Gerenciamento térmico de baterias de fluxo

Baterias de fluxo líquido (RFBs) geram muito calor durante a operação. Se o calor não puder ser dissipado de maneira oportuna e eficaz, a temperatura da bateria aumentará, afetando assim o desempenho e a segurança da bateria. As condições da reação eletroquímica, a condutividade iônica, a taxa na qual os íons se movem através da membrana e a viscosidade do eletrólito estão intimamente relacionadas à temperatura durante a operação. Especificamente, o aumento da temperatura pode aumentar a constante da taxa de reação e promover a cinética da reação na reação eletroquímica. Ao mesmo tempo, a alta temperatura também reduzirá a viscosidade do eletrólito, aumentando assim a eficiência de transmissão dos íons vanádio do corpo principal para a superfície do eletrodo e reduzindo o potencial de polarização da concentração. No entanto, quando a temperatura ultrapassa uma determinada faixa, terá um efeito fatal.

Tomando o bateria de fluxo redox de vanádio (VRFB), por exemplo, sua faixa normal de temperatura operacional é de 0~40°C. À medida que a temperatura aumenta, a reação de evolução do hidrogênio no eletrodo negativo será significativamente melhorada, resultando em uma diminuição na eficiência coulombiana. Ao mesmo tempo, a capacidade de difusão dos íons vanádio através da membrana iônica é aumentada, o que intensifica o desvanecimento da capacidade. Além disso, os íons ativos de vanádio no eletrólito são instáveis e propensos à precipitação quando a temperatura é anormal. Quando o eletrólito de 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 é colocado a 40°C por 2 dias, o VO+2 é convertido em precipitação de V2O5; e após ser colocado a 15°C durante 7 dias, V2+ no eletrólito precipitará. Este precipitado gerado bloqueará o canal de fluxo, cobrirá o feltro de carbono e a membrana iônica, levando ao aumento da perda de energia da bomba e à falha da bateria.

A alta temperatura sustentada também acelerará o envelhecimento dos eletrodos internos, da membrana de prótons e de outros materiais da bateria, encurtando assim a vida útil da bateria. Portanto, o gerenciamento térmico da temperatura é de grande importância para manter a operação estável das baterias de fluxo.

Para garantir a operação estável e segura das baterias de fluxo, é necessário estabelecer um modelo térmico para prever e controlar a temperatura do eletrólito e orientar ainda mais o controle de otimização da bateria, que também é uma parte importante do sistema de gerenciamento térmico.

Os fatores que geram calor durante a operação de baterias de fluxo líquido totalmente vanádio incluem reações eletroquímicas, superpotencial, atrito hidráulico, reações cruzadas e shunts, entre os quais as reações eletroquímicas e a geração de calor superpotencial respondem por uma proporção maior em comparação com os outros três.

Atualmente, as rotas de tecnologia de gerenciamento térmico de sistemas de armazenamento de energia eletroquímica são divididas principalmente em quatro categorias: resfriamento a ar, resfriamento a líquido, resfriamento por tubo de calor e resfriamento por mudança de fase. As principais rotas tecnológicas para gerenciamento térmico de armazenamento de energia de bateria de fluxo líquido no mercado são refrigeração a ar e refrigeração líquida. A escolha desses métodos de dissipação de calor depende da escala, design, condições operacionais e custo-benefício da bateria.

1) Resfriamento a ar

O resfriamento a ar é o resfriamento a vento, que usa o ar como meio para remover o calor de dentro do sistema por condução e convecção de calor, resfriando assim o sistema. O resfriamento a ar é dividido em resfriamento a ar natural e resfriamento a ar forçado de acordo com o modo de condução. O resfriamento natural do ar usa condições naturais, como pressão natural do vento, diferença de temperatura do ar e diferença de densidade do ar para obter um efeito de resfriamento na bateria.

O coeficiente de transferência de calor por convecção do resfriamento com ar natural é muito menor do que o do resfriamento com ar forçado, por isso é difícil dissipar completamente o calor gerado pela bateria. Para carga e descarga de baixa taxa da bateria, a temperatura do sistema pode ser controlada dentro de uma determinada faixa de temperatura, mas o aumento na densidade de corrente do sistema pode facilmente fazer com que a temperatura exceda a faixa limite. Portanto, embora o resfriamento a ar natural tenha as vantagens de simplicidade, leveza e baixo custo, seu escopo de aplicação é extremamente pequeno e raramente é estudado atualmente. O resfriamento com ar forçado remove o calor por meio do fluxo de ar forçado gerado por um soprador ou ventilador. Neste momento, o coeficiente de transferência de calor do fluxo de ar forçado é bastante melhorado. Comparado ao resfriamento líquido, o resfriamento a ar tem as vantagens de estrutura simples, fácil manutenção e baixo custo, mas requer uma certa quantidade de eletricidade, e a eficiência de dissipação de calor, a velocidade de dissipação de calor e a uniformidade de temperatura são baixas. Geralmente é adequado para sistemas de baterias de pequeno ou médio porte.

2) Resfriamento Líquido

O resfriamento líquido (resfriamento líquido) usa refrigerante como meio e utiliza maior calor específico e coeficiente de transferência de calor para dissipar o calor. Os sistemas de refrigeração líquida podem fornecer maior eficiência de dissipação de calor e melhores efeitos de controle de temperatura, mas a complexidade e o custo do sistema também são relativamente altos e são adequados para grandes sistemas de baterias. Os refrigerantes comumente usados incluem água, solução aquosa de etilenoglicol, etilenoglicol puro, refrigerante de ar condicionado e óleo de silicone. Como a carga no eletrólito da bateria de fluxo flui facilmente através do refrigerante para todo o sistema, é mais perigoso, portanto a escolha do meio de resfriamento também é muito importante. No entanto, o método mais comum para baterias de fluxo é usar trocadores de calor não condutores e resistentes à corrosão. Os materiais internos são geralmente os mesmos dos tanques de armazenamento de eletrólitos, usando PVC ou PP, ou usando trocadores de calor tubulares de titânio metálico, e a superfície interna é coberta com uma camada de TiO2 resistente à corrosão para proteger o trocador de calor da corrosão por ácido sulfúrico. .

Como uma das tecnologias de armazenamento de energia renovável mais promissoras, o problema de superaquecimento da bateria de fluxo de vanádio durante a operação afeta muito a eficiência e a estabilidade do sistema. Portanto, vários métodos viáveis são necessários para fornecer uma solução viável para o sistema de gerenciamento térmico VRFB.