Německým vědcům se podařilo vylepšit vlastnosti redox-flow baterií

• 29. 09. 2020
• Redakce

Jak fungují RFB?

Pod pojmem redoxní průtoková baterie (RFB) se rozumí elektrochemické zařízení pro ukládání elektrické energie pomocí vzájemně odděleného anodového a katodového elektrolytu skladovaného v rezervoárech, který je při potřebě vytvořit elektrický proud vháněn do příslušných segmentů elektrochemické cely separovaných od sebe membránou zabraňující promíchání roztoků, ale umožňující výměnu určitých iontů mezi anodovým a katodovým prostorem.

Během provozu anoda odebírá elektrony uvolněné při oxidaci a katoda pak v uzavřeném obvodu tyto přenesené elektrony daruje redukčnímu ději. Přičemž samotné elektrody zůstávají netknuté. Chemické změny probíhají pouze u aktivních látek přítomných v kapalném roztoku. Vyčerpaný elektrolyt po opuštění cely putuje zpět do zásobníku a čeká, než bude regenerován v opačném procesu.

Hlavní přednosti RFB

RFB se hodí zejména k velkokapacitní akumulaci energie. Je to dáno flexibilitou návrhu zařízení, kdy lze libovolně a nezávisle na sobě přizpůsobovat kapacitu a výkon zdroje, protože o kapacitě rozhoduje objem nádrží pro elektrolyt.

Hlavní výhodou technologie VRFB je jejich životnost odhadovaná až na 15 000 až 20 000 cyklů, a také zanedbatelná degradace v čase, případné vybíjení baterie do 0 % nemá na její vlastnosti žádný vliv. Tyto baterie jsou modulární, což znamená, že jejich výkon i kapacitu lze dle zvýšených požadavků rozšiřovat při relativně nízkých nákladech.

Pro investory nezanedbatelnou výhodou představuje bezpečnost. Díky použití elektrolytů na redoxové bázi se jedná o nehořlavé a bezpečné řešení na rozdíl od systémů na bázi lithia, takže ani při extrémním zatížení či zkratu baterie nehrozí exploze. V neposlední řadě je třeba zmínit možnost úplné recyklace baterie, kdy vanadové elektrolyty lze snadno zregenerovat do původního stavu a znovu použít pro ukládání energie.

Možnost snadného nastavení kapacity a výkonu RFB, vysoká životnost i velmi rychlá odezva v řádu desítek milisekund předurčují vanadové průtočné baterie pro celou škálu použití. Menší systémy jsou vhodné pro domácí nebo komunitní úložiště elektrické energie získané z fotovoltaických panelů, větší systémy pomohou stabilizovat a zkvalitnit dodávky elektřiny ze sítě pro průmyslové celky nebo mohou fungovat jako nabíjecí stanice elektromobilů.

Z environmentálního hlediska je cenné, že po skončení činnosti se průtoková baterie snáze recykluje. V podstatě 100 % aktivního materiálu lze přepracovat a vpustit znovu do oběhu. Mimoto jako rozpouštědlo aktivních látek slouží obyčejná voda, která nehoří a není toxická.

Nový objev

Až dosud technologie RFB trpěla dvěmo hlavními nedostatky, které bránily jejich většímu rozšíření. Prvním z nich je použití ekologicky nebezpečných materiálů jako je vanad v elektrolytech. Druhým je omezení použití RFB pro pracovní teploty do 40 stupňů Celsia, což vyžaduje nutnost aktivního chladícího systému.

Němečtí vědci však vanad nahradili organickými polymery rozpustnými ve vodě, které se podobají plexisklu. Tak můžeme používat levné membrány z celulózy a v článcích nejsou žádné toxické ani agresivní látky. Nový výzkum z Německa řeší jak ekologii, tak i odolnost vůči vysokým teplotám.

„Dosavadní RFB články měly elektrody z vanadu a jako elektrolyt sloužila kyselina sírová,“ vysvětluje Martin Hager z Univerzity Friedricha Schillera v Jeně. To sice samo o sobě není drahé, jenže roztok je vysoce korozivní, takže je nutné používat speciální membrány.

Výsledkem posledního výzkumu je polymer METAC, který je rozpustný ve vodě, což výrazně zlepšuje ekologický dopad průtokových baterií. Další výhodou je, že lépe snáší vyšší teploty a je použitelný i při teplotě 60 °C.

„Vyvinuli jsme nový typ polymeru, kterou je rozpustný ve vodě, a který obsahuje železo, jenž je vhodné pro akumulaci energie. Díky lepší odolnosti vůči teplotě do 60 °C není nutné investovat do chladícího zařízení. Nová technologie má navíc i vyšší účinnost, než předchozí verze RFB“, vysvětluje Profesor, Dr. Ulrich Schubert z Univerzity Friedricha Schillera v Jeně.

První testy nového průtokového akumulátoru ukázaly i velmi vysokou účinnost dosahující 99,88 % i po 300 nabíjecích cyklech. Další vývoj a experimenty se budou soustředit zejména na studium stability aktivních sloučenin.