Types de batteries à flux de zinc et perspectives de la technologie de stockage de l'énergie

Le principe de la batterie à flux de zinc

En général, la matière active de l'électrolyte de l'anode de la batterie à flux de zinc est Zn 2+ (environnement neutre ou légèrement acide) ou Zn(OH)42- (environnement alcalin). Pendant la charge, Zn 2+ ou Zn(OH) 42- du côté de l'anode reçoit des électrons pour former du zinc métallique, tandis que la matière active du côté de la cathode est oxydée. Le processus de décharge est inverse : le zinc du côté de l'anode se dissout pour former du Zn 2+ ou du Zn(OH)42-, tandis que le matériau actif du côté de la cathode est réduit.

Avantages des piles à flux de zinc

La plupart des électrolytes pour batterie à flux de zinc utilisant le dépôt et la dissolution de zinc métallique comme paire anodique ont un coût plus faible et une densité énergétique plus élevée. En même temps, dans le système de batterie à flux de zinc, l'anode de zinc est respectueuse de l'environnement et relativement stable dans l'air et en solution aqueuse, et l'électrolyte dans le système de batterie est un électrolyte aqueux, ce qui garantit la sécurité de la batterie.

Par conséquent, les batteries à flux de zinc, qui présentent un faible coût, une grande sécurité et une forte densité énergétique, ont de bonnes perspectives d'application dans le domaine du stockage de l'énergie distribuée.

Types de batteries à écoulement de zinc

Batterie à flux de zinc-bromine

Le brome présente les avantages suivants : réserves abondantes, faible coût, potentiel d'électrode élevé, grande solubilité et densité énergétique théorique élevée. La batterie zinc-brome qui utilise une anode de zinc pour l'adapter est devenue une batterie relativement mature et est progressivement reconnue par le marché. D'autres batteries à base de zinc présentent divers problèmes et sont moins mûres.

Les ions bromure sont oxydés en ions polybromure pendant la charge, principalement en bromure triion et en bromure pentaion. Le processus de décharge est inverse, et le processus global de charge et de décharge présente une bonne réversibilité.

Batterie à flux de zinc-manganèse

Les piles zinc-manganèse courantes sur le marché utilisent la réaction de conversion en phase solide du dioxyde de manganèse en oxyhydroxyde de manganèse. En raison de leur faible réversibilité, elles ne peuvent être utilisées que comme piles primaires. En tant que pile secondaire, la pile zinc-manganèse utilise la réaction de dépôt-dissolution entre les ions manganèse divalents solubles et le dioxyde de manganèse, et sa réversibilité est relativement meilleure.

Le manganèse est bon marché et respectueux de l'environnement. Les ions manganèse équivalents et le dioxyde de manganèse ont un potentiel d'électrode élevé, et une batterie à flux assemblée avec une anode de zinc a une tension de circuit ouvert élevée et une densité d'énergie théorique.

Batterie à flux de zinc-iode

Le système de batterie à flux de zinc et d'iode a été proposé pour la première fois en 2014. Pour l'électrode positive à l'iode, I- sera oxydé en I2 pendant le processus de charge. En raison de la coordination de I-, I2 sera dissous sous forme de I3-. Afin d'éviter sa précipitation, la réaction de décharge a lieu en sens inverse et I3- est à nouveau réduit en I-.

Les matériaux actifs de la cathode et de l'anode du système zinc-iode ont une solubilité élevée, ce qui leur confère une densité d'énergie théorique élevée. La bonne cinétique d'appariement de la cathode devrait permettre d'atteindre une densité d'énergie élevée. Par rapport au système zinc-brome, sa volatilité, son oxydation et sa corrosion sont toutes réduites, les exigences en matière de matériaux pour le système de batterie sont moindres et il est plus respectueux de l'environnement.

Batterie d'écoulement zinc-fer

En tant que batterie à flux de ferLes cathodes à base de fer ont une bonne activité électrochimique et une bonne réversibilité, et les sels de fer sont bon marché, de sorte que les chercheurs les ont combinées avec des anodes de zinc pour former un système de batterie à flux de zinc et de fer. En fonction de la différence de pH de l'électrolyte, la batterie zinc-fer peut être divisée, et les paires actives participant à la réaction électrochimique sont différentes selon l'environnement.

Batterie à flux de zinc-nickel

Les électrodes de nickel présentent les avantages d'un potentiel de batterie élevé et d'un faible coût, et leur charge et leur décharge sont des réactions en phase solide-solide. Par conséquent, le système de batterie à flux zinc-nickel ne peut utiliser qu'un seul ensemble de pompes et de canalisations, et ne nécessite pas de membranes d'échange d'ions coûteuses, ce qui réduit considérablement le coût du système de batterie.

Les perspectives de développement de la batterie à flux de zinc

Les batteries à flux de zinc présentent les avantages d'un faible coût d'électrolyte, d'une grande sécurité et d'un potentiel élevé, et ont de bonnes perspectives d'application dans le domaine du stockage de l'énergie distribuée. Parmi elles, les batteries à flux de zinc-bromure ont atteint un niveau de maturité relativement élevé. L'anode de zinc des batteries à flux de zinc est principalement confrontée aux problèmes des dendrites de zinc, de l'exfoliation du zinc et de la capacité de surface limitée.

Dendrite de zinc : Lorsque la batterie est chargée, la polarisation de la concentration à la surface de l'électrode augmente, la concentration d'ions près de la surface de l'électrode diminue, et les ions réactifs sont plus susceptibles de se diffuser vers les protubérances à la surface de l'électrode, ce qui induit la croissance des dendrites de zinc. Au fur et à mesure que les dendrites se développent, elles finissent par percer le séparateur et provoquent un court-circuit et la défaillance de la batterie.

Détachement du zinc : Au cours du processus de décharge, le métal zinc en contact étroit avec les électrodes est dissous de préférence. Dans le cas des dendrites, la pointe des dendrites perd la connexion avec les électrodes au fur et à mesure de la réaction. En outre, le zinc déposé à la surface de l'électrode se détache également de l'électrode en raison de la perte de connexion avec l'électrode. Le zinc perdu ne pourra plus être utilisé, ce qui entraînera une baisse des performances de la batterie.

Capacité de surface limitée : Les batteries à flux de zinc utilisent principalement des électrodes plates ou des feutres de carbone poreux comme électrodes. Au fur et à mesure de la charge, le zincate ou les ions de zinc sont continuellement réduits en zinc métallique sur l'électrode, et finalement déposés sur l'électrode. Lorsque la surface de l'électrode est entièrement recouverte de zinc métallique, l'électrodéposition ne peut plus être effectuée, ce qui limite la capacité de la batterie.

Dans le même temps, la poursuite de la charge entraînera une forte augmentation de la tension de charge de la batterie, ce qui provoquera une réaction irréversible de dégagement d'hydrogène dans la demi-cellule négative.

Ces problèmes sont des obstacles qui limitent l'amélioration des performances de la batterie à flux de zinc dans les domaines suivants entreprises de batteries de flux dans le mondeIl s'agit également de problèmes techniques clés qui doivent être résolus dans le processus de réalisation de l'application pratique de la batterie à flux de zinc. Les principaux problèmes sont les dendrites de zinc, la perte de zinc et la capacité de surface limitée des anodes de zinc :

● Du point de vue de la chimie des solutions électrolytiques, le processus de dépôt de zinc peut être régulé ;
● Du point de vue de la conception de la structure de l'électrode, le surpotentiel du dépôt de zinc peut être ajusté ;
● Conçu du point de vue de la structure du matériau de la membrane, il peut inhiber les dommages causés par le zinc métallique ;
● L'optimisation du point de vue de la structure de la batterie peut réguler l'espace d'interface entre la membrane et l'électrode, et améliorer la capacité de surface de la batterie à flux de zinc.

Enfin, elle permettra de surmonter le goulot d'étranglement des batteries à flux de zinc et contribuera au développement de la technologie de stockage de l'énergie côté utilisateur.