Managementul termic al bateriilor de flux

Baterii cu flux de lichid (RFB) generează multă căldură în timpul funcționării. Dacă căldura nu poate fi disipată în timp util și eficient, temperatura bateriei va crește, afectând astfel performanța și siguranța bateriei. Condițiile de reacție electrochimică, conductivitatea ionică, viteza cu care ionii se mișcă prin membrană și vâscozitatea electrolitului sunt toate strâns legate de temperatura în timpul funcționării. Mai exact, creșterea temperaturii poate crește constanta vitezei de reacție și poate promova cinetica reacției în reacția electrochimică. În același timp, temperatura ridicată va reduce și vâscozitatea electrolitului, crescând astfel eficiența de transmisie a ionilor de vanadiu de la corpul principal la suprafața electrodului și reducând potențialul de polarizare a concentrației. Cu toate acestea, atunci când temperatura depășește un anumit interval, va avea un efect fatal.

Luând baterie cu flux redox de vanadiu (VRFB) de exemplu, intervalul normal de temperatură de funcționare este 0~40°C. Pe măsură ce temperatura crește, reacția de degajare a hidrogenului pe electrodul negativ va fi semnificativ îmbunătățită, rezultând o scădere a eficienței coulombice. În același timp, capacitatea de difuziune a ionilor de vanadiu prin membrana ionică este îmbunătățită, ceea ce intensifică decolorarea capacității. În plus, ionii activi de vanadiu din electrolit sunt instabili și predispuși la precipitații atunci când temperatura este anormală. Când electrolitul de 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 este plasat la 40°C timp de 2 zile, VO+2 se transformă în precipitare V2O5; iar după ce a fost plasat la 15°C timp de 7 zile, V2+ din electrolit va precipita. Acest precipitat generat va bloca canalul de curgere, va acoperi pâsla de carbon și membrana ionică, duce la o pierdere crescută de putere a pompei și la defecțiunea bateriei.

Temperatura ridicată susținută va accelera, de asemenea, îmbătrânirea electrozilor interni, a membranei de protoni și a altor materiale ale bateriei, scurtând astfel durata de viață a bateriei. Prin urmare, managementul termic al temperaturii este de mare importanță pentru menținerea funcționării stabile a bateriilor cu flux.

Pentru a asigura funcționarea stabilă și sigură a bateriilor cu flux, este necesar să se stabilească un model termic care să prezică și să controleze temperatura electrolitului și să ghideze în continuare controlul optimizării bateriilor, care este, de asemenea, o parte importantă a sistemului de management termic.

Factorii care generează căldură în timpul funcționării bateriilor cu flux lichid integral cu vanadiu includ reacțiile electrochimice, suprapotențialul, frecarea hidraulică, reacțiile încrucișate și șunturile, printre care reacțiile electrochimice și generarea de căldură cu suprapotențial reprezintă o proporție mai mare în comparație cu celelalte trei.

În prezent, rutele tehnologice de management termic ale sistemelor de stocare a energiei electrochimice sunt împărțite în principal în patru categorii: răcire cu aer, răcire cu lichid, răcire cu conducte de căldură și răcire cu schimbare de fază. Rutele tehnologice principale pentru managementul termic al stocării energiei bateriei cu flux de lichid pe piață sunt răcirea cu aer și răcirea cu lichid. Alegerea acestor metode de disipare a căldurii depinde de dimensiunea, designul, condițiile de funcționare și rentabilitatea bateriei.

1) Răcire cu aer

Răcirea cu aer este răcirea vântului, care folosește aerul ca mediu pentru a elimina căldura din interiorul sistemului prin conducție și convecție a căldurii, răcind astfel sistemul. Răcirea cu aer este împărțită în răcire naturală cu aer și răcire cu aer forțat în funcție de modul de conducere. Răcirea naturală cu aer utilizează condiții naturale, cum ar fi presiunea naturală a vântului, diferența de temperatură a aerului și diferența de densitate a aerului pentru a obține un efect de răcire asupra bateriei.

Coeficientul de transfer termic prin convecție al răcirii naturale cu aer este mult mai mic decât cel al răcirii forțate cu aer, astfel încât este dificil să disipați complet căldura generată de baterie. Pentru încărcarea și descărcarea la viteză redusă a bateriei, temperatura sistemului poate fi controlată într-un anumit interval de temperatură, dar creșterea densității curentului sistemului poate determina cu ușurință temperatura să depășească intervalul limită. Prin urmare, deși răcirea naturală cu aer are avantajele simplității, ușurinței și costurilor reduse, domeniul său de aplicare este extrem de mic și este rar studiat acum. Răcirea forțată cu aer este de a elimina căldura prin fluxul de aer forțat generat de o suflantă sau un ventilator. În acest moment, coeficientul de transfer de căldură al fluxului de aer forțat este mult îmbunătățit. În comparație cu răcirea cu lichid, răcirea cu aer are avantajele unei structuri simple, întreținere ușoară și costuri reduse, dar necesită o anumită cantitate de energie electrică, iar eficiența disipării căldurii, viteza de disipare a căldurii și uniformitatea temperaturii sunt slabe. Este de obicei potrivit pentru sisteme de baterii de dimensiuni mici sau medii.

2) Răcire cu lichid

Răcirea cu lichid (răcire cu lichid) utilizează lichid de răcire ca mediu și utilizează căldură specifică mai mare și coeficient de transfer de căldură pentru a disipa căldura. Sistemele de răcire cu lichid pot oferi o eficiență mai mare de disipare a căldurii și efecte mai bune de control al temperaturii, dar complexitatea și costul sistemului sunt, de asemenea, relativ mari și sunt potrivite pentru sistemele mari de baterii. Lichidanții de răcire utilizați în mod obișnuit includ apă, soluție apoasă de etilenglicol, etilenglicol pur, agent frigorific pentru aer condiționat și ulei de silicon. Deoarece încărcarea electrolitului bateriei curge cu ușurință de-a lungul lichidului de răcire către întregul sistem, este mai periculoasă, așa că alegerea mediului de răcire este, de asemenea, foarte importantă. Cu toate acestea, cea mai comună metodă pentru bateriile cu flux este utilizarea unor schimbătoare de căldură rezistente la coroziune și neconductoare. Materialele interne sunt în general aceleași cu cele ale rezervoarelor de stocare a electroliților, folosind PVC sau PP, sau folosind schimbătoare de căldură tubulare din titan metalic, iar suprafața interioară este acoperită cu un strat de TiO2 rezistent la coroziune pentru a proteja schimbătorul de căldură de coroziunea acidului sulfuric. .

Fiind una dintre cele mai promițătoare tehnologii de stocare a energiei regenerabile, problema supraîncălzirii bateriei cu flux de vanadiu în timpul funcționării afectează foarte mult eficiența și stabilitatea sistemului. Prin urmare, sunt necesare diverse metode fezabile pentru a oferi o soluție fezabilă pentru sistemul de management termic VRFB.