Gestione termica delle batterie a flusso

Batterie a flusso liquido (RFB) generano molto calore durante il funzionamento. Se il calore non può essere dissipato in modo tempestivo ed efficace, la temperatura della batteria aumenterà, compromettendone le prestazioni e la sicurezza. Le condizioni della reazione elettrochimica, la conduttività ionica, la velocità con cui gli ioni si muovono attraverso la membrana e la viscosità dell'elettrolita sono tutti strettamente correlati alla temperatura durante il funzionamento. Nello specifico, l'aumento della temperatura può aumentare la costante di velocità di reazione e promuovere la cinetica di reazione nella reazione elettrochimica. Allo stesso tempo, l'alta temperatura ridurrà anche la viscosità dell'elettrolita, aumentando così l'efficienza di trasmissione degli ioni di vanadio dal corpo principale alla superficie dell'elettrodo e riducendo il potenziale di polarizzazione della concentrazione. Tuttavia, quando la temperatura supera un certo intervallo, avrà un effetto fatale.

Prendendo il batteria a flusso redox al vanadio (VRFB) ad esempio, il suo normale intervallo di temperatura operativa è 0~40°C. All’aumentare della temperatura, la reazione di sviluppo dell’idrogeno sull’elettrodo negativo sarà notevolmente migliorata, con conseguente diminuzione dell’efficienza Coulombiana. Allo stesso tempo, viene migliorata la capacità di diffusione degli ioni di vanadio attraverso la membrana ionica, il che intensifica la capacità di dissolvenza. Inoltre, gli ioni attivi di vanadio nell'elettrolita sono instabili e soggetti a precipitazione quando la temperatura è anomala. Quando l'elettrolita di 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 viene posto a 40°C per 2 giorni, il VO+2 viene convertito in V2O5 precipitando; e dopo essere stato posto a 15°C per 7 giorni, il V2+ nell'elettrolita precipiterà. Questo precipitato generato bloccherà il canale di flusso, coprirà il feltro di carbonio e la membrana ionica, porterà ad una maggiore perdita di potenza della pompa e al guasto della batteria.

Una temperatura elevata e prolungata accelererà anche l'invecchiamento degli elettrodi interni, della membrana protonica e di altri materiali della batteria, riducendo così la durata della batteria. Pertanto, la gestione termica della temperatura è di grande importanza per mantenere il funzionamento stabile delle batterie a flusso.

Per garantire il funzionamento stabile e sicuro delle batterie a flusso, è necessario stabilire un modello termico per prevedere e controllare la temperatura dell'elettrolita e guidare ulteriormente il controllo dell'ottimizzazione della batteria, che è anche una parte importante del sistema di gestione termica.

I fattori che generano calore durante il funzionamento delle batterie a flusso liquido interamente al vanadio comprendono reazioni elettrochimiche, sovrapotenziale, attrito idraulico, reazioni incrociate e shunt, tra cui le reazioni elettrochimiche e la generazione di calore sovrapotenziale rappresentano una proporzione maggiore rispetto agli altri tre.

Allo stato attuale, i percorsi tecnologici di gestione termica dei sistemi di accumulo di energia elettrochimica sono principalmente suddivisi in quattro categorie: raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido, raffreddamento a tubi di calore e raffreddamento a cambiamento di fase. Le principali soluzioni tecnologiche per la gestione termica dello stoccaggio energetico delle batterie a flusso liquido sul mercato sono il raffreddamento ad aria e il raffreddamento a liquido. La scelta di questi metodi di dissipazione del calore dipende dalle dimensioni, dalla progettazione, dalle condizioni operative e dal rapporto costo-efficacia della batteria.

1) Raffreddamento ad aria

Il raffreddamento ad aria è il raffreddamento a vento, che utilizza l'aria come mezzo per rimuovere il calore all'interno del sistema mediante conduzione e convezione del calore, raffreddando così il sistema. Il raffreddamento ad aria si divide in raffreddamento ad aria naturale e raffreddamento ad aria forzata a seconda della modalità di guida. Il raffreddamento ad aria naturale utilizza condizioni naturali come la pressione naturale del vento, la differenza di temperatura dell'aria e la differenza di densità dell'aria per ottenere un effetto di raffreddamento sulla batteria.

Il coefficiente di trasferimento del calore per convezione del raffreddamento ad aria naturale è molto inferiore a quello del raffreddamento ad aria forzata, quindi è difficile dissipare completamente il calore generato dalla batteria. Per caricare e scaricare la batteria a velocità ridotta, la temperatura del sistema può essere controllata entro un determinato intervallo di temperatura, ma l'aumento della densità di corrente del sistema può facilmente far sì che la temperatura superi l'intervallo limite. Pertanto, sebbene il raffreddamento ad aria naturale presenti i vantaggi di semplicità, leggerezza e basso costo, il suo ambito di applicazione è estremamente ridotto e oggi viene studiato raramente. Il raffreddamento ad aria forzata consiste nel rimuovere il calore attraverso il flusso d'aria forzato generato da un ventilatore o un ventilatore. In questo momento, il coefficiente di trasferimento del calore del flusso d'aria forzato è notevolmente migliorato. Rispetto al raffreddamento a liquido, il raffreddamento ad aria presenta i vantaggi di una struttura semplice, una facile manutenzione e un basso costo, ma richiede una certa quantità di elettricità e l'efficienza di dissipazione del calore, la velocità di dissipazione del calore e l'uniformità della temperatura sono scarse. Di solito è adatto per sistemi di batterie di piccole o medie dimensioni.

2) Raffreddamento a liquido

Il raffreddamento a liquido (raffreddamento a liquido) utilizza il refrigerante come mezzo e utilizza calore specifico e coefficiente di trasferimento termico più elevati per dissipare il calore. I sistemi di raffreddamento a liquido possono fornire una maggiore efficienza di dissipazione del calore e migliori effetti di controllo della temperatura, ma anche la complessità e i costi del sistema sono relativamente elevati e sono adatti per sistemi di batterie di grandi dimensioni. I refrigeranti comunemente utilizzati includono acqua, soluzione acquosa di glicole etilenico, glicole etilenico puro, refrigerante per il condizionamento dell'aria e olio siliconico. Poiché la carica nell'elettrolito della batteria a flusso scorre facilmente lungo il liquido di raffreddamento fino all'intero sistema, è più pericolosa, quindi anche la scelta del mezzo di raffreddamento è molto importante. Tuttavia, il metodo più comune per le batterie a flusso consiste nell’utilizzare scambiatori di calore resistenti alla corrosione e non conduttivi. I materiali interni sono generalmente gli stessi dei serbatoi di stoccaggio dell'elettrolita, utilizzando PVC o PP, o utilizzando scambiatori di calore tubolari in metallo titanio, e la superficie interna è ricoperta da uno strato di TiO2 resistente alla corrosione per proteggere lo scambiatore di calore dalla corrosione dell'acido solforico .

Essendo una delle tecnologie di stoccaggio dell’energia rinnovabile più promettenti, il problema del surriscaldamento della batteria a flusso di vanadio durante il funzionamento influisce notevolmente sull’efficienza e sulla stabilità del sistema. Pertanto, sono necessari vari metodi fattibili per fornire una soluzione fattibile per il sistema di gestione termica VRFB.