عن المبدأ الأساسي لبطارية التدفق

1. خلفية بطاريات التدفق

تعتبر بطارية التدفق السائلة تقنية بطارية حيث توجد المواد النشطة في الإلكتروليتات السائلة. تتكون عادة من وحدة تكديس، وإلكتروليت، ووحدة تخزين وتوريد الإلكتروليت، ووحدة إدارة وتحكم. تستخدم التغير في حالة الأكسدة والاختزال للمواد النشطة في المحلول على جانبي الأقطاب الموجبة والسالبة لتحقيق الشحن والتفريغ. يتم نقل الإلكتروليت إلى داخل الوحدة بواسطة مضخة، ويتم إجراء تفاعل الأكسدة والاختزال عند الأقطاب. بعد التفاعل، تتدفق المواد النشطة مرة أخرى إلى خزان التخزين الخارجي مع الإلكتروليت. بين الأنود والكاثود يوجد غشاء يسمح بشكل انتقائي بمرور الإلكتروليت الداعم للحفاظ على توازن الإلكتروليت.

كتمثيل للحلول المائية، يمكن لبطاريات التدفق حل مشكلة هدر طاقة الرياح والطاقة الشمسية الناتجة عن زيادة توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية بسبب سلامتها الممتازة، وسعة التخزين العالية للطاقة، وعمر الدورة الطويل، وانخفاض التكلفة، وهي متوافقة جيدًا مع الخصائص المتقطعة والمتقطعة لتوليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. من بين تقنيات بطاريات التدفق، تطورت تقنية بطارية التدفق الكل-فاناديوم بشكل أكثر نضجًا تحت الابتكار التكنولوجي المستمر في السنوات الأخيرة، وقد دخلت محطات تخزين الطاقة من بطاريات التدفق الكل-فاناديوم الآن مرحلة التشغيل التجاري على نطاق واسع.

  2. مفهوم أقطاب بطارية التدفق

1. تعريف القطب

يتكون نظام بطارية التدفق السائلة بشكل رئيسي من وحدة بطارية، وإلكتروليت وأجزاء تحكم النظام الأخرى. يعمل الإلكتروليت كمواد نشطة موجبة وسالبة. تعمل وحدة البطارية كموقع تفاعل للكهرباء. تكون قدرة البطارية وقوتها مستقلتين عن بعضهما البعض. يتم تحديد القوة بواسطة مواصفات وكمية وحدة البطارية، بينما يتم تحديد السعة بواسطة تركيز وحجم الإلكتروليت.

II) الموقع في سلسلة الصناعة

تشير الاختلافات في المسارات التقنية لبطاريات التدفق بشكل رئيسي إلى الاختلافات في المكونات الرئيسية لمحلول الإلكتروليت. ومع ذلك، فإن روابط سلسلة الصناعة للمسارات التقنية المختلفة متشابهة أساسًا. عمومًا، يتم تقسيمها إلى ثلاث روابط رئيسية: المواد الخام upstream ومواد وحدة البطارية؛ تجميع وحدة البطارية midstream ونظام التحكم والمعدات الأخرى؛ التجميع downstream وتطوير المشاريع والبناء. من بينها، تعتبر المكونات الأساسية لوحدة البطارية هي الأقطاب والأغشية والألواح ثنائية القطب، بالإضافة إلى مجمعات التيار وإطارات التدفق السائل وغيرها.

تقع مواد الأقطاب في upstream سلسلة الصناعة، وعادة ما تستخدم مواد مثل اللباد الكربوني أو اللباد الجرافيتي. تحتوي هذه الأنواع من أقطاب الألياف الكربونية على مساحة سطح محددة كبيرة، واستقرار كيميائي جيد وموصلية جيدة، لكنها عرضة للأكسدة والتساقط أثناء الاستخدام الطويل الأمد، لذا تحتاج إلى تعديل، بما في ذلك معالجة المواد الداخلية، ومعالجة التمعدن ومعالجة الأكسدة، أو صنعها في مادة مركبة مع مصفوفة بوليمر خاملة.

 (III) وظيفة القطب

تؤثر الخصائص الفيزيائية والكيميائية لمواد الأقطاب بشكل كبير على بطاريات التدفق السائلة: 1) تؤثر الموصلية والأداء التحفيزي للقطب مباشرة على حالة الاستقطاب وكثافة التيار للبطارية، مما يؤثر بدوره على كفاءة الطاقة؛ 2) تؤثر الاستقرار الفيزيائي والكيميائي لمادة القطب مباشرة على الاستقرار العام للعمل والعمر الفعلي للبطارية. لذلك يجب أن تتمتع مواد الأقطاب الممتازة بالخصائص التالية:

(1) موصلية كهربائية ممتازة: تؤثر الأداء الكهربائي الممتاز المرتبط بالموصلية العالية بشكل كبير على الكفاءة التشغيلية العامة وإنتاج الطاقة لنظام البطارية. في بطاريات التدفق السائلة، يجب أن تكون مقاومة مادة القطب المستخدمة صغيرة قدر الإمكان لتقليل درجة الاستقطاب الأومي أثناء التفاعل وتحسين الكفاءة العامة لنظام البطارية.

(2) خصائص ميكانيكية بارزة: القوة الميكانيكية العالية تساعد على تحقيق تحميل جيد للمحفز وضمان الحفاظ على الاستقرار الهيكلي لبطارية التدفق أثناء التشغيل لتجنب انهيار الهيكل الداخلي للبطارية، مما يؤدي بدوره إلى انهيار نظام البطارية؛

(3) خصائص هيكلية جيدة: سيساعد هيكل مادة القطب المستقر والجيد المواد التفاعلية على الاتصال الفعال بالمحفزات المحملة على القطب، مما يعزز التفاعل الفعال للأكسدة والاختزال في الإلكتروليت؛

(4) ميزة التكلفة وخصائص صديقة للبيئة: بناءً على تلبية متطلبات الموصلية والخصائص الميكانيكية والهيكلية، يجب تقليل تكلفة القطب قدر الإمكان وتقليل التأثير على البيئة لتحقيق تطبيق واسع النطاق لبطاريات التدفق السائلة.

  (IV) فئات المنتجات

تنقسم مواد الأقطاب إلى أقطاب معدنية وأقطاب كربونية وأقطاب مركبة. في الأيام الأولى، تم استخدام مواد أقطاب معدنية مثل المعادن الفردية مثل الذهب والرصاص والتيتانيوم، بالإضافة إلى مواد سبائكية مثل البلاتين المعتمد على التيتانيوم وأكسيد الإيريديوم المعتمد على التيتانيوم. ومع ذلك، تحتوي مواد أقطاب المعادن على العديد من العيوب والأداء الكهروكيميائي الضعيف أو التكلفة المرتفعة جدًا. لاحقًا، تم استخدام مواد أقطاب كربونية مثل الجرافيت والكربون الزجاجي ولباد الكربون ولباد الجرافيت وقماش الكربون وألياف الكربون بدلاً منها. تحتوي هذه المواد الكربونية على استقرار كيميائي جيد وموصلية جيدة وسهولة التحضير وتكلفة منخفضة. وقد وجدت الدراسات أن أقطاب الكربون الزجاجي لديها عكس ضعيف؛ كما أن أقطاب الجرافيت وقماش الكربون تتآكل وتفقد بسهولة أثناء عملية الشحن والتفريغ، وتكون مساحة السطح المحددة لهذه المواد صغيرة مما يؤدي إلى مقاومة داخلية كبيرة للبطارية مما يجعل من الصعب الشحن والتفريغ بتيارات كبيرة؛ وعلى الرغم من أن أقطاب ورق الكربون لديها مساحة سطح محددة كبيرة واستقرار جيد إلا أنها تتمتع بخصائص رطوبة ضعيفة ونشاط كهروكيميائي منخفض. حاليًا ، فإن أكثر مواد الأقطاب استخدامًا هي اللباد الكربوني أو اللباد الجرافيتي ، وكلاهما من مواد نسيج ألياف الكربون.

يشير اللباد الكربوني إلى ألياف كربونية تم الحصول عليها عن طريق الكربنة عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية ، بينما يشير اللباد الجرافيتي إلى لبادة ألياف جرافيت تم الحصول عليها عن طريق تسخين لبادة الألياف الكربونية إلى 2000 درجة مئوية في بيئة خالية من الأكسجين. يعتبر اللباد الكربوني واللباد الجرافيتي مواد ليفية مسامية تشبه اللباد. لقد أصبح كلاهما المواد الرئيسية لمواد الأقطاب بسبب هيكلها الشبكي ثلاثي الأبعاد الواسع ، ومساحة السطح المحددة العالية ، والموصلية الكهربائية الجيدة والاستقرار الكهروكيميائي ، ولكن تحتاج أسطحها إلى تعديل.

وفقًا للركائز المختلفة ، يمكن تقسيم اللباد الجرافيتي إلى ثلاثة أنواع: اللباد الجرافيتي المعتمد على بولي أكريلونيتريل (PAN-based) ، واللباد الجرافيتي المعتمد على الأسفلت ، واللباد الجرافيتي المعتمد على الفيسكوز. يشير اللباد الجرافيتي المعتمد على بولي أكريلونيتريل إلى اللباد الجرافيتي المصنوع من ألياف بولي أكريلونيتريل (PAN) كركيزة من خلال عمليات مثل التقطيع والأكسدة والكربنة والتجريف. مقارنةً باللبادات الجرافيت الأخرى ، يتمتع اللباد الجرافيتي المعتمد على بولي أكريلونيتريل بمزايا القدرة الكبيرة على مقاومة التأكسد ، وأداء العزل الحراري الجيد ، والقوة العالية ومقاومة درجات الحرارة العالية. لديه مجموعة واسعة من التطبيقات وهو المنتج الرئيسي في سوق اللبادات الجرافيت.

  (V) عملية التحضير

طريقة التحضير التجارية الحالية هي كما يلي:

1) يتم نسج ومعالجة الألياف المعالجة مسبقًا المعتمدة على PAN باستخدام معدات عالية الجودة غير المنسوجة لتصبح لبادات مسطحة بسمك محدد ووزن متر مربع جيد ومتجانس كلبادات خام.

2) طلاء المحفز: عند مدخل فرن التجريف المستمر للكربنة ، يتم أولاً طلاء اللبادة الصناعية المؤكسدة بالتساوي بمحفز مسنتر باستخدام معدات محددة.

3) التلبيد عند درجات حرارة عالية: تدخل اللبادة المسطحة باستمرار فرن التجريف المستمر للكربنة وتخضع لمعالجة كربنة وترسيب وتجريف للحصول على منتج وسيط من لبادة جرافيت تحتوي على كمية كبيرة من أنابيب النانو الكربونية المترسبة على السطح.

4) معالجة السطح: يتم تغذية منتج الوسيط لألياف الكربون الجرافيت باستمرار إلى فرن التنشيط ، ويتم إجراء معالجة كاربونيل للمنتج الوسيط لألياف الكربون الجرافيت الذي يحتوي على كمية كبيرة من أنابيب النانو الكربونية المترسبة على السطح لزيادة النشاط الكهربائي لألياف الجرافيت.