Gestión térmica de baterías de flujo.

Baterías de flujo líquido (RFB) generan mucho calor durante el funcionamiento. Si el calor no se puede disipar de manera oportuna y efectiva, la temperatura de la batería aumentará, afectando así el rendimiento y la seguridad de la batería. Las condiciones de la reacción electroquímica, la conductividad de los iones, la velocidad a la que los iones se mueven a través de la membrana y la viscosidad del electrolito están estrechamente relacionadas con la temperatura durante la operación. Específicamente, aumentar la temperatura puede aumentar la constante de velocidad de reacción y promover la cinética de reacción en la reacción electroquímica. Al mismo tiempo, la alta temperatura también reducirá la viscosidad del electrolito, aumentando así la eficiencia de transmisión de los iones de vanadio desde el cuerpo principal a la superficie del electrodo y reduciendo el potencial de polarización de la concentración. Sin embargo, cuando la temperatura excede un cierto rango, tendrá un efecto fatal.

Tomando el batería de flujo redox de vanadio (VRFB), por ejemplo, su rango de temperatura de funcionamiento normal es de 0 a 40 °C. A medida que aumenta la temperatura, la reacción de desprendimiento de hidrógeno en el electrodo negativo mejorará significativamente, lo que dará como resultado una disminución en la eficiencia de Coulombic. Al mismo tiempo, se mejora la capacidad de difusión de los iones de vanadio a través de la membrana iónica, lo que intensifica la atenuación de la capacidad. Además, los iones activos de vanadio en el electrolito son inestables y propensos a precipitar cuando la temperatura es anormal. Cuando el electrolito de 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 se coloca a 40°C durante 2 días, el VO+2 se convierte en precipitación V2O5; y después de colocarlo a 15°C durante 7 días, precipitará el V2+ en el electrolito. Este precipitado generado bloqueará el canal de flujo, cubrirá el fieltro de carbón y la membrana de iones, lo que provocará una mayor pérdida de energía de la bomba y fallas de la batería.

Las altas temperaturas sostenidas también acelerarán el envejecimiento de los electrodos internos, la membrana de protones y otros materiales de la batería, acortando así la vida útil de la batería. Por lo tanto, la gestión térmica de la temperatura es de gran importancia para mantener el funcionamiento estable de las baterías de flujo.

Para garantizar el funcionamiento estable y seguro de las baterías de flujo, es necesario establecer un modelo térmico para predecir y controlar la temperatura del electrolito y guiar aún más el control de optimización de la batería, que también es una parte importante del sistema de gestión térmica.

Los factores que generan calor durante el funcionamiento de las baterías de flujo líquido totalmente de vanadio incluyen reacciones electroquímicas, sobrepotencial, fricción hidráulica, reacciones cruzadas y derivaciones, entre las cuales las reacciones electroquímicas y la generación de calor sobrepotencial representan una proporción mayor en comparación con los otros tres.

En la actualidad, las rutas tecnológicas de gestión térmica de los sistemas de almacenamiento de energía electroquímicos se dividen principalmente en cuatro categorías: refrigeración por aire, refrigeración líquida, refrigeración por tubería de calor y refrigeración por cambio de fase. Las principales rutas tecnológicas para la gestión térmica del almacenamiento de energía en baterías de flujo líquido en el mercado son la refrigeración por aire y la refrigeración líquida. La elección de estos métodos de disipación de calor depende de la escala, el diseño, las condiciones de funcionamiento y la rentabilidad de la batería.

1) refrigeración por aire

El enfriamiento por aire es enfriamiento por viento, que utiliza aire como medio para eliminar el calor dentro del sistema mediante conducción y convección de calor, enfriando así el sistema. La refrigeración por aire se divide en refrigeración por aire natural y refrigeración por aire forzado según el modo de conducción. El enfriamiento por aire natural utiliza condiciones naturales como la presión natural del viento, la diferencia de temperatura del aire y la diferencia de densidad del aire para lograr un efecto de enfriamiento en la batería.

El coeficiente de transferencia de calor por convección del enfriamiento por aire natural es mucho menor que el del enfriamiento por aire forzado, por lo que es difícil disipar completamente el calor generado por la batería. Para carga y descarga de la batería a baja velocidad, la temperatura del sistema se puede controlar dentro de un cierto rango de temperatura, pero el aumento en la densidad de corriente del sistema puede fácilmente hacer que la temperatura exceda el rango límite. Por lo tanto, aunque la refrigeración por aire natural tiene las ventajas de simplicidad, ligereza y bajo coste, su ámbito de aplicación es extremadamente pequeño y rara vez se estudia en la actualidad. El enfriamiento por aire forzado consiste en eliminar el calor a través de un flujo de aire forzado generado por un soplador o ventilador. En este momento, el coeficiente de transferencia de calor del flujo de aire forzado mejora considerablemente. En comparación con la refrigeración líquida, la refrigeración por aire tiene las ventajas de una estructura simple, fácil mantenimiento y bajo costo, pero requiere una cierta cantidad de electricidad y la eficiencia de disipación de calor, la velocidad de disipación de calor y la uniformidad de la temperatura son deficientes. Suele ser adecuado para sistemas de baterías de tamaño pequeño o mediano.

2) Refrigeración líquida

La refrigeración líquida (refrigeración líquida) utiliza refrigerante como medio y utiliza calor específico y coeficiente de transferencia de calor más altos para disipar el calor. Los sistemas de refrigeración líquida pueden proporcionar una mayor eficiencia de disipación de calor y mejores efectos de control de temperatura, pero la complejidad y el costo del sistema también son relativamente altos y son adecuados para sistemas de baterías grandes. Los refrigerantes de uso común incluyen agua, solución acuosa de etilenglicol, etilenglicol puro, refrigerante de aire acondicionado y aceite de silicona. Dado que la carga en el electrolito de una batería de flujo fluye fácilmente a través del refrigerante a todo el sistema, es más peligrosa, por lo que la elección del medio de enfriamiento también es muy importante. Sin embargo, el método más común para las baterías de flujo es utilizar intercambiadores de calor no conductores y resistentes a la corrosión. Los materiales internos son generalmente los mismos que los de los tanques de almacenamiento de electrolitos, usando PVC o PP, o usando intercambiadores de calor tubulares de metal de titanio, y la superficie interna está cubierta con una capa de TiO2 resistente a la corrosión para proteger el intercambiador de calor de la corrosión del ácido sulfúrico. .

Como una de las tecnologías de almacenamiento de energía renovable más prometedoras, el problema de sobrecalentamiento de la batería de flujo de vanadio durante el funcionamiento afecta en gran medida la eficiencia y estabilidad del sistema. Por lo tanto, se necesitan varios métodos viables para proporcionar una solución viable para el sistema de gestión térmica VRFB.