亜鉛臭素電池
亜鉛臭素電池
比エネルギー60～85  Wh / kg
エネルギー密度15～65W・h/ L（56～230kJ/L）[ 1 ]
充放電効率75.9% [ 2 ]
エネルギー/消費者物価400米ドル/kW·h（0.11米ドル/kJ）
サイクル耐久性6,000 サイクル以上
公称セル電圧1.8V ​

亜鉛臭素電池は、亜鉛金属と臭素の反応を利用して電流を発生させる充電式電池システムであり、電解液は臭化亜鉛水溶液です。亜鉛は古くから一次電池の負極として使用されてきました。亜鉛は広く入手可能で、比較的安価な金属です。中性およびアルカリ性の水溶液との接触においても比較的安定しています。このため、今日では亜鉛炭素電池やアルカリ一次電池に使用されています。

主要な潜在的用途は、電力系統、家庭用または独立電源システム向けの定置型エネルギー貯蔵です。水性電解質により、リチウムイオン電池システムと比較して 過熱や発火の可能性が低くなります。

概要

亜鉛臭素電池は、フロー電池と非フロー電池の 2 つのグループに分けられます。

フロー電池を商品化している企業はもうありませんが、Gelion（オーストラリア）は非フロー技術を開発しており、EOS Energy Enterprises（米国）は非フローシステム を商品化しています。

特徴

亜鉛臭素電池は、リチウムイオン蓄電システムに比べて以下の6つの利点があります。

  • 毎日100%の放電能力。[ 3 ]
  • 容量低下が少なく、5000サイクル以上使用可能
  • 電解質は不燃性なので火災の危険性が低い
  • 冷却システムは不要
  • 低コストで入手しやすい電池材料
  • 既存のプロセスを使用した簡単な使用済み製品のリサイクル

これらには 4 つの共通の欠点があります。

  • エネルギー密度が低い
  • 往復効率が低い (冷却システムを実行するために必要なエネルギーによって部分的に相殺されます)。
  • セパレーターを突き破る可能性のある亜鉛デンドライトの発生を防ぐため、数日ごとに完全に放電する必要がある。[ 3 ]
  • 充電率と放電率が低い

これらの特性により、亜鉛臭素電池は多くのモバイル用途（通常、高い充放電率と低重量が求められる）には適していませんが、太陽光発電、オフグリッドシステム、負荷シフトをサポートするための日常的なサイクリングなどの固定式エネルギー貯蔵用途には適しています。

種類

流れ

亜鉛臭素フロー電池（ZBRFB）はハイブリッドフロー電池です。臭化亜鉛溶液は2つのタンクに貯蔵されます。電池の充電または放電時には、溶液（電解質）がリアクタースタックを介して一方のタンクからもう一方のタンクへとポンプで送られます。一方のタンクは正極反応用の電解質を貯蔵し、もう一方のタンクは負極を貯蔵します。エネルギー密度は60～85 W·h/kgです。[ 1 ]

水性電解液は、水に溶解した臭化亜鉛塩からなる。充電時、金属亜鉛が電解液からセルスタックの負極（古い設計ではカーボンフェルト、最近の設計ではチタンメッシュ）表面にめっきされる。臭化物は正極表面で臭素に変換され、安全な化学的に複合した有機相に貯蔵される。古い ZBRFB セルはポリマー膜（微多孔性ポリマー、ナフィオンなど）を使用していた。最近の設計では膜が不要になっている。[ 4 ]バッテリースタックは通常、カーボン充填プラスチックバイポーラプレート（例：60 セル）で構成され、高密度ポリエチレン（HDPE）容器に収められている。バッテリーは電気めっき装置とみなすことができる。充電時、亜鉛は導電性電極に電気めっきされ、同時に臭素が形成される。放電時には、プロセスが逆になり、負極にめっきされた金属亜鉛は電解液に溶解し、次の充電サイクルで再びめっきされる。バッテリーは無期限に完全放電したままにすることができる。スタックが乾燥した状態に保たれている場合、完全に充電された状態では自己放電は発生しません。

特徴

亜鉛臭素フロー電池は、他のフロー電池技術が享受しているスケールメリットを享受できません。電解液タンクを追加するだけでは蓄電容量を増やすことはできません（スタックもスケールアップする必要があります）。

亜鉛臭素ハイブリッドフロー電池には、多くの具体的な欠点があります。

  • リセット：1～4サイクルごとに、電解液ポンプを稼働させながら、端子を低インピーダンスシャントを介して短絡し、バッテリープレートから亜鉛を完全に除去する必要があります。[ 3 ]
  • 低い面積電力：（<0.2 W/cm 2）充電時と放電時の両方で、電力コストが増加します。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
  • 往復効率が低い: RTE ベースで 70% 未満。通常 90% 以上に達するリチウムイオン電池よりも大幅に低い。
  • 低エネルギー密度:
  • 可動部品を備えた複雑な構造
  • 信頼性が低い：信頼性の高いZn-Brフロー電池を製造しているメーカーはまだない。

デザイン

各セルの2つの電極室は通常、膜（通常は微多孔膜またはイオン交換膜）で仕切られています。これにより、臭素が負極に到達して亜鉛と反応し、自己放電を引き起こすのを防ぎます。自己放電をさらに抑制し、臭素の蒸気圧を下げるために、正極電解液に錯化剤が添加されます。錯化剤は臭素と可逆的に反応して油状の赤色液体を形成し、臭素を還元します。2電解質中の濃度。

開発者（現在はすべて解散）

  • プリムス・パワー（カリフォルニア州ヘイワード）は、非上場の米国企業です。しかし、2023年5月時点で、2015年以降、発電設備の設置実績はありません。[ 8 ]プリムス・パワーは、125kWhユニットの発電効率が70%であると主張しています。[ 9 ]プリムス・パワーのウェブサイトは現在も公開されていますが、同社は営業していません。
  • レッドフロー・リミテッドは2024年8月23日に自主管理に入り、[ 10 ]、2024年12月に清算された。[ 11 ]同社のZBM3バッテリーは、エネルギー密度42Wh/kgで、12時間の連続電力供給と最大80%の「スタックエネルギー効率」を謳っていたが、 [ 12 ] [ 13 ]信頼性の低さとサプライチェーンの問題を抱えていた。レッドフローは、受注量の少なさから、製造上の問題を解決するために必要な高品質部品を入手することができなかった。
  • EnSync（旧ZBB）[ 14 ] – メノモニーフォールズ、ウィスコンシン州、米国（廃止）[ 15 ]

非フロー

非フローバッテリーでは、2 つのタンク間でバッテリー材料が通過しません。

開発者

  • EOSエナジーエンタープライズのカソード：2023年5月時点で、EOSはEos Z3バッテリーを発表し、347MWhの受注残と合計2.2GWhの拘束力のある受注を主張していました。[ 18 ] EOSは、このバッテリーのRTEは「80年代半ば」（放電深度が低い）で、寿命は6,000サイクル/20年であると主張しました。[ 19 ]

電気化学

フロー構成と非フロー構成は同じ電気化学を共有します。

負極では、亜鉛が電気活性種です。亜鉛は電気陽性で、標準還元電位はE ° = −0.76 V vs SHEです。

負極反応は亜鉛の可逆的な溶解/めっきです。

亜鉛（s）↽−−⇀亜鉛2+（アクア）+2e−{\displaystyle {\ce {Zn_{(s)}<=>{Zn^{2}+}_{(aq)}+2e^{-}}}}

正極では臭素は可逆的に臭化物に還元されます（標準還元電位はSHEに対して+1.087 Vです）。

Br2（アクア）+2e−↽−−⇀2Br−（アクア）{\displaystyle {\ce {{Br2_{(aq)}}+2e^{-}<=>{2Br^{-}}_{(aq)}}}

つまり、全体的な細胞反応は

亜鉛（s）+Br2（アクア）↽−−⇀2Br−（アクア）+亜鉛2+（アクア）{\displaystyle {\ce {{Zn_{(s)}}+Br2_{(aq)}<=>{2Br^{-}}_{(aq)}+{Zn^{2}+}_{(aq)}}}

測定された電位差はセルあたり約 1.67 V です (標準還元電位から予測される値よりわずかに低い)。

アプリケーション

亜鉛臭素電池は、電話塔やマイクロ波インターネット中継などの遠隔地の電力網エネルギー貯蔵やバックアップ電源として実用化されている。

低電力負荷と大規模発電設備の条件下で稼働する遠隔通信施設では、複数のシステムを並列に使用して技術の利点を最大化し、欠点を最小限に抑えることで、ディーゼル発電機の燃料を大幅に節約できます。[ 20 ]

歴史

多くの臭素亜鉛フロー電池技術企業が倒産しました。現在も取引を続けているのはEOS EnergyとGelionの2社のみで、両社とも非フロー型臭素亜鉛フロー電池技術を有しています。

2021年12月、レッドフローはカリフォルニア州の2.0MWバイオガス燃料コージェネレーションユニットとマイクログリッド制御システムをサポートするために、Aneargia向けに2MWhの設備を完了しました。[ 21 ] [ 22 ]

2021年11月時点で、EOS Energy EnterprisesはPine Gate Renewablesから300MWhの注文を確保しており、2022年に設置が予定されている。[ 23 ]

2022年2月現在、GelionはAcciona Energyと提携し、Endureバッテリーをグリッド規模のアプリケーションで試験運用すると発表した。[ 24 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b Khor, A.; Leung, P.; Mohamed, MR; Flox, C.; Xu, Q.; An, L.; Wills, RGA; Morante, JR; Shah, AA (2018年6月). 「亜鉛系ハイブリッドフロー電池のレビュー：基礎から応用まで」. Materials Today Energy . 8 : 80–108 . doi : 10.1016/j.mtener.2017.12.012 . hdl : 10397/77992 . S2CID  117522227 .
  2. ^ 「遠隔通信施設向け亜鉛臭素フロー電池の性能試験」（PDF）。サンディア国立研究所。2013年。6ページ。2017年4月29日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2015年4月1日閲覧。
  3. ^ a b cローズとフェレイラ、p. 4.
  4. ^ 「US20200036046 臭素捕捉複合炭素フォーム電極を備えた膜フリー非流動性単セル亜鉛臭素電池」。patentscope.wipo.int 。
  5. ^ G. P. Corey、「亜鉛臭素電池開発の現状評価」 RedFlowLimited、ブリスベン、クイーンズランド州、オーストラリア、2011年。
  6. ^ Nakatsuji-Mather, M.; Saha, TK (2012). 「住宅用電力供給における亜鉛臭素フロー電池：2つの事例研究」. 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting . pp.  1– 8. doi : 10.1109/PESGM.2012.6344777 . ISBN 978-1-4673-2729-9. S2CID  22810353 .
  7. ^ Suresh, S.; Kesavan, T.; Munaiah, Y.; Arulraj, I.; Dheenadayalan, S.; Ragupathy, P. (2014). 「亜鉛–臭素ハイブリッドフロー電池：亜鉛利用率と性能特性への影響」RSC Advances . 4 (71): 37947. Bibcode : 2014RSCAd...437947S . doi : 10.1039/C4RA05946H . ISSN 2046-2069 . 
  8. ^ 「Primus Power」 . primuspower.com . 2023年5月14日閲覧。
  9. ^ 「Primus Power」 . primuspower.com . 2022年2月8日閲覧。
  10. ^ 「Redflowが自主管理へ」 asx.com.au 2024年10月28日閲覧。
  11. ^ Purtill, James (2024-12-05) 「Redflowはオーストラリアの製造業の大きな希望だった。同社の崩壊で顧客は壊れたバッテリーを抱えることになった」ABC Newsのウェブサイト、2024年12月4日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2024年12月4日閲覧、 Redflowの資産は、管財人が事業の買い手を見つけることができなかったため、現在清算されている。
  12. ^ Hanley, Steve (2023年6月2日). 「Redflowがカリフォルニア州に20MWhのフロー電池貯蔵システムを供給」 CleanTechnica . 2023年6月4日閲覧。
  13. ^ 「ZBM3バッテリー – Redflow」 。 2022年6月13日閲覧。
  14. ^ 「ZBB EnergyがEnSyncに社名変更」Marketwire。
  15. ^ Nick Williams (2019年3月13日). 「EnSync Energy、破産手続き開始へ、ほぼ全従業員を削減へ」ミルウォーキー・ビジネス・ジャーナル.
  16. ^ 「Catalyst/BATTERY POWERED HOMES」オーストラリア放送協会、2016年2月2日。 2017年1月15日閲覧。
  17. ^ 「オーストラリアのゲルベース電池技術が英国の大手金融機関から資金提供を受ける」 2016年4月13日。 2017年1月15日閲覧。
  18. ^ 「Eos Energy Enterprises、2023年第1四半期の業績を発表」 Bloomberg.com 、 2023年5月9日。 2023年5月14日閲覧。
  19. ^ 「テクノロジー」 Eos Energy Enterprises . 2023年5月14日閲覧。
  20. ^ローズ＆フェレイラ、10ページ。
  21. ^ 「Redflow、Anaergiaと世界最大規模のバッテリー販売契約を締結、カリフォルニア州にエネルギー貯蔵装置を供給」Anaergia 2021年3月13日2022年2月8日閲覧。
  22. ^ 「Redflowがカリフォルニア州で2MWhの設備を完成 – Redflow」。2022年2月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年2月8日閲覧。
  23. ^ 「Eos Energy、300MWhのバッテリーストレージシステムを受注」 Renewablesnow.com 2021年11月10日 2022年2月8日閲覧。
  24. ^ Vorrath, Sophie (2022年2月2日). 「Gelion社、スペインの太陽光発電所で臭化亜鉛電池の試験運用へ」 RenewEconomy . 2022年2月8日閲覧。

さらに読む

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