Batteri av polysulfidbromid
Polysulfid -brombatteriet (PSB; ibland polysulfid-polybromid eller "brom-svavel"), är en typ av laddningsbart elektriskt batteri som lagrar elektrisk energi i vätskor, såsom vattenbaserade lösningar av två salter: natriumbromid och natriumpolysulfid . Det är ett exempel och typ av redox (reduktion–oxidation) flödesbatteri .
2002 byggdes en 12 MWe prototyp elektrisk lagringsanläggning vid Little Barford Power Station i Storbritannien, som använder polysulfidbromid- flödesbatterier . Trots att anläggningen färdigställdes, på grund av tekniska problem med att skala upp tekniken, togs den aldrig helt i drift. En liknande demonstrationsanläggning belägen vid Tennessee Valley Authority (TVA) anläggning i Columbus, Mississippi, USA färdigställdes aldrig.
Kemi
Två olika saltlösningselektrolyter finns i två separata tankar. När energi krävs pumpas en lösning av Na 2 S 2 (natriumdisulfid ) till anoden och NaBr 3 (natriumtribromid) pumpas till katoden. Anoden och katoden, och deras motsvarande saltlösningar, separeras av ett jonbytarmembran . Vid den negativa elektroden visas den anodiska reaktionen som:
2Na2S2 → Na2S4 + 2Na + + 2e- _ _ _ _
Vid den positiva elektroden visas den katodiska reaktionen som:
NaBr3 + 2Na + + 2e - → 3NaBr
När energi dras från systemet blir natriumdisulfiden natriumpolysulfid och natriumtribromiden till natriumbromid. Denna reaktion kan vändas när en ström tillförs elektroderna och systemets kemiska salter laddas om . Systemet definieras som en bränslecell eftersom elektroderna inte förbrukas av reaktionen, de fungerar bara som en yta för reaktionen. Vätskan är dock inte heller ett bränsle som förbrukas. Det är en saltlösningselektrolyt som förändras genom processen.
Historia
Även om möjligheterna att använda polysulfid- och brom-redox-par i flödes- och statiska batterier har nämnts tidigare, var det Robert Remick och Peter Ang från Institute of Gas Technology (Chicago), som var de första att demonstrera (och hävda i ett patent) ett uppladdningsbart (cykliskt) polysulfid-polybromidbatteri (SBB) 1981.(1) De fick snabbt ett DOE-anslag för detaljerade studier, som visade att MoS2 var en föredragen (men mindre än idealisk) elektrokatalys för negode-reaktionen.(2)
1987 visade Stuart Licht vid Northeastern University (Boston, Massachusetts), extraordinär vattenlöslighet av kaliumsulfider, till exempel 3:1 vatten:salt molförhållande för K2S- och K2S4-lösningar, även om detta arbete endast visade halvcellselektrokemi.( 3) Ändå förblev natriumkemi huvudströmmen bland polysulfid-polybromid RFB-framkallare, kanske på grund av den högre lösligheten av NaBr (8,82 molal vid 20 °C) jämfört med KBr (5,49 molal vid 20 °C).
År 1992 förvärvade National Power PLC (som bildades 1990 som ett resultat av privatiseringen av Storbritanniens elmarknad) från Institute of Gas Technology det ursprungliga amerikanska patentet av Remick och Ang,(1) och startade ett forsknings- och utvecklingsprogram i område för polysulfid-polybromid RFB. Det första arbetet på National Power gjordes av Ralph Zito (4, 5) som var känd för sitt tidigare arbete med Zn-Br2 RFB.(6-8) Under omorganisationen av den brittiska elmarknaden på 1990-talet, National Power patenten överfördes till Innogy Technology Ventures Ltd, som 2002 blev ett dotterbolag till den tyska multi-utility RWE -koncernen. Regenesys Technologies Limited spändes från RWE-Innogy med en uppgift att på ett ändamålsenligt sätt demonstrera och kommersialisera polysulfid-polybromid RFB, som var märkta som Regenesys®-batterier. År 2001 hade Regenesys över 70 anställda och demonstrerade 5 och 10 kW stackar.(9)
Regenesys utvecklingsprogram för SBB var mycket mer kraftfullt än sina föregångare. År 1999 upptäckte Regenesys-teamet att svavel irreversibelt oxideras till sulfat i en sidoreaktion, som mestadels sker när en svavelhaltig art passerar in i posolyten. Eftersom deras försök att utveckla ett system med en blandad polysulfid-bromid negolyt och sulfidfri posolyt med hjälp av ett Nafion-membran visade sig misslyckade, föreslog de att tillsätta mer fast svavel eller polysulfider till negolyten som en del av normal battericykling-ombalansering.(10) De utvecklade också en genuin metod för att detektera uppkomsten av kolloidal svavelbildning med hjälp av elektrokinetisk ljudeffekt.(11) Även om den tidiga designen av Regenesys SBB var ganska ineffektiv enligt moderna standarder (t.ex. var membranet inte belagt med katalytiska skikt, utan snarare var När den kom i direkt kontakt med 1,5 mm tjocka nätformade kolelektroder på varje sida, visade det sig lovande från början.(12) Anmärkningsvärt var att under laddning vid 34 mA/cm2 var överspänningen vid den negativa elektroden (0,65 V) betydligt större än överspänningen på den positiva elektroden (0,075 V).(12) Övergångsmetallsulfider (13) och andra komplex (14) föreslogs som elektrokatalysatorer för negode-reaktionen. I en senare design ökades driftströmtätheten till 80 mA/cm2.(10)
finansierade Storbritanniens Department of Trade and Industry ca. 50% av det totala ca. 2 miljoner pund. kostnad (uppenbarligen med en förväntad kostnadsandel från RWE-Innogy) för att bygga ett 100 kW Regenesys®-batteri i Little Barford i centrala England bredvid en befintlig gaspeak-anläggning och en föreslagen väderkvarn.(9, 15) En liknande anläggning ansågs i Columbus, Mississippi i USA, (16, 17) som en del av den ödesdigra Tennessee Valley Authority. (18) En hypotetisk 15 MW-120 MWh i Storbritannien föreslogs också för åren 2000-2002.( 19, 20) Men att hoppa från 10 till 100 kW stack visade sig vara svårare än vad det förväntades för ett modulsystem som en RFB. Stapelläckage påstås åtgärdas genom att förbättra tätningsdesignen och tillverkningstoleranserna.(9) Efter dessa förbättringar rapporterades brott på ändplattor, elektroder och PVDF -fodrade tankar som dominerande fellägen under hela testningen. Dessa problem ((liksom ovannämnda irreversibel oxidation av svavel till sulfat) åtgärdades inte under den tid som stod till förfogande för detta demonstrationsprojekt. 2003, efter Little Barford fiaskot, beslutade RWE att överge sin Regenesys®-teknologi (som inte uppfanns kl. RWE, utan ärvdes snarare som en del av Innogy-förvärvet.) Uppenbarligen kunde RWE inte hitta en köpare för denna avyttring, eftersom dess patent på denna teknik löpte ut för icke-betalande underhållsavgifter i olika länder mellan 2004 och 2013. Kostnaden av utvecklingen av polysulfid-polybromid RFB mellan 1990 och 2004, enligt företagets rapporter, uppgick till över 140 miljoner £.(21) Utöver detta ifrågasatte Regenesys egna studier publicerade 2009 den tekniska genomförbarheten av långsiktig drift och lönsamheten för SBB.(22, 23)
Andra undersökte också genomförbarheten av polysulfid-polybromidbatteri (SBB). Ca. 2002 lanserade Dalian Institute of Chemical Physics (PR Kina), som då blev världens ledande utvecklare av flödesbatterier, sitt eget SBB-program. Under 2004-2006 rapporterade de 1kW-system som fungerade vid 40mA/cm2 med energieffektiviteten i cykeln som förbättrades från 67 till 82 %, mestadels på grund av utvecklingen av nya elektrodmaterial.(24-27) Ändå minskade SBB-patenterings- och publiceringsaktiviteten avsevärt efter 2006. Det är troligt att problemet med svavelavsättning i den porösa negoden under långvarig cykling,(28) liksom den åtföljande framgången för vanadinredoxflödesbatterier, var de främsta anledningarna till att minska SBB-verksamheten. Sedan ca. Utvecklingen av SBB 2010 har mestadels begränsats till akademiska laboratorier och till utveckling av nya elektrokatalysatorer, som ändå inte når upp till de erforderliga aktivitets- och hållbarhetsmålen.(29, 30)
På senare år har SBB med Li+- (31) och Na+- (32) ledande keramiska separatorer visats. Även om dessa celler visade god cykellivslängd (över 100 cykler utan märkbar nedbrytning), opererades de vid ca. 1 mA/cm2 på grund av separatorns höga ohmska resistans.
1. J. Remick Robert och GP Ang Peter, "Elektriskt uppladdningsbart anjoniskt aktivt reduktion-oxidation elektriskt lagring-försörjningssystem." 1981US-06299977 1981-09-08 (1981US-06299977 1981-09-08). 2. R. Remick och E. Camara, Electrochemistry of the sulfide/polysulfide couple, in, Institute of Gas Technology, Chicago, IL (USA) (1983-07-01) 10.2172/5443566. 3. S. Licht, "Ett energiskt medium för elektrokemisk lagring som utnyttjar den höga vattenlösligheten av kaliumpolysulfid." J. Electrochem. Soc., 134, 2137 (1987) 10.1149/1.2100838. 4. R. Zito, "Elektrokemisk energilagring och/eller kraftleveranscell med ph-kontroll." 1993US-08128126 5. R. Zito, "Elektrokemisk apparatur för energilagring och/eller kraftleverans innefattande celler med flera fack." 1993US-08128117 6. R. Zito Jr, "Lagringsbatteri med brompositivt aktivt material." 1963US-04317507 1963-10-21 (1963US-04317507 1963-10-21). 7. R. Zito Jr, "Zink-brom sekundär cell." 1965US-04484556 1965-09-02 (1965US-04484556 1965-09-02). 8. R. Zito, "Zink-brombatteri med långtidsstabilitet." 1982US-06441491 1 9. Regenesys utility scale energy storage: rapport (2004) https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/20517742 10. J. Morrissey Patrick, J. Mitchell Philip och E. Male Stewart, "Elektrolytrebalanseringssystem." 1998GB-0015173 11. J. Morrissey Patrick och E. Cooley Graham, "Metoder för att detektera början av kolloidbildning, särskilt svavelfällning." 1999GB-0013185 12. E. Cooley Graham, E. Male Stewart, J. Mitchell Philip och I. a. N. Whyte, "Metod för att utföra elektrokemiska reaktioner med en elektrokatalysator." 1999GB-0001235 13. E. Cooley Graham, E. Male Stewart, J. Mitchell Philip och I. a. N. Whyte, "Metod för att utföra elektrokemiska reaktioner med en elektrokatalysator." 1999GB-0001235 14. S. Fletcher och J. Van Dijk Nicholas, "An electrode for the reduction of polysulfide species." 2002GB-0007214 15. B. Davidson, T. Calver, A. Price och D. Simchock, "Storskalig lagringslösning? Regenesys regenerativ bränslecell." Renewable energy world, 3, 84 (2000) 16. IND Tillhandahålls av Federal, Inc. Begär förslag för att färdigställa TVA:s Regenesys-anläggning i Columbus, Mississippi, sid. 1, Federal Information & News Dispatch, LLC, Washington (2004) 17. IH Grant, J., TVA:s Regenesys energilagringsprojekt, i IEEE Power-Engineering-Society Summer Meeting, sid. 321, IEEE, Chicago, Il (2002) 10.1109/PESS.2002.1043242. 18. A. Ray, "TVA:s offentliga kraftinstitut (ppi): TVA styrelselyssningssession om förnybar energi." (2008) https://tva.maripo.com/tva_ppi.htm . 19. P. Morrissey, "Regenesys: A new energy storage technology." International Journal of Ambient Energy, 21, 213 (2000) 10.1080/01430750.2000.9675376. 20. Regenesys laddar "jättebatteri", i TCE, sid. 16 (2002) 21. Rwe överger regenesys-projektet, i The Guardian, sid. 9 (2004) 22. DPR Scamman, GW ; Roberts, EPL, "Numerisk modellering av ett bromid-polysulfid redoxflödesbatteri del 1: Modelleringsmetod och validering för ett pilotskalasystem." Journal of Power Sources, 189, 1220 (2009) 10.1016/j.jpowsour.2009.01.071. 23. DPR Scamman, Gavin W. ; Roberts, Edward PL, "Numerisk modellering av ett bromid-polysulfid redoxflödesbatteri. Del 2: Utvärdering av ett nyttoskalasystem." Journal of Power Sources, 189, 1231 (2009) 10.1016/j.jpowsour.2009.01.076. 24. ZHZHZPY Baolian, Forskning om elektrodmaterial och system för lagringsbatterier för natriumpolysulfid/bromflödesenergi, 2004 China Materials Research Conference, sid. 7, Beijing, Kina (2004) 25. PZ Zhao, Huamin; Zhou, Hantao ; Yi, Baolian, "Nickelskum och kolfiltapplikationer för natriumpolysulfid/bromredoxflödesbatterielektroder." Electrochimica Acta, 51, 1091 (2005) 10.1016/j.electacta.2005.06.008. 26. HZ Zhou, Huamin; Zhao, Ping; Yi, Baolian, "Ny koboltbelagd kolfilt som högpresterande negativ elektrod i natriumpolysulfid/bromredoxflödesbatteri." Electrochemistry (Tokyo, Jpn.), 74, 296 (2006) 10.5796/electrochemistry.74.296. 27. HZ Zhou, Huamin; Zhao, Ping; Yi, Baolian, "En jämförande studie av kolfilt och aktivt kol baserade elektroder för natriumpolysulfid/bromredoxflödesbatteri." Electrochemica Acta, 51, 6304 (2006) 10.1016/j.electacta.2006.03.106. 28. Z. Hantao, "Studie av lagringsbatterier för natriumpolysulfid/bromflödesenergi." Thesis (2006) 29. IEL Stephens, C. Ducati och DJ Fray, "Correlating microstructure and activity for polysulfide reduction and oxidation at ws2 electrocatalysts." Journal of the Electrochemical Society, 160, A757 (2013) 10.1149/2.027306jes. 30. CB Bruneau, Yu-Jia ; Goenaga, Gabriel ; Zawodzinski, Tom, Katalysatorstudie och karakterisering för ett polysulfidbromredoxflödesbatteri, i Abstracts, 66th Southeast Regional Meeting of the American Chemical Society, Nashville, TN, USA, 16-19 oktober, SERMACS, American Chemical Society (2014) 31 LNW Wang, XF; Liu, JY ; Yang, H.; Fu, CM; Xia, YY ; Liu, TX, "Ett uppladdningsbart metallfritt helt flytande svavel-brombatteri för hållbar energilagring." Journal of Materials Chemistry A, 6, 20737 (2018) 10.1039/c8ta07951j. 32. MM Gross och A. Manthiram, "Långlivade polysulfid-polyhalidbatterier med en mediator-jon fast elektrolyt." Acs Applied Energy Materials, 2, 3445 (2019) 10.1021/acsaem.9b00253.
Se även
externa länkar
- Ellagringsföreningens avsnitt om PSB:er (inklusive diagram)
