V súčasnosti sú medzi prietokovými batériami najuznávanejšie vanádiové redoxné prietokové batérie (RFB). Pozornosť si však zaslúžia aj iné RFB technológie; napríklad systémy Zn-Br2, Fe-Cr, Fe-Cd, Zn-Fe a Zn-Ni.
Vanádiové redoxné prietokové batérie
Spomedzi všetkých RFB technológií sú vanádiové systémy najlepšie preskúmané. Použitie iónov vanádu v rôznych oxidačných stavoch pre katolyt a anolyt pomáha potlačiť ich zmiešavanie v systéme.
Záporná elektróda V3+ + e– → V2+
Kladná elektróda VO2+ – e– + H2O → VO2+ + 2H+
Elektrolyty na báze koncentrovaných roztokov kyselín vykazujú vysokú vodivosť, ktorá umožňuje dosiahnuť energetickú účinnosť batérie 80% pri prúdových hustotách 100 mA.cm-2. Vanádiové RFB však vykazujú relatívne nízke napätie (1,4 V) a energetickú hustotu (25 Wh.L-1), ako aj obmedzený rozsah prevádzkových teplôt (10 – 40°C).
Zinkovo-brómové redoxné prietokové batérie
Komercializované technológie zahŕňajú okrem vanádiových systémov aj prietokové batérie na báze Zn/Br2.
Záporná elektróda Zn2+ + 2e– → Zn0
Kladná elektróda 2Br– – 2e– → Br2
Tieto batérie sa môžu pochváliť vyšším napätím (1,8 V) a praktickou energetickou hustotou 60 Wh.L-1 (teoretická energetická hustota 570 Wh.L-1). Kľúčovou výhodou tejto technológie je nízka cena aktívnych materiálov, vďaka čomu je možné znížiť náklady na elektrolyt na <42 USD za kWh. Hlavné výzvy sú: crossover ( systém používa zmiešané elektrolyty na jeho potlačenie), možnosť tvorby zinkového dendritu, kinetická nerovnováha a tvorba polybromidových aniónov. Hlavné stratégie na riešenie týchto problémov zahŕňajú modifikáciu elektród, vývoj nových iónomeničových membrán a modifikáciu konštrukcie elektrochemického článku.
Železo-chrómové redoxné prietokové batérie
Prietokové batérie založené na systéme Fe/Cr, ktoré vytvorila NASA v 70. rokoch minulého storočia pre misie do hlbokého vesmíru, využívajú bežné a ekonomické materiály. Napätie batérie dosahuje 1,18 V.
Záporná elektróda Cr3+ + e– → Cr2+
Kladná elektróda Fe2+ – e– → Fe3+
Technologická výzva zahŕňa pomalú kinetiku elektrochemickej reakcie Cr2+/Cr3+, ktorá si vyžaduje katalyzátor a zmiešavanie aktívnych zložiek. Avšak batérie na báza vanádu aj Fe/Cr predstavujú vysokú elektrochemickú stabilitu a účinnosť s minimálnou stratou kapacity (0,3% a 1,2% na cyklus) a energetickou účinnosťou (80,3% a 78,4% pri 120 mA.cm-2) pre vanád a Fe/Cr batérie, v danom poradí.
Celoželezné redoxné prietokové batérie
Prvé celoželezné redoxné prietokové batérie boli vyvinuté v roku 1981, dosiahli napätie 1,21 V a teoretickú objemovú špecifickú kapacitu 76 W.L-1. Žiaľ, nízke hodnoty prúdovej účinnosťi a nedostatočná stabilita neumožňujú rozsiahle zavedenie tejto technológie. Skúmanie použitia komplexov železa namiesto jednoduchých anorganických solí je potenciálnym smerom rozvoja.
Záporná elektróda Fe2+ + 2e– → Fe0
Kladná elektróda 2Fe2+ – 2e– → 2Fe3+
Prietokové batérie systému polysulfid/bromid
Tento typ prietokovej batérie využíva polysulfid sodný a NaBr ako anolyt a katolyt.
Záporná elektróda Sn2- + 2e– → 2Sn2-
Kladná elektróda 3Br– – 2e– → Br3-
Hlavná výhoda spočíva v dostupnosti a nízkej cene redox-aktívnych materiálov, zatiaľ čo primárnou nevýhodou je zmiešané nabíjanie (cross-charging) elektrolytov, čo si vyžaduje vylepšený riadiaci systém procesov nabíjania a vybíjania.
R&D tím Ino-Hub Energy v spolupráci s UPJŠ plánuje začať výskumné aktivity v oblasti vanádiových RFB, vrátane optimalizácie zloženie vanádiového elektrolytu a geometrie článkov.
POĎAKOVANIE:
Táto práca bola podporená projektom: IPCEI_IE_FLOW_BESS_012021