Wärmemanagement von Flow-Batterien

Liquid-Flow-Batterien (RFBs) erzeugen im Betrieb viel Wärme. Wenn die Wärme nicht rechtzeitig und effektiv abgeführt werden kann, steigt die Batterietemperatur und beeinträchtigt so die Leistung und Sicherheit der Batterie. Die elektrochemischen Reaktionsbedingungen, die Ionenleitfähigkeit, die Geschwindigkeit, mit der sich Ionen durch die Membran bewegen, und die Viskosität des Elektrolyten hängen alle eng mit der Temperatur während des Betriebs zusammen. Insbesondere kann eine Erhöhung der Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante erhöhen und die Reaktionskinetik bei der elektrochemischen Reaktion fördern. Gleichzeitig verringert eine hohe Temperatur auch die Viskosität des Elektrolyten, wodurch die Übertragungseffizienz von Vanadiumionen vom Hauptkörper zur Elektrodenoberfläche erhöht und das Konzentrationspolarisationspotential verringert wird. Wenn die Temperatur jedoch einen bestimmten Bereich überschreitet, hat dies fatale Auswirkungen.

Nimm die Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) beispielsweise beträgt der normale Betriebstemperaturbereich 0 bis 40 °C. Mit steigender Temperatur wird die Wasserstoffentwicklungsreaktion an der negativen Elektrode deutlich verstärkt, was zu einer Verringerung der Coulomb-Effizienz führt. Gleichzeitig wird die Diffusionsfähigkeit von Vanadiumionen durch die Ionenmembran erhöht, was den Kapazitätsschwund verstärkt. Darüber hinaus sind die aktiven Vanadiumionen im Elektrolyten instabil und neigen bei anormalen Temperaturen zur Ausfällung. Wenn der Elektrolyt aus 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 2 Tage lang bei 40 °C gehalten wird, wandelt sich das VO+2 in V2O5-Ausfällung um; und nachdem es 7 Tage lang einer Temperatur von 15 °C ausgesetzt wurde, fällt V2+ im Elektrolyten aus. Dieser erzeugte Niederschlag blockiert den Strömungskanal, bedeckt den Kohlenstofffilz und die Ionenmembran und führt zu einem erhöhten Leistungsverlust der Pumpe und einem Batterieausfall.

Anhaltend hohe Temperaturen beschleunigen außerdem die Alterung der Innenelektroden, der Protonenmembran und anderer Materialien der Batterie und verkürzen so die Lebensdauer der Batterie. Daher ist das Temperatur-Wärmemanagement für die Aufrechterhaltung des stabilen Betriebs von Durchflussbatterien von großer Bedeutung.

Um den stabilen und sicheren Betrieb von Durchflussbatterien zu gewährleisten, ist es notwendig, ein thermisches Modell zu erstellen, um die Temperatur des Elektrolyten vorherzusagen und zu steuern und die Batterieoptimierungssteuerung weiter zu steuern, was auch ein wichtiger Bestandteil des Wärmemanagementsystems ist.

Zu den Faktoren, die während des Betriebs von Voll-Vanadium-Flüssigkeitsbatterien Wärme erzeugen, gehören elektrochemische Reaktionen, Überspannung, hydraulische Reibung, Kreuzreaktionen und Nebenschlüsse, wobei elektrochemische Reaktionen und Überspannungswärmeerzeugung im Vergleich zu den anderen drei einen größeren Anteil ausmachen.

Derzeit sind die Wärmemanagement-Technologierouten elektrochemischer Energiespeichersysteme hauptsächlich in vier Kategorien unterteilt: Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Wärmerohrkühlung und Phasenwechselkühlung. Die gängigsten Technologiewege für das Wärmemanagement von Flüssigstrombatterie-Energiespeichern auf dem Markt sind Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung. Die Wahl dieser Wärmeableitungsmethoden hängt von der Größe, dem Design, den Betriebsbedingungen und der Kosteneffizienz der Batterie ab.

1) Luftkühlung

Bei der Luftkühlung handelt es sich um eine Windkühlung, die Luft als Medium nutzt, um die Wärme aus dem Systeminneren durch Wärmeleitung und Wärmekonvektion abzuführen und so das System zu kühlen. Die Luftkühlung wird je nach Fahrmodus in natürliche Luftkühlung und forcierte Luftkühlung unterteilt. Die natürliche Luftkühlung nutzt natürliche Bedingungen wie natürlichen Winddruck, Lufttemperaturunterschied und Luftdichteunterschied, um einen Kühleffekt auf die Batterie zu erzielen.

Der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient der natürlichen Luftkühlung ist viel niedriger als der der erzwungenen Luftkühlung, sodass es schwierig ist, die von der Batterie erzeugte Wärme vollständig abzuleiten. Beim langsamen Laden und Entladen der Batterie kann die Systemtemperatur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs gesteuert werden, die Erhöhung der Systemstromdichte kann jedoch leicht dazu führen, dass die Temperatur den Grenzbereich überschreitet. Obwohl die natürliche Luftkühlung die Vorteile Einfachheit, Leichtigkeit und niedrige Kosten bietet, ist ihr Anwendungsbereich daher äußerst gering und wird derzeit kaum untersucht. Bei der Zwangsluftkühlung wird Wärme durch einen von einem Gebläse oder Lüfter erzeugten Zwangsluftstrom abgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Wärmeübertragungskoeffizient des Zwangsluftstroms erheblich verbessert. Im Vergleich zur Flüssigkeitskühlung bietet die Luftkühlung die Vorteile eines einfachen Aufbaus, einer einfachen Wartung und geringer Kosten, benötigt jedoch eine gewisse Menge Strom und die Wärmeableitungseffizienz, Wärmeableitungsgeschwindigkeit und Temperaturgleichmäßigkeit sind schlecht. Es eignet sich in der Regel für kleine oder mittlere Batteriesysteme.

2) Flüssigkeitskühlung

Bei der Flüssigkeitskühlung (Flüssigkeitskühlung) wird Kühlmittel als Medium verwendet und eine höhere spezifische Wärme und ein höherer Wärmeübertragungskoeffizient zur Wärmeableitung genutzt. Flüssigkeitskühlsysteme können eine höhere Wärmeableitungseffizienz und bessere Temperaturkontrolleffekte bieten, aber auch die Systemkomplexität und -kosten sind relativ hoch und eignen sich für große Batteriesysteme. Zu den häufig verwendeten Kühlmitteln gehören Wasser, wässrige Ethylenglykollösung, reines Ethylenglykol, Kältemittel für Klimaanlagen und Silikonöl. Da die Ladung im Elektrolyten der Durchflussbatterie leicht über das Kühlmittel in das gesamte System fließt, ist dies gefährlicher, weshalb auch die Wahl des Kühlmediums sehr wichtig ist. Die gebräuchlichste Methode für Flow-Batterien ist jedoch der Einsatz von korrosionsbeständigen und nichtleitenden Wärmetauschern. Die Innenmaterialien sind im Allgemeinen die gleichen wie die der Elektrolytspeichertanks, es werden PVC oder PP oder Röhrenwärmetauscher aus Titanmetall verwendet, und die Innenfläche ist mit einer korrosionsbeständigen TiO2-Schicht bedeckt, um den Wärmetauscher vor Schwefelsäurekorrosion zu schützen .

Da es sich um eine der vielversprechendsten Speichertechnologien für erneuerbare Energien handelt, wirkt sich das Überhitzungsproblem der Vanadium-Flow-Batterie während des Betriebs stark auf die Effizienz und Stabilität des Systems aus. Daher sind verschiedene praktikable Methoden erforderlich, um eine praktikable Lösung für das VRFB-Wärmemanagementsystem bereitzustellen.