrochimiquement actif que le Cr3+/Cr2+, ce qui évite l'utilisation de catalyseurs coûteux.
Par rapport aux batteries à flux redox au vanadium, l'électrolyte de la cathode évite l'utilisation du V5+ hautement oxydant, et la membrane Nafion coûteuse peut être remplacée par une membrane d'échange d'ions à base d'hydrocarbures, ce qui réduit considérablement le coût du système de batterie à flux.
Le développement de la batterie à flux redox fer-vanadium vise à combiner les avantages de la batterie à flux redox tout vanadium et de la batterie à flux redox fer-chrome. Cependant, comme l'anode utilise le vanadium comme matière active, son coût est toujours limité par le prix du vanadium, et le problème de la contamination croisée de l'électrolyte n'a pas été résolu. Par conséquent, il n'y a pas eu beaucoup d'études sur les batteries à flux redox fer-vanadium au cours des dernières années.
Batterie à flux de fer
La batterie à flux de fer a été proposée en 1981. Les matériaux actifs de la cathode et de l'anode sont des composés contenant du fer à différents états de valence, ce qui résout le problème de l'interconnexion des électrolytes. Ces dernières années, les batteries à flux de fer ont attiré l'attention des chercheurs en raison de leurs avantages en termes de coûts, en se concentrant sur les questions suivantes :
- Comme le fer solide participe à la réaction de l'électrode, l'énergie et la puissance ne sont pas complètement séparées ;
- Le dépôt de fer sur l'anode entraîne la formation de dendrites ;
- Le potentiel de l'anode est inférieur au potentiel de l'électrode standard, ce qui entraîne une réaction secondaire de dégagement d'hydrogène.
Face aux besoins de développement du secteur du stockage de l'énergie à grande échelle et au coût élevé de la batterie traditionnelle à oxydoréduction au vanadium, le développement de la batterie à flux de fer offre un choix plus économique pour le stockage de l'énergie à grande échelle.
Conclusion
De la batterie d'origine à base de fer et de chrome au développement continu de la batterie à base de fer, la batterie à base de fer a attiré de plus en plus d'attention de la part des chercheurs. De nombreux entreprises de batteries de flux dans le monde ont réalisé des applications de démonstration de batteries à flux de fer et de chrome et de batteries à flux de zinc et de fer, et toutes les batteries à flux de fer constituent l'un des axes de développement les plus importants pour l'avenir.
Dans la période de développement rapide des batteries à flux de fer, il est encore nécessaire de renforcer la recherche et le développement de matériaux clés, d'améliorer la cinétique des réactions de l'électrode et de résoudre le problème de l'évolution de l'hydrogène à l'anode. Explorer de nouveaux couples complexes de fer pour améliorer les performances des batteries à flux de fer et promouvoir continuellement l'application industrielle des batteries à flux de fer à haute puissance.
