Адрес: 105678, г. Москва, Шоссе Энтузиастов, д. 55 (Карта проезда)
Время работы: ПН-ПТ: с 9.00 до 18.00, СБ: с 9.00 до 14.00

Проточный аккумулятор своими руками: Самодельные домашние батареи на 30-100 кВтч делают из аккумуляторов выброшенных ноутбуков

Содержание

Самодельные домашние батареи на 30-100 кВтч делают из аккумуляторов выброшенных ноутбуков

В мае 2015 года Илон Маск представил красивые домашние блоки Powerwall, чтобы хранить энергию от солнечных батарей с крыши — и снабжать бесплатным электричеством весь дом днём и ночью. Даже при отсутствии солнечных батарей такое резервное питание для дома особенно ценно, если в квартале отключили электричество. Компьютер и вся техника продолжат спокойно работать.

Вторая версия Powerwall хранит до 13,5 кВтч, чего должно хватить на несколько часов (стандартная мощность 5 кВт, а в пике 7 кВт). Проблема лишь в том, что оригинальная версия от Tesla стоит аж $5500 (плюс $700 за сопутствующее оборудование, итого $6200, плюс работы по установке стоят от $800 до $2000) — очень дорого. DIY-мейкеры решили эту проблему с помощью бэушных батареек, которые лежат бесплатно в выброшенных ноутбуках.

Своими руками можно собрать блок с лучшими характеристиками, чем у Tesla (например, на 30-100 кВтч) — и намного дешевле.



Энтузиасты DIY-сборки делятся опытом на специализированных форумах DIY Powerwalls, в группе на Facebook и на YouTube. Специальный раздел на форумах посвящён безопасности — это важный аспект, когда собираешь такую мощную штуку, которая может ещё и загореться на улице (их обычно устанавливают за пределами дома, чтобы не нарушать закон и из безопасности).

Для мейкеров сборка и подключение такого блока питания — не только интересное занятие и экономия денег, но ещё и возможность разобраться, как работает электрика в доме.

Практически все энтузиасты в комментарии Motherboard отметили, что их собственные системы получаются гораздо большей ёмкости, чем у Tesla. Вероятно, компания пожертвовала ёмкостью ради красивого тонкого дизайна блока питания и ради большей эффективности охлаждения и безопасности. Один из французских мейкеров с форума под ником Glubux собрал блок на 28 кВтч. Он говорит, что этого хватает для всего дома, и пришлось даже купить электрическую духовку и индукционную плиту, чтобы куда-то расходовать излишки энергии.

Австралийский мейкер Питер Мэтьюс собрал блок на 40 кВтч, который питается от 40 солнечных панелей на крыше, благо в Австралии нет недостатка солнечных дней.

Самый большой самодельный блок, который удалось найти Motherboard, собран из 22 500 ячеек от ноутбуков и имеет ёмкость более 100 кВтч. От такого блока маленький дом может работать несколько месяцев — например, всю зиму — даже если солнечные панели полностью вышли из строя или неактивны.

А калифорнийский блогер Джеху Гарсия намерен собрать из батареек ноутбука систему на 1 мегаватт, крупнейшую подобную систему частного хранения энергии в США.

Большинство энтузиастов использует при сборке литий-ионные аккумуляторы модели 18650. Они обычно упакованы в цветные пластиковые корпуса и устанавливаются в ноутбуки и другую электронику. Новые аккумуляторы 18650 стоят около $5 за штуку, так что система выйдет немногим дешевле модели от Tesla. Поэтому сборщики обычно скупают бэушные аккумуляторы и вынимают аккумуляторы из выкинутых сломанных ноутбуков.

К сожалению, многие люди просто выкидывают аккумуляторы вместе со сломанным ноутбуком, хотя они ещё вполне рабочие. По словам директора крупнейшей в США компании по переработке батарей Call2Recycle, около 95% аккумуляторов не используются повторно, а заканчивают свой путь на свалке, хотя почти все типы батарей могут быть использованы повторно в том или ином виде.

Найти достаточное количество выброшенной техники не так просто, а в последнее время стало ещё труднее, потому что многие люди начали собирать из них собственные энергетические системы вроде Powerwall, а производители ноутбуков вообще не поощряют повторное использование их аккумуляторов в самодельной технике не их фирмы.

После находки батарей их тестируют, затем «обновляют» через cycling с полным разрядом. Потом батареи объединяет в «упаковки». Такие коробки для сотни батарей можно купить на рынке или собрать самостоятельно. Наверх прикрепляют электропроводящие медные «шины» (busbars), а к ним припаивают контакты батарей.

Вся структура прикрепляются к инвертору и монтируется в стойке, которая устанавливается обычно на улице. Можно установить там систему мониторинга для контроля температуры с автоматическим отключением банков энергии, которые слишком сильно разогрелись.

Сейчас уже сформировалось целое сообщество мейкеров со всего мира, которые конструируют такие «аккумуляторные домашние фермы» из старых батарей ноутбуков, чтобы хранить электричество от солнечных батарей. Сообщество объединяет энтузиастов со всего мира, они делятся опытом и советами по безопасности, инженерным системам, совместимости разных типов батарей и т. д. Успех и безопасность Powerwall доказала, что это действительно безопасные системы, пригодные для постоянного долговременного использования (у Powerwall гарантия 10 лет).

Проточные аккумуляторы — аккумуляторы нового типа, представляющие собой накопители электрической энергии, отличающиеся по конструкции от традиционных аккумуляторов. В проточном аккумуляторе жидкий электролит прокачивается через ядро при помощи насосов.

Электролит проточного аккумулятора физически распределен оп двум резервуарам (анодный и катодный резервуары — для анодной и катодной частей электролита), размер которых для аккумуляторов разной емкости может варьироваться. При необходимости замены ячеек на новые, допускается повторное использование электролита, что приводит к существенной экономии материалов.

Самая же уязвимая часть проточного аккумулятора — мембрана в центре ячейки, отделяющая друг от друга соответствующие полуячейки. Проблема в том, что мембрана со временем (испытывает разрушительную коррозию), поэтому к электролиту добавляют специальные примеси, замедляющие коррозию мембраны.

Тем не менее тенденция к использованию ванадия в чистой энергетике уже намечается, ведь это позволит создавать аккумуляторы большой емкости, по характеристикам превосходящие , при том вдвое более дешевые. Стандартизированные проточные аккумуляторы на мощность 250 кВт могут собираться в батареи необходимой емкости вплоть до огромных.

Самые первые проточные аккумуляторы строились по запатентованной в 1954 году технологии, где в качестве электролита выступал

хлорид титана. Технология же на основе ванадиевого электролита была разработана позже — в 1986 году, в Австралийском Университете Нового Южного Уэльса, и получила название «редокс» — Reduction-Oxidation.

Россия пока лишь отрабатывает технологию проточных аккумуляторов в условиях лаборатории — исследует режимы и характеристики, изучает реальный потенциал системы.

Конечно, концепция остается стандартной: окислительно-восстановительная батарея с парой емкостей для жидкого электролита, который пропускается одновременно через положительную и отрицательную полуячейки, разделенные мембраной. При движении в одну сторону, электролит заряжается, а при движении в противоположную сторону — отдает накопленную энергию.

Объемы резервуаров варьируют, изменяя таким образом емкость аккумулятора, а для повышения токовых характеристик — увеличивают площадь мембраны между полуячейками, что позволяет повысить предельно допустимую скорость передачи энергии через батарею.

Хотя тема проточных аккумуляторов давно набирает популярность в мире, в России ей пока не очень активно занимаются, лаборатория Сколтеха, на начало 2020 года, была единственной.

Сейчас выявлен основной минус технологии — высокая стоимость ванадия — больше 60 долларов за килограмм оксида. Кроме того исследователи ищут более оптимальный материал для мембраны: этот недорогой материал должен уметь пропускать лишь определённые ионы, при этом быть химически стойким.

Справедливости ради отметим, что еще в 1996 году японцы уже использовали у себя в стране подобные проточные аккумуляторы общей мощностью более 100 кВт. Сегодня уже можно говорить о достижимых мощностях в десятки мегаватт.

По сей день такие системы применяются в Японии для стабилизации частоты переменного тока

с номинальной мощностью в 60 мегаватт. Таким образом, уже сейчас перспективы проточных аккумуляторов вполне очевидны. Они хорошо подойдут для хранения электрической энергии в больших объемах, остается довести технологию до совершенства.

Читайте наш Телеграм-канал https://t.me/ieport_new

Читайте также: Носледние новости России и мира сегодня.

Как устроен проточный аккумулятор — подробно

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
Опубликовано 06.04.2016 02:48
Автор: Abramova Olesya

Проточный (редокс) аккумулятор – это электрическое устройство хранения энергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом. (Смотрите BU-210: Как устроен топливный элемент). Жидкий электролит, состоящий из раствора металлических солей, прокачивают через ядро, которое состоит из положительного и отрицательного электрода, разделенных мембраной. Возникающий между катодом и анодом ионный обмен приводит к выработке электричества.

Большинство коммерческих проточных аккумуляторов используют раствор серной кислоты и ванадиевой соли в качестве электролита; электроды изготавливаются из графитовых двухполюсных пластин. Ванадий является одним из немногих доступных активных веществ, с которыми процесс эрозии можно держать под контролем, но, тем не менее, она присутствует. Были опробованы проточные аккумуляторы, содержащие драгоценные металлы, например, платину, которая также используется в различных типах топливных элементов. Исследования продолжаются и сегодня, ведь легкодоступное и дешевое активное вещество поможет сделать технологию проточных аккумуляторов более распространенной.

Приводимые в действие мощными насосами, проточные аккумуляторы показывают лучший результат работы при размерах больше 20 кВт. Количество допустимых циклов заряда/разряда у них доходит до 10000, что сопоставимо с 20 годами службы. Каждая ячейка производит 1,15-1,55 В, для достижения нужных значений напряжения они последовательно соединяются. Значение удельной энергоемкости составляет примерно 40 Вт*ч/кг, что соответствует показателю свинцово-кислотного аккумулятора. Подобно топливному элементу, плотность энергии и быстродействие у проточного аккумулятора умеренны. Это делает его более оптимизированным для хранения больших объемов энергии; и менее – для электрических силовых агрегатов и устройств, требующих быстродействия аккумулятора.

Электролит в таком аккумуляторе хранится в резервуарах. Для увеличения плотности энергии можно просто увеличить размеры резервуаров, это даст 50 % экономии по сравнению с покупкой новой системы. При замене аккумулятора электролит может быть использован повторно, что предоставляет дополнительную экономию. Проблемной частью проточного аккумулятора является мембрана, которая имеет тенденцию к коррозии. Высокая стоимость мембраны побуждает использовать примеси к электролиту, которые препятствуют коррозии. На рисунке 1 показан концепт проточного аккумулятора.

Рисунок 1: Проточный аккумулятор. Электролит хранится в резервуарах и прокачивается через ядро для выработки электричества; при зарядке процесс идет в обратном направлении. Объем электролита регулирует емкость аккумулятора.
Ванадий – 23-й элемент периодической таблицы, основные запасы которого расположены в Китае, России и ЮАР. В настоящее время 90% добываемого ванадия используется в сплавах стали, но его присутствие в “зеленой” энергетике, в том числе в производстве проточных аккумуляторов, все более значимо. В настоящее время стоимость проточного аккумулятора аналогична стоимости литий-ионного, и составляет $ 500 за кВт/ч, причем есть все предпосылки к ее снижению до уровня $ 250 за кВт/ч.

Большие системы проточных аккумуляторов суммарной мощностью более 100 кВт были в эксплуатации в Японии уже в 1996 году. Мощность же современных установок достигает десятков мегаватт, например, в той же Японии существует система для регулирования частоты тока мощностью 60 мВт.

Присутствует тенденция к уменьшению стоимости и размеров таких аккумуляторов. Вместо того, чтобы конструировать огромный аккумулятор, напоминающий размерами целый химический завод, современные модели поставляются в типовом размере, как правило, 250 кВт, которые могут быть собраны в систему необходимой мощности подобно конструктору. Проточные аккумуляторы постепенно завоевывают популярность не только в Японии, но и в других частях света.

Первые проточные аккумуляторы использовали хлорид титана в электролите, эта технология была запатентована в июле 1954 года. Современная ванадиевая технология, также иногда называемая “редокс”, была разработана в Австралийском Университете Нового Южного Уэльса и получила патент в 1986 году. Термин “редокс” происходит от английского Reduction-Oxidation, что переводится как окислительно-восстановительная реакция.

Последнее обновление 2016-02-21

Как сделать литиевый аккумулятор (батарею) своими руками

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
Опубликовано 15.04.2016 19:45
Автор: Abramova Olesya


Первым этапом создания литий-ионного аккумулятора является определение требований к значению напряжения и необходимому времени работы. Затем уточняются характеристики нагрузки, окружающей среды, габаритные размеры и вес. У современных портативных устройств будут повышенные требования к толщине аккумулятора, поэтому предпочтительным будет выбор призматического или даже бескорпусного форматов. Если же толщина не будет определяющим фактором, то выбор цилиндрических элементов типоразмера 18650 в качестве структурных частей позволит обеспечить более низкую стоимость и лучшую производительность (с точки зрения удельной энергоемкости, безопасности и долговечности). (Смотрите также BU-301a: Разнообразие форм электрических батарей).

Большинство аккумуляторов, используемых в медицинском оборудовании, электроинструменте, электровелосипедах и даже электромобилях, используют элементы типоразмера 18650. Казалось бы, использование этого цилиндрического элемента не особо практично из-за большого занимаемого им объема, но его сильные стороны, такие как развитая и массовая технология производства, а также низкая стоимость ватт-часа утверждают обратное.

Как уже говорилось выше, цилиндрическая форма элемента не является идеальной, поскольку она приводит к образованию пустого пространства в многоэлементных системах. Но если рассматривать вопрос с точки зрения необходимости охлаждения, то этот недостаток превращается в преимущество. К примеру, элементы типоразмера 18650 используются в электромобиле Tesla S85, где их суммарное количество достигает 7000 штук. Эти 7000 элементов формируют сложную аккумуляторную систему, где используется и последовательное соединение для увеличения напряжения, и параллельное – для увеличения силы тока. В случае выхода из строя одного элемента в последовательном соединении потеря мощности будет минимальна, а в параллельном такой элемент отключится системой защиты. Соответственно, нет зависимости всего аккумулятора от единичных элементов, что позволяет более стабильную эксплуатацию.

У производителей электромобилей нет единого мнения по поводу использования типоразмеров, но существует тенденция к использованию более крупных форматов, так как это уменьшает общее количество элементов в аккумуляторе и соответственно снижает стоимость системы защиты. Экономия может достигать 20-25 процентов. Но с другой стороны, использование больших элементов приводит к удорожанию суммарной стоимости кВт*ч. По данным за 2015 год, именно Tesla S85 с элементами типоразмера 18650 имеет более низкую стоимость ватт-часа в сравнении с электромобилями, использующими большие призматические аккумуляторы. В таблице 1 сравнивается стоимость кВт*ч различных электромобилей.

Модель Тип элемента Стоимость кВт*ч Удельная энергоемкость
Tesla S85, 90 кВт (2015)* 18650 $260/кВт*ч 250 Вт/кг
Tesla 48кВт Gen III 18650 $260/кВт*ч 250 Вт/кг
Лучшие модели с DoE/AABC бескорпусная/призматическая $350/кВт*ч 150-180 Вт/кг
Nissan Leaf, 30 кВт (2016)* бескорпусная/призматическая $455/кВт*4 80-96 Вт/кг
BMW i3 бескорпусная/призматическая нет данных 120 Вт/кг

Таблица 1: Сравнение стоимости ватт-часа различных моделей электромобилей. Массовое производство элементов типоразмера 18650 удешевляет использующие их аккумуляторы.

* В 2015-2016 году в Tesla S85 увеличилась мощность аккумулятора с 85 кВт*ч до 90 кВт*ч. В Nissan Leaf также произошло увеличение — с 25 кВт*ч до 30 кВт*ч.

Разрабатываемый аккумулятор должен соответствовать нормам безопасности не только при стандартной работе, но и в случае выхода из строя. Все источники энергии, и электрические батареи не исключение, в конечном итоге вырабатывают свой ресурс и приходят в негодность. Бывают и случаи преждевременного, непрогнозируемого выхода из строя. Например, после некоторых инциндентов, бортовой литий-ионный аккумулятор лайнера Боинг 787 помещен в специальный металлический контейнер с вентилированием наружу. В электромобилях Tesla аккумуляторный отсек дополнительно защищается стальной пластиной во избежание проникающих повреждений.

Большие аккумуляторные системы для высоконагруженных систем имеют принудительное охлаждение. Оно может быть реализовано в виде отвода тепла радиатором, а может включать в себя вентилятор для подачи холодного воздуха. Также существуют системы с жидкостным охлаждением, но они довольно дорогие, и используются, как правило, в электромобилях.

Уважающие себя производители электрических элементов не поставляют литий-ионные элементы несертифицированным компаниям-производителям аккумуляторов. Эта мера предосторожности вполне оправдана, так как схема защиты в конструируемом аккумуляторе может быть некорректно настроена ради завышения показателей, и элементы будут заряжаться и разряжаться не в безопасном интервале напряжений.

Стоимость сертифицированной аккумуляторной системы для воздушного транспорта или для иного коммерческого использования может составлять от $ 10000 до $ 20000. Столь высокая цена вызывает беспокойство, особенно зная о том, что производители периодически меняют используемые в таких системах электрические элементы. Аккумуляторная система с такими новыми элементами хоть и будет указана в качестве прямой замены более старой, снова будет требовать новых сертификатов.

Часто задают вопрос: ”Зачем нужна сертификация аккумулятора, если элементы, из которых он состоит, уже одобрены?”. Ответ довольно прост — конечное устройство, аккумулятор, также должно быть проверено на соответствие стандартам безопасности и правильность сборки. К примеру, неисправность той же схемы защиты может привести к возгоранию или даже взрыву, а ее тестирование возможно только в готовом аккумуляторе.


Аккумуляторы EverExceed

 

OPzS NI-CD OPzV
20 лет / 1500 циклов 25 лет / 2000 циклов 20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д.

Согласно правилам, установленным ООН, аккумулятор должен пройти механические и электрические тесты, чтобы соответствовать требованиям, регламентирующим возможность воздушной транспортировки. Эти правила (UN/DOT 38.3) работают совместно с рекомендациями Федерального Управления Гражданской Авиации (FAA), Департамента Транспорта США (US DOT) и Международной Ассоциации Воздушного Транспорта (IATA)*. Сертификация распространяется на первичные и вторичные литиевые батареи.

Правила ООН 38.3 включают в себя такие тесты:

  • Т1 — Имитация работы на высоте (первичные и вторичные батареи)

  • Т2 — Температурные испытания (первичные и вторичные батареи)

  • Т3 — Вибрация (первичные и вторичные батареи)

  • Т4 — Удар (первичные и вторичные батареи)

  • Т5 — Внешнее короткое замыкание (первичные и вторичные батареи)

  • Т6 — Механическое воздействие (первичные и вторичные батареи)

  • Т7 — Перезарядка (вторичные батареи)

  • Т8 — Принудительный разряд (первичные и вторичные батареи)

Испытуемые электрические батареи должны пройти испытания, не причинив вреда окружающему пространству, сохранение ими работоспособности после тестов не играет никакой роли. Эти испытания предназначены исключительно для тестирования безопасности, а не потребительских качеств. Уполномоченная лаборатория, проводящая эти тесты, нуждается в 24 образцах батарей, 12 новых и 12 прошедших 50 циклов заряда/разряда. Присутствие уже используемых аккумуляторов гарантирует более реалистичное качество выборки.

Высокая стоимость сертификации является неподъемной для небольших производителей литий-ионных батарей, поэтому конечная цена сертифицированных моделей довольно высока. Но у потребителей есть выбор — вместо сертифицированного литий-ионного вполне можно приобрести аккумулятор на основе никеля, транспортировка которого не регламентируется так строго. (Смотрите BU-704: Транспортировка электрических батарей.)

2. Рекомендации по работе с литий-ионными батареями
  • Соблюдайте осторожность при работе и тестировании аккумуляторов.

  • Не допускайте короткого замыкания, перезарядки, сдавливания, падения, проникновения посторонних предметов, применения обратной полярности, воздействия высокой температуры на аккумулятор.

  • Не разбирайте аккумулятор.

  • Используйте только оригинальные литий-ионные аккумуляторы и зарядные устройства.

  • Следует прекратить эксплуатацию аккумулятора и/или зарядного устройства при чрезмерном нагреве.

  • Следует помнить, что вещество электролита легковоспламеняемое и взрыв или возгорание аккумулятора может привести к травмам.

* Международная ассоциация воздушного транспорта работает с авиакомпаниями и воздушной транспортной отраслью для обеспечения безопасности, надежности и экономичности авиаперевозок.

В проточных аккумуляторах будет использоваться органический электролит

Новый состав проточной батареи предложен учеными Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Ожидается, что стоимость производства будет на 60% ниже, чем у существующих аналогов. Технология, разработанная специалистами PNNL, заключается в использовании недорогого органического электролита вместо стандартных материалов – метила и ванадия, которые имеют высокую стоимость, токсичны и небезопасны. Кроме того, новую технологию можно легко использовать в уже существующих классических проточных аккумуляторах.Проточные батареи имеют две раздельные емкости, в которых содержатся электролиты. Для производства электроэнергии электролиты закачиваются системой в общий резервуар, в котором находятся два электрода, разделенные мембраной. В процессе обмена ионами через мембрану вырабатывается электричество. Проточные аккумуляторы более безопасны, чем литий-ионные аналоги, могут выдерживать высокую температуру и легко переносят длительные периоды бездействия. Такие батареи идеально подходят для хранения и высвобождения энергии из возобновляемых источников – солнечных панелей или ветрогенераторов. Теперь исследователи смогли усовершенствовать технологию работы аккумуляторов, устранив существовавший до этого момента недостаток – необходимость в дорогих и токсичных материалах. Ученые заменили метил и ванадий органическими электролитами. Ожидаемая стоимость киловатт-часа батареи с новым составом – 180 долларов, что на 60% меньше чем у стандартных проточных аккумуляторов. Сейчас исследователи планируют создать масштабный прототип, способный выдерживать нагрузки стандартного частного дома (до пяти киловатт).Конкурентом новинки может стать инновационный аккумулятор, разработанный инженерами Гарварда. Новая батарея обеспечит безопасное и эффективное хранение энергии, используя раствор воды и редкоземельных элементов.

Питання хімії та хімічної технології

ISSN 2413-7987 (Online), ISSN 0321-4095 (Print)

Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii (Issues of Chemistry and Chemical Technology) is published bimonthly by the Ukrainian State University of Chemical Technology and accepts Ukrainian- or English language high-quality original articles and reviews concerning various fields of research in chemistry and chemical engineering.

Our unusual title “Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii” originates from the transliterated initial Russian title “Issues of Chemistry and Chemical Technology. The fact of the matter is that Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii was founded in 1965 as a scientific journal mainly for Russian-reading and Russian-speaking readership when «the Iron Curtain» existed. Since 1991, after Ukraine declared its independence, our Journal began to publish the articles in Ukrainian and English. Multilingualism is our established tradition.

We remember and cherish our traditions, but we follow the latest trends in modern science. Papers that are multidisciplinary or address new or emerging areas of chemistry and chemical engineering are particularly encouraged. Thus, the scope of the Journal is dynamic. It includes but is not limited to the traditional areas of general, inorganic, organic, analytical, physical chemistry and electrochemistry as well as all conventional areas of chemical engineering (chemistry of high molecular compounds, technology of inorganic and organic substances, processing of combustible minerals, chemical technology of silicates, processes and apparatus of chemical productions, etc. ). The Journal publishes papers dealing with newer interdisciplinary areas such as materials science and materials chemistry, nano-science, catalysis, computational and theoretical chemistry, surface phenomenon and colloidal systems, environmental chemistry, and green chemistry.

Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii is an Open Access journal. By “open access”, we mean that all articles are available on the public internet and any users may read, download, copy, distribute, print, search or link to the full texts of these articles, use them for any other lawful purpose, without financial, legal or technical barriers other than those inseparable from gaining access to the internet itself. All articles are available to readers completely free of charge.

The articles are published in Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii under the Creative Commons Attribution 4.0 License (CC-BY). This allows copying, displaying and distributing the content at no charge and without permission, provided that the author and source are appropriately credited.

The authors retain full ownership to their content published in Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii. We claim no intellectual property rights over the material provided by the authors in our journal.

Contributions of the researchers of all nationalities are welcomed.

There are no charges to submit and publish a research paper or a review paper in Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, provided that all authors/co-authors, without any exceptions, are affiliated with non-Ukrainian universities and/or institutions.

The Journal is included in Ulrich’s Periodicals Directory and indexed by Scopus (since 2015), Chemical Abstracts Service (CAS), CrossRefGoogle Scholar, and Open Academic Journals Index.

0.7 (2020) 72% (2021)
CiteScore (Scopus) Acceptance Rate
$ 0
Article Publishing Charge (for Non-Ukrainian authors only)
38 days 4 months
Submission to first decision Submission to online publication

 

How to cite a paper published in Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii:

Please, do not use any abbreviation of the journal title and give the reference as follows:

Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii. 2020; (4): 5-15.

Как выбрать ирригатор для полости рта


Что такое ирригатор

Ирригатор полости рта — это прибор, который с помощью пульсирующей струи воды под давлением очищает ротовую полость, массирует дёсны и промывает межзубные промежутки. 

Для чего нужен ирригатор

  1. Для профилактики кариеса. Ирригатор помогает избавиться от налёта на зубах и языке. Он также чистит труднодоступные места — у коренных зубов, зубов мудрости, межзубных промежутков и ортодонтических конструкций.
  2. Для профилактики и лечения заболеваний дёсен. Ирригатор улучшает кровообращение и ускоряет процессы регенерации. Это помогает укрепить дёсны и сократить кровоточивость. 
  3. Для ухода за имплантами, коронками, мостовидными протезами, брекет-системами и другими конструкциями. Ирригатор промывает их и полости под ними.
  4. Для устранения причины неприятного запаха изо рта — бактериального налёта.
  5. Для профилактики гингивита. Заболевание может возникать у беременных и кормящих женщин из-за ухудшения кровоснабжения слизистых.
Противопоказаний к использованию ирригатора нет.

Виды ирригаторов

Ирригаторы бывают стационарные и портативные. Для домашнего использования лучше выбрать стационарный — он надёжнее и прослужит дольше. Некоторые такие приборы можно крепить на стену. Это полезно, если у раковины мало места. 

Если в ванной нет розетки, можно выбрать портативный ирригатор — он работает от аккумулятора, а заряжать его можно где угодно. Портативный ирригатор легче и меньше стационарного, и его удобно брать в поездки.

Первый важный параметр выбора ирригатора — мощность струи воды. У портативного ирригатора мощность должна быть не менее 520 килопаскалей (кПа), у стационарного — не менее 550 кПа. Второй параметр выбора — это количество пульсаций струи в минуту. Оптимальное значение — 1200 пульсаций.

Ирригаторы также отличаются системой переключения режимов. У стационарных, в основном, переключение режимов происходит плавно, у портативных — ступенчато. Если ирригатор используют дети или люди с заболеваниями дёсен, им будет сложнее настроить комфортную мощность на портативном.


Сравнение популярных моделей

Чтобы помочь вам сделать правильный выбор, мы подготовили сравнительные таблицы стационарных и портативных ирригаторов. Здесь перечислены все важные характеристики приборов.

Стационарные ирригаторы
  Waterpik WP-100 E2 Ultra  Revyline RL 100  Waterpik WP-660 Aquarius  Revyline RL 500 Aquajet LD-A8  B. Well WI-922  Donfeel OR-820D Compact  Donfeel OR-840 Ai  CS Medica AquaPulsar CS-2 
Объём резервуара, мл 650  600  650  600  500  600  600  600  500 
Количество насадок 5    7    8    5    5   
Гарантия  2 года  2 года  2 года  2 года  1 год  2 года  1 год   1 год   2 года 
Мощность  от 70 до 690 кПа  от 210 до 870 кПа  от 70 до 690 кПа  от 210 до 870 кПа  от 290 до 810 кПа  от 207 до 827 кПа от 100 до 650 кПа  80 — 680 кПа  от 150 кПа до 850 кПа 
Количество пульсаций, мин
1400  1200-1700  1400  1200-1700  1200  1250-1850  1250 — 1550  1250 — 1700  от 1100 до 1600 
Крепление на стену нет  нет  нет  нет  есть  нет  нет  нет  есть
Портативные ирригаторы
  Waterpik WP-450 Revyline RL 450 Philips Sonicare AirFloss Ultra HX8381/01  Panasonic EW-DJ40  Panasonic EW1211A  Revyline RL 200XL  B. Well WI-911  B.Well WI-912  CS Medica AquaPulsar CS-3 Basic 
Объём резервуара, мл  210  240   15 165  130  300  150   150   130 
Количество насадок  4    5    1    1    2    2    2    5    2   
Гарантия  2 года 2 года  2 года  2 года  2 года  2 года 1 год  1 год  2 года 
Мощность  от 310 до 520 кПа  от 130 до 760 кПа    390 и 590 кПа  от 200 до 590 кПа  от 210 до 700 кПа  275 — 620 кПа  378 — 720 кПа    до 590 кПа 
Количество пульсаций, мин  1450  до 1700    1400  1400  1400-1800  1600  1420  1200 — 2000 


Насадки и их виды

В комплекте с ирригатором идёт одна или несколько насадок. Помните, что у каждого члена семьи должна быть своя насадка. Насадки можно докупать и менять. Они бывают нескольких видов.

  • Стандартная насадка подходит для чистки здоровых зубов и дёсен. 
  • Ортодонтическая насадка нужна, чтобы убирать налёт под брекетами и под десневым краем. Для этих целей можно использовать и стандартную насадку, но ортодонтическая удобнее. 
  • Пародонтологическая насадка с тонким наконечником из мягкой резины направляет струю за десневой край и в зубодесневые карманы. Ей нельзя пользоваться на максимальной мощности — так она может резко слететь или порваться.
  • Насадка для имплантов, коронок и мостов — с 3 пучками щетинок для удобной очистки конструкций.
  • Насадка для чистки языка убирает налёт с языка и щёк, устраняя причину неприятного запаха.
  • Для дополнительного снятия налёта существует насадка-щётка. Но она не заменяет обычную зубную щётку.
  • Назальная насадка нужна для орошения полости носа в процессе лечения или профилактики ринита и гайморита.
Стандартные насадки нужно менять примерно раз в полгода, а пародонтологические, ортодонтические и насадки-щётки — каждые 3 месяца. Помните, что у каждого члена семьи должна быть своя насадка.

Бальзамы для ирригатора

Использование специальных бальзамов для ирригатора может усилить эффект от процедуры, так как их компоненты обладают антибактериальными и противовоспалительными свойствами. Выбор жидкости зависит от ваших целей. Одни жидкости способствуют укреплению эмали, другие эффективны при воспалительных заболеваниях дёсен, третьи оказывают комплексное действие. На нашем сайте можно купить жидкости для ирригаторов от компаний Waterdent, Donfeel, Профессор Персин, Альбадент, Асепта, R.O.C.S. и Ирикс. Выгодно покупать наборы из нескольких флаконов.

Как выбрать жидкость для ирригатора

При выборе жидкости для ирригатора следует учитывать её состав и назначение. Не стоит заливать в ирригатор жёсткую проточную воду — в ней могут содержаться вредные для эмали примеси, а ещё она может со временем привести к поломке прибора. В зависимости от активных веществ растворы помогут решить разные проблемы. Они бывают 4 видов.

  • Укрепляющие эмаль — с фтором.
  • Лечебно-профилактические — с антисептиками и растительными экстрактами. 
  • Для свежести дыхания — с мятой, ментолом или эвкалиптом. 
  • Для лечения пародонтоза — с биоантиоксидантами и противокариесными добавками.

Аллергикам рекомендуется выбирать гипоаллергенные бальзамы.


Уход за ирригатором

Вот несколько правил ухода за ирригатором.

  • Не трогайте зарядное устройство влажными руками.
  • Не допускайте контакта включенного в сеть устройства с водой.
  • Внимательно следите за целостностью шнура.
  • Не протирайте корпус спиртом.
  • Не ставьте прибор вблизи нагревательных приборов.
  • Заливайте в резервуар только воду и специальные бальзамы для ирригатора.
  • Во время работы ирригатора не держите долго кнопку паузы – мотор может перегореть.
  • Используйте только рекомендованные производителем насадки.
  • Если берете ирригатор в дорогу зимой, в нём не должно быть воды — иначе она замерзнет и прибор сломается. Чтобы убрать всю воду, включите ирригатор. Пусть он работает до тех пор, пока вся жидкость не выйдет.

Заблуждения

❌ Ирригатор может заменить зубную щётку

Использование зубной щётки обязательно для качественного ухода за полостью рта. Ирригатор — это дополнительное средство гигиены, он может заменить зубную нить, но не щётку с пастой.

❌ Ирригатором достаточно пользоваться пару раз в неделю

Ирригатором нужно пользоваться каждый раз после чистки зубов щеткой, то есть утром и вечером.

❌ Обязательно нужно использовать бальзамы для ирригаторов

Можно пользоваться ирригатором с обычной теплой водой. Она должна быть фильтрованной или кипячёной. Бальзамы для ирригатора помогают бороться с некоторыми заболеваниями, но их использование не обязательно.

❌ В ирригатор можно заливать отвары трав и обычные ополаскиватели

В ирригатор можно заливать только воду и специальные бальзамы. Ополаскиватели для полости рта сильно пенятся в резервуаре, а травяные настои дают осадок. Всё это может быстро сломать прибор.

❌ Шланг для подачи жидкости должен быть длинным

Шланг не должен быть слишком длинным, так как при использовании ирригатора вам всё равно придётся наклоняться над раковиной. Использовать прибор стоя не имеет смысла.

❌Чем больше у ирригатора уровней мощности, тем он лучше

Современные ирригаторы имеют плавную регулировку мощности, и количество делений на тумблере достаточно условно.

Итого: какой ирригатор лучше выбрать

Выбор ирригатора зависит от вашего образа жизни, характера проблем с зубами и количества будущих пользователей.


Стационарный или портативный

Если прибор нужен в командировках и поездках — выбирайте портативный, дорожный ирригатор. Обратите внимание на объём резервуара, наличие чехла для перевозки и ёмкость аккумулятора. Выбирая портативный ирригатор, проверьте, есть ли у него индикатор заряда батареи. Если его нет, внезапная разрядка прибора может стать неприятным сюрпризом. 

Если есть возможность поставить дома стационарный прибор — выбирайте его, он прослужит дольше. При покупке обратите внимание на длину сетевого кабеля — она должна позволять расположить прибор в удобном месте. Среди преимуществ стационарного ирригатора — высокая мощность, вместительный резервуар, большой выбор насадок.

Рекомендации

  • Если вам нужен ирригатор для брекетов, протезов или коронок — выбирайте ирригатор со специальной насадкой в комплекте.
  • Если покупаете ирригатор для большой семьи — выбирайте модели с большим резервуаром и нужным количеством насадок.
  • Если ирригатором будут пользоваться дети или люди с заболеваниями дёсен, режим работы должен быть более щадящий. Чем ниже будет минимальная мощность работы прибора, тем комфортнее им будет. Также в таком случае важна плавная регулировка мощности.

Как выбрать ирригатор: видео



Рецепт недорогой, безопасной и масштабируемой проточной батареи

Хотим мы это признать или нет, но все мы довольно сильно зависим от батареек. В основном мы думаем о маленьких батареях на индивидуальном уровне — в наших мобильных телефонах, часах или ноутбуках. Но батареи можно использовать в технологиях, поддерживающих несколько людей, например в гибридных автомобилях. По мере того, как ученые разрабатывают аккумуляторы с большей емкостью хранения энергии, мы можем начать расширять наши взгляды на еще более масштабные приложения.

Если бы батареи можно было спроектировать для безопасного хранения большого количества энергии, их можно было бы интегрировать в существующую энергосистему. Этот тип интеграции можно использовать для хранения энергии, полученной из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер, а также для сглаживания внезапных скачков спроса. Недавние достижения в технологии, называемой проточными окислительно-восстановительными батареями (RFB), обещают масштабируемое хранение энергии.

RFB состоят из органических материалов, способных переносить электроны (редокс-активные).Почти все RFB состоят из двух бассейнов жидкого электролита, разделенных мембраной, которая позволяет некоторым ионам проходить между двумя жидкостями. В этих системах электроны перетекают из отрицательно заряженной жидкости (анолита) в положительно заряженную жидкость (католит). Эти электроны могут либо заряжать систему, либо извлекаться для использования. Поскольку основные компоненты батарей являются жидкими, их можно увеличить, просто увеличив резервуары для хранения.

Новая доступная аккумуляторная платформа

Чтобы эта технология накопления энергии работала, мембрана должна соответствовать большому списку требований.Коррозионная природа электролита требует мембраны с очень высокой химической стабильностью. Для коммерциализации систем мембрана должна быть недорогой. Все материалы, используемые в системе, также должны быть просты в производстве в больших масштабах.

Качество мембраны также имеет огромное значение для работы RFB. Он должен обеспечивать исключительно поток электронов и должен удерживать активные химические вещества. Это очень важно для предотвращения короткого замыкания и саморазряда. Высокая стоимость мембран, отвечающих этим критериям , представляет собой серьезное препятствие для коммерциализации многих RFB.На одну особенно распространенную мембрану, Нафион, приходится 40 процентов стоимости всей клетки.

Реклама

Группа ученых разработала аккумуляторную систему, в которой электролит на водной основе сочетается с органическим химически активным материалом и недорогой мембраной. Их конструкция включает органический полимер в качестве окислительно-восстановительного актива, простую соль (NaCl) в качестве электролита и обычную диализную мембрану (команда использовала диализную мембрану на основе целлюлозы).Эти мембраны очень недороги и обычно используются в лабораторных условиях для разделения полимеров

.

Команда использовала полимеры, которые были разработаны для оптимальной окислительно-восстановительной активности. Анолит содержит простое органическое химическое соединение (производное 4,4’-бипиридина), способное отдавать электроны. Католит содержит окислительно-восстановительный активный материал (радикал ТЕМПО), который способен принимать электроны. Католит и анолит ведут себя очень похоже на воду — из-за низкой вязкости требуется лишь небольшое количество энергии для прокачки жидкостей по системе. Это позволяет более эффективно транспортировать электроны. Им также удалось добиться хорошей производительности клеток за счет оптимизации проницаемости мембраны для соли.

Ученым было интересно проверить селективность мембраны — она должна пропускать электроны, но не другие материалы. Поэтому они определили, способен ли какой-либо из компонентов католита или анолита пройти через мембрану. Во-первых, они выполнили 10 000 циклов заряда-разряда тестовой ячейки RFB.Затем они взяли пробы растворов анолита и католита. Они обнаружили, что через нее проходят только следовые количества полимеров.

Проверка системы

Команда построила дополнительные батареи и проверила свойства системы. Они обнаружили, что RFB может обеспечить напряжение холостого хода 1,1 В. Это означает, что систему можно безопасно заряжать и разряжать в диапазоне напряжений 0,8–1,35 В.

Эти элементы также смогли сохранить высокий процент своей первоначальной емкости, демонстрируя энергоэффективность от 75 до 80 процентов. Также были проведены дополнительные исследования заряда-разряда, чтобы понять стабильность напряжения. Они обнаружили, что напряжение стабильно в диапазоне от 10 до 90 процентов заряда. Даже после 10 000 циклов в статической неоткачиваемой ячейке сохранялось 80 процентов первоначальной емкости.

В целом, эта система устраняет многие опасности, связанные с более ранними проточными батареями, и в то же время является доступной альтернативой. Кроме того, окислительно-восстановительные материалы фактически меняют цвет при переносе электронов, что действует как визуальная индикация состояния заряда батареи.Это экспериментальное исследование может проложить путь к новому классу более безопасных батарей, которые можно масштабировать для работы в сети.

Nature , 2015. DOI: 10.1038/nature15746 (о DOI).

Изображение списка Энди Армстронга через Flickr

Металлическая свалка превратилась в самодельную супербатарею

«Производителям аккумуляторов это не понравится», — сказал мне Кэри Пинт.

Пинт, доцент кафедры машиностроения в Университете Вандербильта, рассказывал о высокопроизводительной аккумуляторной батарее, которую он и его студенты сделали из металлолома и обычных бытовых химикатов, что они задокументировали в опубликованной статье.Мало того, что батарея мощная и простая в сборке, она представляет собой новый подход к инновациям, поскольку она полностью минует промышленность и производство и идет непосредственно к людям.

«Мы можем выполнять тяжелую работу, мы можем заниматься разработкой, а затем вместо того, чтобы сообщать об этом промышленности, мы можем сообщать об этом общественности», — сказал Пинт.

В наши дни, если вы хотите узнать, как построить штуковину или отремонтировать машину, вы можете найти инструкции на Youtube. Распространение видеороликов с практическими рекомендациями наряду с ростом культуры производителей, в которой ремесленники и хакеры объединяются для создания новых устройств, привели к инновациям практически во всех областях. Кроме аккумуляторов. Пинт и его ученики стремятся изменить это.

Они планируют создать онлайн-видео, чтобы показать самодельщикам, как собрать аккумулятор, а затем запросить отзывы для внесения улучшений. Думайте об этом как о подходе с открытым исходным кодом к хранению энергии.

«Обычный человек мог бы работать с нами над этим», сказал Пинт.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО: Почему садится аккумулятор вашего телефона?

Команда черпала вдохновение из древней технологии под названием «Багдадская батарея», которая восходит к первому веку до нашей эры.Он состоял из терракотового горшка, медного листа и железного стержня, а также некоторых следовых химических веществ, которые могли быть электролитом.

Компоненты батареи Пинта звучат одинаково. Все начинается с куска стали, куска латуни и банки. Команда замачивала металлические детали в банке с раствором воды и соли или раствором воды и антифриза. Затем они применили напряжение, чтобы вызвать известный процесс, называемый анодированием, который реструктурирует наноскопический состав металла.Это обнажает внутреннюю поверхность металла и делает его более восприимчивым к хранению и высвобождению энергии.

Следующим шагом было создание физического барьера между двумя кусками металла. Наконец, они погрузили его в раствор электролита, сделанный из воды и гидроксида калия, мыло, которое легко купить в Интернете. При подключении проводами к устройству, генерирующему ток, например к солнечной панели, их штуковина работала точно так же, как автомобильный аккумулятор.

СВЯЗАННЫЕ: Разорванная батарея заживает, как кожа 90 процентов своей мощности.

После того, как они сняли видео и получили отзывы, они планируют усовершенствовать дизайн, масштабировать его, а затем поделиться им с более широкой аудиторией. По словам Пинта, любой может использовать самодельную батарею для хранения энергии своих солнечных панелей и полного отключения от электросети.

«У меня есть идея построить крошечный дом с открытым исходным кодом, с солнечной панелью на крыше и небольшой батареей из металлолома сзади, и подключить ее где-нибудь в горах», — сказала Пинт. «Это была бы идеальная жизнь.

Пинт приглашает всех, у кого есть похожая мечта, связаться с ним здесь.

Растущая группа энтузиастов, занимающихся самоделкой, обращает свое внимание на накопление энергии в жилых помещениях.

Для этих поклонников Tesla Powerwall за 3000 долларов не впечатляет. Вместо этого они создают свои собственные версии «сделай сам» — за небольшую часть стоимости.

Джеху Гарсия, Питер Мэтьюз и Даниэль Рёмер — лидеры движения, которое использует социальные сети, чтобы показать, как можно создавать домашние аккумуляторы из аккумуляторов для ноутбуков.

Гарсия, чей канал на YouTube насчитывает почти 113 000 подписчиков, работает над промышленной аккумуляторной системой DIY с емкостью хранения 1 мегаватт-час. Его видеоанонс проекта был просмотрен более 91 000 раз.

Гарсия впервые поделился тем, как собрать самодельную версию Tesla Powerwall в 2016 году.Хотя он так и не завершил проект, он вдохновил других ютуберов последовать его примеру.

Одним из них был австралиец Питер Мэтьюз, который ведет форум DIY Powerwalls. В августе он продемонстрировал самодельную аккумуляторную систему на 40 киловатт-часов, собранную из 4480 литий-ионных элементов типоразмера 18650, 23 000 подписчиков на своем канале YouTube.

В другом месте в Интернете Даниэль Ремер, который управляет веб-сайтом DIY Tech & Repairs, у которого более 5000 подписчиков на YouTube, предлагает уроки о том, как упорядочить ячейки модели 18650 в пакеты, которые можно использовать для домашнего хранения.

Пока Гарсия не реализует свои планы по созданию аккумуляторной системы мощностью 1 мегаватт-час, Рёмеру, похоже, принадлежит честь создать самую большую в мире самодельную систему накопления энергии с емкостью более 100 киловатт-часов.

Среди других руководств по батареям на YouTube — «Сделай сам» Tesla Powerwall Майка, где зрители могут увидеть экономию от любительской установки с солнечными батареями и накопителями, и AveRage Joe, управляемый Джо Уильямсом, в котором демонстрируются попытки получить 10-киловаттную систему, работающую в течение 24 часов. часы.

YouTube — лишь один из нескольких каналов, на которых собираются поклонники сборки аккумуляторов. Страница DIY Powerwalls в Facebook, которой также управляет Мэтьюз, насчитывает более 7100 участников.

Стоимость создания вашей собственной версии Powerwall, естественно, зависит от ряда переменных, от используемых частей до емкости хранилища. В видео, опубликованном в 2015 году и просмотренном более миллиона раз, Гарсия заявил, что может построить Powerwall своими руками за 300 долларов.

Тем временем британский канал DIY Powerwall на YouTube оценивает стоимость в 900 долларов.Несмотря на это снижение затрат, маловероятно, что ютуберы DIY Powerwall вызовут волну любительского производства систем хранения энергии.

Получение ячеек — например, от старых ноутбуков, купленных на eBay, — рутинная работа. «Когда они приходят ко мне, это просто аккумуляторы для ноутбуков», — объясняет Мэтьюз в видео. «Они мертвы. Как правило, они больше не взимают плату».

Обычно причина в том, что одна или несколько ячеек вышли из строя. Проверка того, находятся ли они в рабочем состоянии, может занять около часа на каждую ячейку.«Это очень трудоемкий процесс, — объясняет Мэтьюз.

Затем вам нужно собрать аккумуляторную систему, что включает в себя изготовление какой-то коробки или корпуса для ее размещения. Ютуберы, поддерживающие индивидуальные аккумуляторные системы, обычно имеют хорошо оборудованную сборочную комнату или мастерскую, в которой можно играть. 

То, что они получают в итоге, иногда достаточно велико, чтобы заполнить небольшой сарай, и далеко не настоящий Powerwall с точки зрения дизайна или эстетики. Кроме того, есть еще вопрос безопасности.

«Накопление энергии своими руками — это не то, что мы бы поощряли из-за неотъемлемых опасностей, связанных с электричеством и батареями», — сказал Ник Дженки из Dulas, специализированной консалтинговой фирмы по возобновляемым источникам энергии.

«Мы видели примеры, когда отечественные производители энергии пытались построить «Powerwall» из старых аккумуляторов ноутбука 18650, — сказал он. — Однако никому, даже квалифицированному инженеру, крайне нецелесообразно собирать батарея из бывших в употреблении или даже новых компонентов».

Дженки отметил, что в дополнение к опасностям, связанным с электричеством и высоким напряжением, литиевые элементы содержат легковоспламеняющиеся органические растворители и могут загореться при неправильном обращении.

«В случае большой батареи возникший пожар будет очень серьезным и потенциально опасным для жизни», — сказал он.

Именно поэтому, по словам Бретта Саймона, аналитика GTM Research по хранению энергии, «накопление энергии своими руками, скорее всего, останется прерогативой нескольких преданных любителей, а не тенденцией, которая разрушит рынок». «Более того, по мере того, как бытовые системы хранения данных становятся все более популярными, потребители с гораздо большей вероятностью приобретут надежную марку с гарантией, а не попытаются создать свою собственную систему», — добавил он.

Ванадиевая проточная окислительно-восстановительная батарея

Что такое ванадий?

Ванадий является 23-м элементом в периодической таблице и в основном используется в качестве прочного сплава в инструментальной промышленности.Кроме того, это металл с высокой электрической плотностью для использования в качестве электролита в проточных окислительно-восстановительных батареях. Ванадий используется из-за его уникальной способности достигать четырех различных уровней окисления — V2, V3, V4 и V5 (от VO2 до VO5). Большинство органических материалов содержат ничтожную часть ванадия; однако в промышленности его либо извлекают из шлака при производстве чугуна, либо извлекают химическим путем.

 

Что такое проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея (VRFB)?

VRFB основан на принципах старой технологии, изобретенных в 1940-х годах.Эта технология ранее не была экономически целесообразным решением для хранения энергии, однако с помощью новых вспомогательных технологий VisBlue смогла разработать коммерческий VRFB для хранения энергии, производимой фотоэлектрическими системами (фотоэлектрическими системами). В течение дня, когда PV производят энергию, мы не обязательно потребляем энергию, а это значит, что у нас есть два варианта. Мы можем поставлять энергию в сеть (часто с дефицитом), или мы можем найти способ хранить энергию. Вечером, когда солнечные панели не работают, нам нужно черпать энергию из другого источника.VRFB позволяет накапливать энергию в течение дня и использовать ее вечером.

 

VRFB состоит из двух резервуаров, заполненных жидкостью-электролитом на основе ванадия, и так называемого блока. Стек состоит из нескольких ячеек стека, изготовленных из пластикового каркаса, графито-полимерной композитной биполярной пластины и полимерной мембраны. Количество и размер ячеек стека зависят от необходимой выходной мощности.

 

Размер баков определяет емкость аккумулятора.Жидкость в двух резервуарах действует как катод (положительный электролит) и анод (отрицательный электролит). Как обычный аккумулятор. Катод и анод состоят из одного и того же раствора ванадия с высокими электроаккумулирующими свойствами. Уникальная способность достигать четырех степеней окисления — ключевой навык, который позволяет VisBlue иметь одинаковый электролит в обоих баках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каковы преимущества проточной окислительно-восстановительной технологии ванадия по сравнению с другими проточными технологиями окислительно-восстановительного потенциала?

Что отличает VRFB от других проточных окислительно-восстановительных батарей, так это свойства электролитов.Использование ванадия вместо других типов электролитов позволило VisBlue использовать один и тот же раствор в обоих резервуарах. Это важно, потому что таким образом мы облегчаем перекрестное загрязнение электролитов и, следовательно, устраняем проблему ухудшения электролитов.

 

Еще одним преимуществом является независимость вместимости (количество жидкости) и выходной мощности (размер/количество штабелей). Таким образом, можно адаптировать батарею к вашим потребностям и требованиям.

 

Безопасна ли проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея?

VisBlue Battery Solution состоит из раствора на основе ванадия, который содержит воду и серную кислоту. Большую часть раствора составляет вода, а это означает, что даже в случае короткого замыкания, сильного нагрева или высокого давления батарея не воспламеняется. Батарея будет выделять некоторое количество тепла, но не выше уровня, безопасного для прикосновения. Проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея не содержит летучих соединений лития, кобальта и никеля, как другие типы батарей.

Кроме того, VisBlue Battery Solution не выделяет никаких газов. В случае утечки разлив не окажет токсического воздействия на окружающую атмосферу. Однако раствор представляет собой коррозионное вещество, содержащее серную кислоту и ванадий. Поэтому нежелательно вступать в контакт с жидкостью.

БУ-210б: Как работает проточная батарея?

Проточная батарея представляет собой устройство накопления электроэнергии, представляющее собой нечто среднее между обычной батареей и топливным элементом.(См. BU-210: Как работает топливный элемент?) Жидкий электролит из солей металлов прокачивается через сердечник, состоящий из положительного и отрицательного электродов, разделенных мембраной. Ионный обмен, который происходит между катодом и анодом, генерирует электричество.

В большинстве коммерческих проточных батарей в качестве электролита используется кислая сера с солью ванадия; электроды выполнены из графитовых биполярных пластин. Ванадий является одним из немногих доступных активных материалов, которые контролируют коррозию. Были опробованы проточные батареи, содержащие драгоценный металл, например платину, которая также используется в топливных элементах. Исследования продолжаются, чтобы найти материалы, которые являются недорогими и легко доступными.

Приводимые в действие насосами, проточные батареи лучше всего работают при мощности более 20 кВтч. Говорят, что они обеспечивают более 10 000 полных циклов и служат около 20 лет. Каждая ячейка выдает 1,15–1,55 вольта; они соединены последовательно для достижения желаемых уровней напряжения. Батарея имеет удельную энергию около 40 Втч/кг, что напоминает свинцово-кислотную.Подобно топливному элементу, удельная мощность и скорость разгона умеренные. Это делает батарею наиболее подходящей для хранения больших объемов энергии; меньше для электрических силовых агрегатов и выравнивания нагрузки, требующих быстрых действий.

Электролит хранится в баках. Чтобы увеличить плотность энергии, размеры резервуара можно удвоить, используя готовые резервуары для хранения, при расчетном увеличении затрат всего на 50 процентов по сравнению с новой системой. При замене батареи электролит можно использовать повторно, что еще больше снижает затраты.Проблемными областями являются мембраны, склонные к коррозии и дорогие; Говорят, что добавки решают эту проблему. Рисунок 1 иллюстрирует концепцию проточной батареи.

Рис. 1: Проточная батарея
Электролит хранится в резервуарах и прокачивается через активную зону для выработки электроэнергии; зарядка происходит в обратном порядке. Объем электролита определяет емкость батареи.

Ванадий является 23-м -м элементом в периодической таблице и добывается в Китае, России и Южной Африке.Залитая солнцем центральная Невада вскоре может внести свой вклад в виде сильно окисленной обломочной породы. В настоящее время 90 процентов ванадия более низкого качества используется в качестве добавки для упрочнения стали. Ученые-аккумуляторщики, горнодобывающие компании и политики воодушевлены тем, что ванадий становится стратегическим металлом для «зеленой энергетики». По данным RWTH, Ахен, Германия (2018 г.), стоимость проточной батареи составляет около 350 долларов США за кВтч.

Для более точной оценки стоимости проточная батарея делится на стоимость электроэнергии и стоимость энергии.Стоимость электроэнергии может превышать 1500 долларов США за кВт и состоит из стеков, насосов, труб и силовой электроники. Стоимость энергии, состоящей из баков и электролита, составляет чуть более 300 долларов за кВтч.

Крупномасштабные проточные батареи, мощность которых превышает 100 кВтч, используются в Японии с 1996 года. Некоторые из самых крупных существующих установок могут похвастаться мощностью в несколько мегаватт, а в Японии устанавливается проточная батарея для регулирования частоты, которая будет обеспечивать колоссальные 60 МВтч.

Существует тенденция к уменьшению стоимости и размера.Вместо того, чтобы строить чудовищную батарею, напоминающую химический завод, новые системы поставляются в контейнерах емкостью 250 кВтч, которые можно штабелировать. Современные проточные батареи также получают распространение в Европе.

Первый патент на проточную батарею из хлорида титана был выдан в июле 1954 года. Нынешняя ванадиевая окислительно-восстановительная батарея была запатентована в 1986 году Университетом Нового Южного Уэльса в Австралии. Термин «окислительно-восстановительный» происходит от «электронного переноса» восстановления и окисления.

Батарейки в портативном мире

Материал по Battery University основан на обязательном новом 4-м издании « Аккумуляторы в портативном мире — Справочник по перезаряжаемым батареям для не инженеров », который доступен для заказа через Amazon.ком.

Проточные батареи и накопители энергии — новый рынок керамики

23.12.2021

Ричард Кларк, глобальный руководитель отдела хранения энергии

Первоначально опубликовано в ACerS Bulletin, январь/февраль 2022 г. , Vol. 101, вып. 1. https://ceramics.org. Отображается здесь с разрешения

Спрос на технологии накопления энергии приводит к резкому росту рынка проточных окислительно-восстановительных батарей, а вместе с ним и возможностей для сообщества производителей керамики.

Проточные окислительно-восстановительные батареи

принадлежат к большой и постоянно растущей группе устройств, предназначенных для хранения энергии.

Хотя их происхождение восходит к проточной цинково-хлорной батарее, использовавшейся для питания дирижабля в 1884 году (1), быстрый и систематический рост рынка проточных окислительно-восстановительных батарей стал очевиден только в последнее десятилетие.

Чтобы понять причины этого роста и сопутствующие возможности для сообщества производителей керамики, важно понять несколько связанных областей: рынок накопителей энергии и его сегментацию; технология проточных батарей и ее сравнение с альтернативами; и проблемы, которые необходимо решить, чтобы сделать проточные батареи конкурентоспособными по стоимости в тех сегментах рынка, где они имеют преимущество перед альтернативами.

Рынок накопителей энергии и возможности для проточных окислительно-восстановительных батарей
Многие неправильно понимают, что рынок накопителей энергии сильно сегментирован, при этом характеристики, необходимые для данного приложения (в первую очередь время разряда и требуемая мощность системы), оказывают огромное влияние на относительное важность стоимости. Еще больше усложняет этот рынок тот факт, что классификация и наименование сегментов не являются единообразными, что затрудняет сравнение информации из нескольких источников.

На верхнем уровне основными категориями хранения энергии являются транспорт (в основном электромобили) и стационарные устройства. Хотя концептуально проточные окислительно-восстановительные батареи могут использоваться в обоих случаях, практически единственным примечательным применением является стационарное хранение (если только дирижабли не неожиданно вернутся) из-за низкой объемной плотности энергии проточных окислительно-восстановительных батарей по сравнению с другими технологиями, особенно вездесущими литий-ионными. батареи. Подразделения стационарного хранения энергии обычно характеризуются услугами, которые они предоставляют в качестве альтернативы традиционному сетевому электроснабжению (2).Этими подразделениями являются (сетевое) регулирование, арбитраж, резервирование и резервирование, запуск без покрытия, отсрочка инвестиций и (автономное) независимое электроснабжение. Эти подразделения по-разному связаны с производством, передачей и распределением, а также с рынками конечных пользователей (жилые, коммерческие и промышленные).

Для каждого из сегментов рынка стационарных накопителей существует несколько конкурирующих технологий, которые классифицируются как электрохимические (батареи и суперконденсаторы), термические (расплавленная соль) и механические (маховики, сжатый воздух и гидроаккумулирующие электростанции), хотя конкретные Требования каждого сегмента не позволяют всем технологиям конкурировать за весь рынок.Аккумулирующие гидроэлектростанции (ГАЭС) доминируют в общем пространстве: по состоянию на середину 2020 года в эксплуатации находится 164 ГВт ГАЭС, что эквивалентно расчетной энергии, превышающей 17 ТВтч, с дополнительными 124 ГВт на различных стадиях реализации (3) . Оставшаяся конкуренция с точки зрения основного масштаба рынка все больше смещается в сторону литий-ионных и проточных аккумуляторов с окислительно-восстановительным потенциалом.

Прогнозируется, что глобальные продажи проточных окислительно-восстановительных батарей в 2021 году достигнут 350 МВтч, а выручка составит 270 миллионов долларов США. Тем не менее, BloombergNEF прогнозирует, что проточные окислительно-восстановительные батареи могут конкурировать с литий-ионными батареями за до 46% (69 ГВтч) от общей мощности (150 ГВтч), необходимой для стационарного хранения энергии, связанного с сетью, в 2030 году (определяется как сегмент, который в противном случае можно решить с помощью литий-ионных аккумуляторов) (3).

В этом анализе предполагалось, что проточные окислительно-восстановительные батареи имеют среднюю продолжительность работы системы четыре часа, что делает их особенно подходящими для арбитража (сохранения энергии при низких ценах на электроэнергию и передачи ее в сеть при высоких) и пиковой емкости ( обеспечение поставок для удовлетворения максимального спроса системы, включая резервные копии и резервы, а также заявки на отсрочку инвестиций). Если продолжительность работы системы может быть значительно изменена по сравнению с этим значением, с соответствующими капитальными и эксплуатационными экономическими затратами, то размер потенциального рынка проточных окислительно-восстановительных батарей соответственно увеличится.

Особенно актуально для проточных окислительно-восстановительных батарей, одним из основных факторов роста рынка стационарных накопителей энергии является растущая замена ископаемых видов топлива возобновляемыми источниками энергии (в первую очередь ветровой и солнечной), которые являются прерывистыми и, следовательно, не связаны напрямую с требование. Экономика проточных окислительно-восстановительных батарей хорошо подходит для относительно длительного времени, необходимого для устранения этого дисбаланса. Они также предлагают дополнительные преимущества, такие как высокий уровень безопасности, длительный жизненный цикл без обслуживания и внутреннюю модульность, поскольку мощность и энергия не связаны друг с другом, что упрощает настройку. Во многих случаях вопросы устойчивости также решаются, потому что выбранные химические вещества получены из широко доступных ресурсов, а материалы могут быть легко использованы повторно.

Более подробное сравнение проточных окислительно-восстановительных батарей с литий-ионными батареями представлено в таблице 1 (4). По необходимости эта таблица является обобщенной, и в некоторых случаях есть исключения. Устойчивость не включена как категория, главным образом потому, что разнообразие химических веществ, используемых в проточных окислительно-восстановительных батареях, не позволяет делать обобщения.

Однако у многих наиболее популярных типов есть преимущества, и в будущем это, вероятно, будет становиться все более важным соображением.

Технология проточных окислительно-восстановительных батарей
Проточная окислительно-восстановительная батарея представляет собой электрохимическое устройство, использующее разность потенциалов между набором окислительно-восстановительных пар, обычно основанных на растворе, для преобразования электрической энергии в накопленную химическую энергию и наоборот. На самом базовом уровне есть два резервуара с электролитом, соединенные со стопкой элементов, в которых происходят окислительно-восстановительные реакции. Для одноэлементной системы элемент включает два токосъемника, две биполярные пластины, два электрода и одну мембрану, хотя есть вариации этой установки.Ячейки обычно укладываются друг на друга, поэтому для полного стека будет использоваться пара токосъемников, а биполярные пластины будут компонентами между ячейками. Схема расположения одной ячейки показана на рисунке 1.

Существует широкий спектр систем, инкапсулированных под общим определением, включая неорганические водные, органические водные и неводные, и определение часто расширяется, чтобы включить безмембранные, металл-воздушные, полутвердые (суспензия) и окислительно-восстановительные системы с гальваническим покрытием. проточные аккумуляторы.Последние системы также называют гибридными проточными окислительно-восстановительными батареями, потому что общая емкость накопления энергии зависит как от размера батареи, так и от размера резервуаров для хранения электролита. Таким образом, энергия и мощность не полностью разделены, в отличие от более «классических» типов, где разделение часто изображается как определяющая черта. Таблица 2
содержит сводку и пример каждой системы.

Читатели оценят, что технологии находятся на совершенно разных стадиях разработки: от тех, которые в настоящее время находятся в лабораторных масштабах, где еще предстоит решить фундаментальные проблемы, до тех, которые уже запущены в коммерческую эксплуатацию.Как правило, для каждой системы исследуется несколько химических процессов, а для данного базового химического состава существуют альтернативные системы и подходы. Такая гибкость открывает большие возможности для инноваций.

В таблице 3 представлены сводные данные о текущем состоянии готовности рынка для основных типов проточных батарей (7). При экспоненциальном росте рынка накопителей энергии рыночная готовность каждой батареи, вероятно, изменится, и вполне возможно, что технология, которая в настоящее время находится в зачаточном состоянии, может стать доминирующей силой в течение нескольких лет.

Ведущие коммерческие системы проточных окислительно-восстановительных батарей
Полностью ванадиевая проточная окислительно-восстановительная батарея (VRFB)

Изобретение полностью ванадиевой проточной окислительно-восстановительной батареи (VRFB) приписывают работе Марии Скиллас-Казакос и ее исследовательской группы в Университете Нового Южного Уэльса, Австралия, в 1980-х годах. Емкости с электролитом VRFB содержат ванадий в четырех различных степенях окисления. Со стороны катода ванадий находится в состояниях +IV (четырехвалентный) и +V (пятивалентный) в пределах VO2+ и VO2+ соответственно.Со стороны анода ванадий находится в состояниях +II (двухвалентное) и +III (трехвалентное).

На рис. 2 показана общая схема. Типичные материалы конструкции ячейки включают графит (биполярные пластины), графитовый войлок (электроды) и мембраны на основе химически стабилизированной перфторсульфоновой кислоты/политетрафторэтиленовой сополимерной кислоты (PFSA/PTFE), такие как Chemour Nafion 212.

Использование ванадия на обеих сторонах мембраны эффективно устраняет проблемы загрязнения при перекрестном разряде, хотя саморазряд в этом случае все равно будет происходить.Устранение возможности перекрестного загрязнения помогает увеличить срок службы батарей VRFB, обычно от 15 000 до 20 000 циклов (9), что намного больше, чем у многих других химических элементов и типов батарей.

Ранняя работа определила подходящие, хорошо обратимые окислительно-восстановительные реакции для соединений ванадия в водном электролите, содержащем соответствующий уровень серной кислоты, обеспечивающие ионную проводимость и стабилизирующие реакции. Более поздняя работа в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории показала, что использование смешанной кислоты (серной и соляной) в электролите увеличивает растворимость ионов ванадия и улучшает характеристики батареи, увеличивая удельную энергию и расширяя диапазон рабочих температур.

A VRFB предлагает ряд существенных преимуществ в области устойчивого развития. 10 Во-первых, его выбросы CO2 в течение всего жизненного цикла ниже, чем у других аккумуляторных технологий — по оценкам, на 27–37 % ниже, чем у стандартных литий-ионных аккумуляторов. Во-вторых, ванадий не расходуется и не разлагается в VRFB, поэтому по истечении срока службы одной батареи его можно повторно использовать в другой батарее или для другого применения, например, в стальных сплавах. Кроме того, хотя Китай является ведущей страной по добыче ванадия, ванадий добывается и во многих других странах (в первую очередь в России, Южной Африке и Бразилии), в отличие от литий-ионных аккумуляторов, где в поставках сырья доминирует Китай.

С учетом опыта, накопленного за последние три десятилетия, и других отмеченных преимуществ неудивительно, что VRFB лидируют на рынке проточных батарей. Bushveld Energy сообщает, что в мире насчитывается 25 или более компаний VRFB и что только в Китае они отслеживают около 2 ГВт-ч строящихся VRFB.10 Крупнейший объект мощностью 200 МВт/800 МВтч в Даляне, Китай, установлен Rongke Power (11). . Ожидается, что к 2030 году Китай установит от 30 ГВтч до 60 ГВтч новых хранилищ энергии, и значительная часть этих хранилищ, вероятно, будет VRFB, при условии, что экономика будет подходящей.

Ванадий, по оценкам, составляет 48% стоимости производства VRFB, а спотовые цены на соответствующие химические вещества в 2021 году все еще примерно на 50% выше, чем необходимо для того, чтобы VRFB имел экономическое преимущество перед литий-ионными батареями, хотя других преимуществ, таких как повышенная безопасность, может быть достаточно.

Цинк-бромная проточная батарея (ZBFB или ZBB)

Разработка проточной бромно-цинковой батареи (ZBFB) в ее нынешнем виде связана с работой в Exxon в начале 1970-х годов.В отличие от большинства других типов проточных окислительно-восстановительных батарей, ZBFB представляет собой гибридную систему, в которой общая накопленная энергия не прямо пропорциональна объему электролита, а вместо этого зависит как от объема электролита, так и от площади электрода, поскольку металлический цинк нанесен на поверхность электрода. анод во время заряда. Одновременно бромид-ионы окисляются до брома на другой стороне мембраны. Во время разряда металлический цинк окисляется до Zr 2+ и растворяется в электролите, а бром восстанавливается до ионов брома.

На рис. 3 показана общая схема ZBFB. На рисунке не показаны некоторые дополнительные требования, связанные с бромом. Во-первых, бром имеет ограниченную растворимость в воде, поэтому на катодной стороне необходим комплексообразующий агент, чтобы предотвратить его высвобождение. Из-за высокой токсичности брома важно поддерживать определенные условия, такие как умеренная температура системы, для поддержания стабильности комплекса. Во-вторых, поскольку бром обладает высокой окисляющей способностью, необходимо специально выбирать компоненты системы, что может увеличить стоимость.Есть также проблемы на стороне анода. Повторное нанесение цинка может вызвать неравномерное осаждение, и в конечном итоге дендриты цинка могут проколоть мембрану. Может потребоваться импульсный разряд во время заряда.

Несмотря на эти проблемы, двумя значительными преимуществами ZBFB являются высокое напряжение и высокая плотность энергии для проточных батарей, связанные с двумя электронами на атом цинка, которые участвуют в процессе заряда-разряда. Типичные материалы конструкции внутри ячейки включают пластик с углеродным наполнителем (биполярные пластины), углеродный войлок (электроды) и мембраны на основе сополимера/полимерного композита PFSA/PTFE.

Концептуально ZBFB могут быть очень дешевыми из-за сырья, но решение проблем, отмеченных выше, часто сводит на нет это преимущество. Потенциальное снижение затрат продолжает стимулировать работу в этой области (т. е. решать или смягчать проблемы и реализовывать преимущества более дешевого сырья), и уже есть несколько компаний, продающих ZBFB конечным пользователям. Одной из недавних разработок, возникшей в результате работы в Университете Сиднея, Австралия, является использование гелевых электролитов вместо жидких электролитов.

Полностью железная проточная батарея (Fe-RFB)
Самая ранняя работа над полностью железной проточной батареей (Fe-RFB) приписывается Л. В. 1981 (12). Fe-RFB следует тем же принципам, что и VRFB, в том смысле, что при использовании одного и того же элемента с несколькими валентными состояниями по обе стороны мембраны можно устранить потери, связанные с перекрестным загрязнением. Во время зарядки Fe2+ окисляется до Fe3+ на стороне катода, а Fe2+ восстанавливается до металлического железа на стороне анода.При разрядке все наоборот. Кроме того, железа много, оно недорогое и нетоксичное.

Хотя эти характеристики, казалось бы, делают Fe-RFB идеальными проточными батареями, существует серьезная проблема, связанная с образованием водорода, и требуется частая перебалансировка электролита. Недавняя работа в Университете Кейс Вестерн Резерв в Кливленде, штат Огайо, продемонстрировала, что герметичный Fe-RFB возможен с внутренней перебалансировкой, что способствует желаемой работе без обслуживания (13).Помимо выделения водорода, другие проблемы включают образование дендритов во время металлизации и относительно низкое напряжение на ячейке. Типичные материалы конструкции внутри ячейки включают графит (биполярные пластины), углеродный или графитовый войлок (электроды) и микропористый полиэтилен (мембрана).

В дополнение к гибридной версии Fe-RFB (изображенной на рис. 4a), в альтернативной системе используется суспензия на стороне анода, в которой металлическое железо осаждается на углеродных частицах (изображен на рис. 4b).Наряду с очевидным преимуществом полной развязки энергии и мощности, эта система также увеличивает емкость ячейки, поскольку площадь поверхности трехмерных углеродных частиц можно сделать намного больше, чем площадь отрицательного электрода. Однако у этой системы есть свои проблемы, поскольку реология суспензии должна поддерживаться в течение продолжительных периодов времени и при различных состояниях заряда, а железо должно равномерно осаждаться на частицы.

В настоящее время по меньшей мере три компании занимаются коммерциализацией технологии Fe-RFB.

Возможности для сообщества керамистов и заключение
Этот период является периодом быстрого роста для хранения энергии, и проточные окислительно-восстановительные батареи, вероятно, будут играть все более важную роль. Крупные установки для хранения энергии очень дороги, и компании уже понесли значительные убытки, вызванные пожарами, связанными с литий-ионными батареями, на объектах систем накопления энергии (ESS) в Австралии, Бельгии, Китае, Англии, Южной Корее и США. Пожары трудно и опасно тушить, и по крайней мере в одном случае погибли люди (14).В то время как стандарты безопасности для электромобилей предназначены для того, чтобы дать пассажирам достаточно времени для того, чтобы покинуть транспортные средства после возникновения тепловых событий батареи, эти стандарты не так важны для установок ESS, где предотвращение распространения теплового разгона является единственным приемлемым решением. Литий-ионные батареи, содержащие твердотельные электролиты, обеспечат решение в будущем, но еще предстоит преодолеть технические и коммерческие препятствия, прежде чем эти решения будут широко использоваться на чувствительных к стоимости рынках.

В приложениях ESS проточные окислительно-восстановительные батареи предлагают непосредственную альтернативу литий-ионным батареям, а преимущество безопасности намного перевешивает недостаток низкой плотности энергии. Решения основных технических проблем уже существуют, и если удастся также снизить стоимость (в долларах США/кВтч), проточные окислительно-восстановительные батареи могут занять лидирующие позиции на этом рынке.

Уже сейчас, согласно подробным оценкам Министерства энергетики США,15 ​​затраты относительно схожи для систем с более длительным сроком службы при сравнении установок с литий-ионными батареями с более высокой энергией и VRFB.Например, для установки мощностью 10 МВт и продолжительностью 10 часов общая стоимость установки литий-ионной аккумуляторной системы с катодом NMC составит 387 долларов США/кВтч, а для VRFB — 426 долларов США/кВтч. Тем не менее, необходимо также учитывать продолжающееся снижение стоимости литий-ионных батарей, и может быть труднее снизить стоимость проточных окислительно-восстановительных батарей после достижения больших масштабов (ГВт-ч) из-за растущего относительного преобладания химических веществ.

Для определенного химического состава проточной окислительно-восстановительной батареи существует несколько способов снижения затрат. Первый и наиболее очевидный – это замена существующих материалов для изготовления батарей более дешевыми заменителями (меньшие суммы в долларах США, те же кВтч). Второй способ заключается в замене этих материалов альтернативами, обеспечивающими улучшенные характеристики системы (тот же доллар США, больше кВтч). Например, увеличение плотности энергии стека будет означать, что общая стоимость других компонентов системы будет ниже на основе энергии системы. Третий способ заключается в использовании материалов, которые позволяют создавать более дешевые системы, например, путем комбинирования компонентов.

Биполярные пластины и электроды обычно изготавливаются из углерода или графита в твердой или гибкой форме. Биполярные пластины по необходимости должны быть непроницаемыми. Электроды могут быть изготовлены из гибкого или жесткого (пористого) материала, каждый из которых имеет некоторые преимущества, в первую очередь стоимость гибких материалов и более равномерный поток и увеличенный срок службы твердых материалов. Мембрана имеет сложную конструкцию и может преобладать в стоимости компонентов системы, особенно если она основана на сополимере ПФСА/ПТФЭ или эквивалентном полимере.Поиск альтернативной высокоэффективной и недорогой ионообменной мембраны может оказаться ключом к постоянному широкомасштабному коммерческому успеху проточных окислительно-восстановительных батарей и, следовательно, открывает прекрасную возможность для керамики

Мембрана в проточной окислительно-восстановительной батарее имеет некоторые характеристики, не существенные для других типов батарей: она должна справляться с ионным перекрестом, т. е. избирательно пропускать противоионы, но не пропускать активные частицы; он должен ограничивать водный транспорт; он должен иметь низкое поверхностное сопротивление; он должен противостоять обрастанию; и он должен быть стабильным при любом химическом составе и при любом рН, используемом для стабилизации системы.Несмотря на свои привлекательные свойства (высокая протонная проводимость и химическая стабильность), даже мембраны на основе сополимера ПФСА/ПТФЭ не являются идеальными — помимо стоимости, они также избирательно проницаемы для воды и допускают некоторое пересечение активных частиц. Одним из примеров керамики, которая может оказаться пригодной для использования в качестве мембраны в проточных батареях, является NaSICON, что было продемонстрировано в недавней работе Эрика Олкорна и других в Национальной лаборатории Сандия. стоимость мембран на основе диоксида кремния (17).

По мере того, как мы продвигаемся в этот период динамичного развития накопителей энергии, многие варианты концептуально возможны. Однако коммерциализация любой новой технологии и масштабирование ее до уровня ГВтч занимает многие годы, обычно десятилетия. Двумя наиболее вероятными системами для захвата нового пространства являются литий-ионные батареи и проточные окислительно-восстановительные батареи, каждая из которых достаточно развита, чтобы ее можно было масштабировать до необходимого уровня. Хотя у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, нет никаких сомнений в том, что проточные окислительно-восстановительные батареи более безопасны с точки зрения сведения к минимуму возгораний, связанных с батареями. Наиболее развиты три химических состава проточных окислительно-восстановительных батарей: полностью ванадий, цинк-бром и железо. Среди них пока нет явного победителя, но в каждом случае инновации помогут реализовать потенциал. Если подходящая мембрана может быть частью исполнения, проточные окислительно-восстановительные батареи станут крупным новым рынком для керамической промышленности.

Ссылки
1. Д. Сиглер, «Проточные батареи в Стэнфорде и Лихтенштейне», 8 марта 2014 г. По состоянию на 29 ноября 2021 г.http://sustainableskies.org/flow-batteries-stanford-lichtenstein
2. М. Сандерс, «Рынок аккумуляторных батарей и основные тенденции 2019–2030 гг.», avicenne ENERGY, 30 июля 2020 г., представлено на 37-м Международном семинаре по батареям. & Экспонат.
3. «Большая проблема хранения энергии: отчет о рынке хранения энергии», Технический отчет Министерства энергетики США NREL/TP-5400-78461, DOE/GO-102020-5497, декабрь 2020 г.
4. Дж. Даггетт, «Могут ли проточные батареи конкурировать с литий-ионными?» По состоянию на 29 ноября 2021 г. https://www.dnv.com/article/can-flow-batteries-compete-with-li-ion—179748
5. MJ Watt-Smith, R.G.A. Уиллс и Ф.К. Уолш, «Вторичные батареи — проточные системы, обзор», Энциклопедия электрохимических источников энергии, 2009 г.
6. Ивакири И. и др., «Проточные окислительно-восстановительные батареи: материалы, конструкция и перспективы», Энергия, 2021 г., 14( 18):5643.
7. «Проточные окислительно-восстановительные батареи: обзор технологий и рынка», IDTechEx, 2 июня 2020 г.
8. А. Клементе и Р. Коста-Кастельо, «Проточные окислительно-восстановительные батареи: обзор литературы, ориентированный на автоматическое управление», Energies 2020 , 13:4514.
9. Э. Санчес-Диес, Э. Вентоза, М. Гуарньери и др., «Проточные окислительно-восстановительные батареи: состояние и перспективы устойчивого стационарного хранения энергии», J. Power Sources 2021, 481:228804.
10. «Атрибуты и применимость технологии VRFB в развивающихся странах», презентация Bushveld Energy, 18 ноября 2020 г. Хрушка и Р.Ф. Савинелл, «Исследование факторов, влияющих на производительность железо-окислительно-восстановительной батареи» Дж.Электрохим. соц. 1981, 128(1):18–25.
13. S. Selverston et al., «Гибридные проточные аккумуляторы, полностью выполненные из железа, с ребалансировкой в ​​баке», J.Electrochem. соц. 2019, 166:A1725.
14. «Два пожарных погибли при тушении пожара на электростанции в Пекине», China Daily, 17 апреля 2021 г.
15. «Оценка стоимости и производительности технологии накопления энергии в сети в 2020 году», Технический отчет Министерства энергетики США
, публикация № DOE/ PA-0204, декабрь 2020 г.
16. E. Allcorn et al., «Устранение кроссовера активных частиц при комнатной температуре, нейтральном pH, проточной водной батарее с использованием керамической мембраны NaSICON», J.Источники энергии 2018, 378: 353–361.
17. Г. М. Ньюблум, «Гибкие керамические мембраны для проточных окислительно-восстановительных батарей», 2018 ECS Meeting Abstracts MA2018-01 2373.

 

Ричард Кларк

Передовые материалы Моргана,
техническая керамика,

Финансы, а не технологии, могут стать ключевой инновацией для проточных батарей

Литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке хранения энергии.Производители проточных аккумуляторов хотят получить долю на этом рынке, но им трудно конкурировать по затратам.

Исследователи, работающие над новыми материалами для проточных батарей, пытаются снизить эти расходы, но инновации, которые могут иметь наибольшее значение, могут исходить от финансового сектора, а не от лаборатории.

На декабрьском саммите GTM Media по хранению энергии 500 высокопоставленных специалистов в области энергетики спросили, будут ли литий-ионные аккумуляторы продолжать доминировать на рынке хранения энергии. Четверть респондентов ответили, что будут. Это не очень удивительно, но почти половина, 46%, заявили, что проточные батареи имеют больше шансов вытеснить литий-ионные батареи.

Просто вне досягаемости?

Батареи

Flow — одна из тех технологий, которые постоянно кажутся недоступными. Согласно данным GTM, проточные батареи занимают около 5% рынка стационарных аккумуляторов в США по сравнению с 95% доли литий-ионных аккумуляторов. (Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют долю около 0,5%.)

«Производители проточных батарей говорят, что они уже конкурентоспособны; Вы можете сделать свои собственные выводы», — сказал Дэниел Финн-Фоули, старший аналитик по хранению энергии в GTM Research.

После того, как прошлой весной Tucson Electric Power подписала соглашение о покупке электроэнергии с NextEra Energy для солнечной системы плюс аккумулирование по цене менее 0,045 долл. США/кВтч, ViZn Energy Systems заявила, что повторит сделку со своей собственной технологией по цене 0,04 долл. США/кВтч.

Этого не произошло, но ViZn видит возможности рынка.Компания заявляет, что ее проточные батареи — в них используется химия цинк-железо — имеют преимущество перед литий-ионными, потому что они могут работать чаще и имеют более длительный срок службы, поэтому, в отличие от литий-ионных батарей, они не сталкиваются с затратами на замену на полпути. через жизнь проекта.

Батареи

Flow также безопаснее — они не взрываются — и у них нет ограничений по продолжительности работы, как у литий-ионных батарей. Проточные батареи могут работать намного дольше четырех часов, что является практическим пределом для многих установок литий-ионных батарей.

Недостаток: стоимость

Батареи

Flow имеют несколько преимуществ по сравнению с литий-ионными технологиями, но на данном этапе развития рынка у них есть один большой недостаток: стоимость. Литий-ионные батареи стоят примерно 300 долларов за кВтч. Они устанавливают цену выше рыночной; и это цель, которая движется в одном направлении: вниз.

StorEn Technologies утверждает, что разработала революционную технологию проточных батарей, которая может снизить затраты на 50%. «Мы ориентируемся на цену в 400 долларов за кВтч с 25-летней продолжительностью работы без сбоев», — сказал Clean Technica главный технический директор компании Анджело Д’Анзи.

Если оставить в стороне утверждения

StorEn и химию цинк-железо ViZn, в наиболее распространенной технологии проточных батарей используется ванадий, относительно редкий элемент, дорогостоящий и трудно утилизируемый должным образом. Исследователи, работающие над поиском жизнеспособных альтернатив, пробовали различные химические вещества, в том числе варианты витамина B2, и используют компьютерное моделирование для разработки молекул, которые могли бы улучшить существующие химические процессы проточных батарей.

Кроме того, энергия в проточной батарее хранится в электролитах, которые создают электрический ток, когда они прокачиваются через мембрану.Размер проточной батареи можно легко увеличить, изменив размер резервуаров, в которых находятся электролиты. И, в отличие от литий-ионной химии, электролиты не разлагаются со временем. Но электролиты и мембраны могут быть дорогостоящими, а перекачка электролитов туда и обратно влечет за собой затраты, которые приводят к более низкой эффективности в оба конца, чем литий-ионные батареи.

Несмотря на трудности, промышленные гиганты также включились в гонку по совершенствованию проточных батарей. В этом году Lockheed Martin планирует представить новую химию, которая, по ее словам, может сделать проточные батареи конкурентоспособными с литий-ионными на рынке четырехчасовой продолжительности.

Убеждение клиентов

Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются претенденты на проточные батареи, заключается в том, чтобы убедить не склонных к риску клиентов в надежности этой новой технологии. Проточные батареи существуют уже давно, но они не очень хорошо зарекомендовали себя в крупномасштабных коммерческих установках.

Это начинает меняться. Весной прошлого года компания San Diego Gas & Electric представила проточную ванадиевую окислительно-восстановительную батарею мощностью 2 МВт и 8 МВтч, установленную Sumitomo. Также прошлой весной UniEnergy Technologies установила проточную батарею мощностью 2 МВт и 8 МВтч для коммунального округа округа Снохомиш в Вашингтоне.

«Если проточные батареи хотят быть конкурентоспособными, им нужно заложить основу», — сказал Финн-Фоли. По его словам, лучший выбор для них — рынок более длительного хранения, но они также хотят быть конкурентоспособными на рынке четырехчасового хранения.

Недавние проекты проточных батарей — это только начало. Но банкиры хотят увидеть послужной список успешных проектов, прежде чем предоставлять кредит. Без послужного списка проточные батареи становятся трудно продаваемыми.

Новые страховые продукты

Один из способов, с помощью которых компании, работающие с аккумуляторными батареями, начали пытаться преодолеть этот разрыв, — это новые страховые продукты. В августе Vionx Energy объединилась с New Energy Risk для обеспечения страхового покрытия своих проточных батарей. Политика распространяется на энергопотребление, мощность, двустороннюю эффективность и доступность ванадиевых проточных систем окислительно-восстановительного потенциала Vionx. «Это похоже на генеральную политику, под которой запланированы проекты», — сказал Том Диксон, генеральный директор New Energy Risk, Utility Dive.

Банкиры не готовы идти на технологический риск, но они понимают кредитный риск, сказал Диксон. «По сути, мы заменяем технологический риск кредитным риском.

Диксон сказал, что сделка с Vionx была первой в отрасли, но он хотел бы повторить ее. «Мы были созданы для того, чтобы стимулировать внедрение» новых чистых технологий, — сказал он. «Мы надеемся, что сможем стимулировать внедрение, чтобы компании могли вернуть капитал в свой бизнес».

«Можно с уверенностью сказать, что в ближайшие 12–18 месяцев мы будем заключать дополнительные полисы на рынке хранения энергии», — сказал Диксон.

Идея состоит в том, чтобы способствовать экономии за счет масштаба.Делая технологию или проект рентабельным, можно запускать более крупные проекты, стимулируя спрос, необходимый для повышения эффективности производства материалов и компонентов.

Диксон сказал, что партнерство New Energy Risk с XL Catlin, глобальной страховой и перестраховочной компанией, наряду с другими перестраховочными компаниями, дает New Energy Risk поддержку в размере 15 миллиардов долларов.

Эффект масштаба

Ключом к успеху проточных батарей, как и любой новой технологии, является достижение эффекта масштаба.Но добиться эффекта масштаба для проточных батарей не так просто, как сложить вместе небольшие компоненты для создания крупного проекта, сказал Крейг Хорн, вице-президент по развитию бизнеса в области хранения энергии в RES Americas, компании по разработке возобновляемых источников энергии, сказал Utility Dive.

У проточных батарей есть механические проблемы, сказал Хорн. Неэффективно умножать трубы и насосы нескольких небольших систем, чтобы построить большую систему. В качестве примера он сказал, что гораздо эффективнее построить большую проточную батарею, используя меньшее количество труб большего диаметра.

Это важное соображение для разработчиков, поскольку проект мощностью 2 МВт может потребовать столько же времени и ресурсов компании, сколько проект мощностью 20 МВт. Проблема в том, что рынок не может просто перейти к крупномасштабному проекту. «Это пошаговое продвижение», — сказал Хорн.

Это пробел, который New Energy Risk пытается восполнить, помогая проектам с проточными батареями перейти к следующему приращению в масштабе проекта. Но, как сказал Хорн, чтобы пойти на такой риск, «у вас должна быть мотивация.«Опять же, дело упирается в затраты.

Пять лет назад литий-ионные и проточные аккумуляторы были в более равных условиях. Рынок искал решение, сказал Хорн, но теперь есть действующий лидер. И «проточные батареи далеки от вытеснения литий-ионных», — сказал Хорн Utility Dive.

Но это неправильный взгляд на это, сказал Хорн. Поточные батареи не вытеснят литий-ионные, но со временем они могут увеличить долю рынка; возможно, уже к 2025 году проточные батареи смогут занять 10% рынка, сказал он.

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *