Trong 30 năm qua, một số ESS đã được giới thiệu và thành công bao gồmcả các phương pháp cơ học ví dụ, thủy điện tích năng và lưu trữ năng lượng khínén, phương pháp điện hóa và hóa học ví
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI
-
-ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH KỸ SƯ
Đề tài: Tổng quan về vật liệu điện cực dựa trên
cacbon cho dòng ắc quy oxy-hóa khử
Hà Nội, 2021
Trang 2Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
MỞ ĐẦU
Gần đây, với sự phát triển xã hội và nền kinh tế toàn cầu tăng nhanh đã làm nhu cầu năng lượng điện tăng lên Sự mở rộng của các công nghệ năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió có thể đóng góp vào hệ thống năng lượng trong tương lai Tuy nhiên, các nguồn tái tạo này là có thể thay đổi và không liên tục Để khắc phục những hạn chế này, các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn (ESS) có thể phản hồi nhanh chóng là điều cần thiết để phù hợp với sự biến động của các thế hệ điện và cải thiện độ tin cậy của lưới điện Trong 30 năm qua, một số ESS đã được giới thiệu và thành công bao gồm
cả các phương pháp cơ học (ví dụ, thủy điện tích năng và lưu trữ năng lượng khí nén), phương pháp điện hóa và hóa học (ví dụ: pin axit chì có thể sạc lại, pin lithium-ion và pin nhiên liệu) và phương pháp nhiệt (ví dụ: lưu trữ nhiệt hợp lý
và lưu trữ nhiệt tiềm ẩn) Trong số các ESS khác nhau, thủy điện tích năng và lưu trữ năng lượng khí nén là khả thi về mặt kinh tế, nhưng cả hai đều yêu cầu điều kiện địa chất và địa lý đặc biệt, vốn đầu tư đáng kể và chi phí bảo trì cao Ngoài các ESS đã đề cập, ắc quy dòng oxy hóa khử (RFB) có triển vọng cho các ứng dụng cố định quy mô lớn về chi phí, độ tin cậy và an toàn RFB là thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa chuyển đổi và lưu trữ năng lượng điện thành năng lượng hóa học và giải phóng nó một cách có kiểm soát theo nhu cầu, cung cấp một giải pháp thay thế để cân bằng giữa việc phát điện, tiêu thụ và cân bằng tải Một RFB điển hình bao gồm hai bể chứa bên ngoài để lưu trữ năng lượng, một đơn vị tế bào để chuyển đổi năng lượng và hệ thống tuần hoàn giữa các bể điện dịch và đơn vị tế bào RFB có nhiều lợi thế hơn so với hệ thống ắc quy thứ cấp khác, chẳng hạn như thiết kế linh hoạt, phản hồi nhanh, dung lượng lớn tuổi thọ cao, an toàn cao, quản lý nhiệt dễ dàng, chi phí vận hành và bảo trì thấp Nghiên cứu và phát triển về RFB đã hoạt động rất tích cực trên toàn cầu, bao gồm cả ở Hoa Kỳ
Chính vì vậy, Đồ án dưới đây sẽ trình bày về “Tổng quan vật liệu dựa trên cơ sở
cacbon cho ắc quy dòng oxy hóa –khử.”
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẮC QUY DÒNG OXY HÓA KHỬ 1
1.1 Lịch sử hình thành và phát triển ắc quy dòng oxy hóa – khử 1
1.2 Ắc quy dòng oxy hóa –khử 3
1.2.1 Khái niệm 3
1.2.2 Nguyên lý hoạt động 4
1.2.3 Thành phần của ắc quy dòng oxy hóa khử 5
1.2.3.1 Chất điện phân 6
1.2.3.2 Điện cực 6
GVHD: TS Lê Thị Thu Hằng SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 3Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
1.2.3.3 Màng 7
1.3 Ưu và nhược điểm của RFB 7
1.4 Phân loại 8
1.4.1 Ắc quy dòng oxy hóa khử Vanadi-Vanadi (VRFB) 8
1.4.2 Ắc quy dòng oxy hóa khử sắt / crom 10
1.4.3 Ắc quy dòng oxy hóa khử kẽm / brom 11
1.4.4 Ắc quy dòng oxy hóa khử Polysulphide/bromine 12
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC TRÊN CƠ SỞ CACBON CHO ACQUY DÒNG OXY HÓA – KHỬ 14
2.1 Tổng quan vật liệu cacbon 14
2.1.1 Các dạng thù hình của cacbon 14
2.1.2 Ứng dụng vật liệu cacbon cho thiết bị tích trữ năng lượng 15
2.1.3 Phương thức tổng hợp vật liệu cacbon 15
2.1.3.1 Các nguồn tổng hợp cacbon tự nhiên 15
2.1.3.2 Quá trình tổng hợp 16
2.1.4 Ưu và nhược điểm của vật liệu cacbon 17
2.1.4.1 Ưu điểm 17
2.1.4.2 Nhược điểm 18
2.2 Vật liệu cacbon ứng dụng cho ắc quy dòng oxy hóa – khử 18
2.2.1 Tóm tắt lịch sử phát triển vật liệu dựa trên cacbon cho ắc quy dòng oxy hóa – khử 18
2.2.2 Cải tiến vật liệu điện cực dựa trên Cacbon 20
2.2.2.1 Xử lí nhiệt 21
2.2.2.2 Xử lí hóa học 24
2.2.2.3 Xử lý oxy hóa điện hóa 25
2.2.2.4 Pha tạp nguyên tố dị thể 28
2.2.2.4 Vật liệu nano dựa trên gốc cacbon 30
2.2.2.5 Chất xúc tác điện tử dựa trên kim loại và oxit kim loại 31
2.2.2.6 Các phương pháp khác 37
2.3 Các phương thức chế tạo 38
2.3.1 Chế tạo vật liệu điện cực dựa trên cacbon pha tạp nito 38
2.3.2 Chế tạo điện cực sử dụng chất xúc tác oxit kim loại 40
CHƯƠNG 3: THÁCH THỨC VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 41
GVHD: TS Lê Thị Thu Hằng SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 4Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
3.1 Những thách thức của vật liệu dựa trên cơ sở cacbon 41
3.2 Xu hướng phát triển 42
KẾT LUẬN 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
GVHD: TS Lê Thị Thu Hằng SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 5Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
Ắc quy dòng oxy hóa khử
Ắc quy dòng oxy hóa khử vanadi-vanadiTrạng thái tích điện
Ắc quy dòng oxy hóa khử kẽm- Brom
Ắc quy dòng oxy hóa khử Polysulphide-Bromine
Ắc quy Li-ion
Ắc quy Li- SunfuaTrạng thái tích điệnMàng trao đổi ionMàng trao đổi cationMàng trao đổi anionỐng nano cacbonGiấy carbon
Nỉ graphit
Nỉ cacbon (CF)Các thiết bị lưu trữ năng lượng hóa học hiện đại
GVHD: TS Lê Thị Thu Hằng SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 6Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 1: Lịch sử phát triển của ắc quy dòng oxy hóa khử [3] 3
Hình 1 2: Sơ đồ cấu tạo một cell của RFB [3] 4
Hình 1 3: Các thành phần của RFB [2] 5
Hình 1 4: Mô hình ắc quy được ghép 4 tế bào điện hóa sử dụng hệ lưỡng cực [1] 6
Hình 1 5: Sơ đồ phân loại ắc quy dòng oxy hóa khử RFB 8
Hình 1 6: Sơ đồ cấu tạo ắc quy VRFB [6] 9
Hình 1 7: Sơ đồ cấu tạo ắc quy Cr – Fe [8] 11
Hình 1 8: Sơ đồ cấu tạo ắc quy Zn-Br 12
Hình 1 9: Sơ đồ cấu tạo ắc quy Polysulphide/bromine [9] 13
Hình 2 1: Một số dạng thù hình của cacbon 15
Hình 2 2: Tóm tắt sự phát triển của vật liệu dựa trên carbon cho VRFB [10] 20
Hình 2 3: Tóm tắt các phương pháp sửa đổi được sử dụng cho GF [1] 21
Hình 2 4: Hình thái bề mặt của (a) GF nguyên sơ và (b) GF được xử lý ở 400 ° C trong 30 giờ [11] 22
Hình 2 5: Sơ đồ minh họa cơ chế phản ứng oxy hóa khử cho (a) cặp oxi hóa khử VO2 + / VO ở catot, (b) cặp oxi hóa khử V / V ở anot trên bề mặt của điện2+ 2 + 3 + cực nỉ cacbon trong VRFB [12] 23
Hình 2 6: Hình thái bề mặt các mẫu GF ở nhiệt độ và thời gian khác nhau (a) GF nguyên sơ, (b) GF (400°C, 24 h), (c) GF (500°C, 6 h), (d) GF (600°C, 12 h), (e) GF (500°C, 12 h), (f) GF (500°C, 24 h), (g) GF (500°C, 36 h) [13] 24
Hình 2 7: Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của điện cực GF [5] 26
Hình 2 8: Quét thế vòng và chế độ sạc-xả ở các mức oxy hóa khác nhau [16] .26 Hình 2 9: Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM ) của CF [5] 27
Hình 2 10: Hình ảnh HR-TEM của cacbon nguyên sinh và cabon pha tạp N [5] .28
Hình 2 11: Cơ chế xúc tác của NGS cho phản ứng oxy hóa khử VO2 + / VO2+ [18] 29
Hình 2 12: Hình thái bề mặt của nỉ graphit, (a) nỉ thô như được tiếp nhận, (b) nỉ đã qua xử lý nhiệt (tế bào A,B), (c) phớt graphit đã qua sửa đổi Ir (tế bào C), (d) phớt graphit đã được biến tính Ir sau 50 chu kỳ sạcxả, (e) Các đường cong sạc -xả cho tế bào dòng oxy hóa khử vanadi sử dụng các phương pháp khác nhau được xử lý bằng nỉ graphit, mật độ dòng điện phóng là 30 mA cm [27] 32-2 Hình 2 13: (a) Sơ đồ thể hiện sự trang trí của các hạt nano Bi trên bề mặt của điện cực GF và (b) chu kì điện thế với cacbon thủy tinh làm điện cực làm việc trong dung dịch VOSO 2M + HCl 5M có hoặc không có BiCl 0,01 M tại một4 3 lần quét tốc độ 50 mV s – 1 [10] 32
GVHD: TS Lê Thị Thu Hằng SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 7Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 2 14: Sơ đồ lịch sử về nghiên cứu về điện cực dựa trên oxit kim loại cho
VRFB [10] 33
Hình 2 15: Ảnh SEM của GF nguyên sinh và GF được sửa đổi bằng PbO thông2
qua lắng đọng điện xung [5] 34
Hình 2 16: Hình ảnh FESEM của các điện cực nỉ carbon trước và sau khi sửa
đổi bề mặt ở cùng độ phóng đại; (a) nỉ carbon trần, (b) oxy hóa nhẹ ở 500 ◦Ctrong 5 giờ dưới bầu không khí, (c) xử lý plasma oxy trong 2 phút ở công suất cốđịnh 100W, và (d) chiếu xạ tia gamma 150 kGy [31] 37
Hình 2 17: Ảnh SEM của nỉ graphite xử lý bằng vi sóng (a) Nỉ graphit ban đầu
(b) phớt graphit-30 h (c) phớt graphit-10 phút (d) phớt graphit-15 phút (e) phớtgraphit-20 phút [32] 38
GVHD: TS Lê Thị Thu Hằng SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 8Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẮC QUY DÒNG OXY HÓA KHỬ
1.1 Lịch sử hình thành và phát triển ắc quy dòng oxy hóa – khử
Ắc quy dòng oxy hóa khử (RFB) đầu tiên dựa trên hệ phản ứng halogen được phát minh vào thế kỷ 19 bởi Nhà khoa học Pháp, Charles Renard.Sau đó, nhà hóa học Kangro đề xuất khái niệm sử dụng cùng một nguyên tố cótrạng thái oxy hóa khác nhau ở hai mặt của ắc quy vào năm 1949 Sự phát triểnban đầu của ắc quy dòng oxy hóa khử có quy mô đầy đủ bắt đầu vào những năm
kẽm-1970 Bà Michelle Thaller đã phát minh ra ắc quy dòng oxy hóa khử sắt-cromđầu tiên vào năm 1974 tại Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Hoa Kỳ(NASA) NASA đã tiến hành các nghiên cứu tiên phong về các khía cạnh kỹthuật khác nhau của hệ thống ắc quy dòng chảy RFB, bao gồm phân tích tổn thấtmáy bơm, dòng điện, vật liệu điện cực và chi phí sản xuất ắc quy [1] Hệ ắc quysắt-crom được cấu tạo gồm cặp Cr /Cr ở khoang anolit và cặp Fe /Fe ở2+ 3+ 2+ 3+
khoang catolit với axit clohydric làm chất điện dịch Kết quả là điện áp mạch hởcủa ắc quy này là 1,0 V Mặc dù hệ thống sắt-crom có thể hoạt động với các điệncực cacbon chi phí thấp, nhưng khả năng thuận nghịch của phản ứng oxy hóakhử Cr /Cr lại thấp, quá trình giải phóng hydro quá mức và nhiễm bẩn chéo2+ 3+
nghiêm trọng Do đó, nghiên cứu về hệ thống sắt-crom đã bị NASA ngừng vàonăm 1984 Tuy nhiên, Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Điện (ETL) ở Nhật Bản tiếptục nghiên cứu về ắc quy sắt - crom và có thể cải thiện hiệu suất của nó bằngcách sửa đổi các điện cực nỉ để giảm sự giải phóng hydro bằng cách cho hoạtđộng với chất điện phân duy nhất, với một màng rẻ hơn và tái cân bằng hệ thốngđiều chỉnh trạng thái tích điện (SOC) trong hoạt động lâu dài của ắc quy MộtRFB sắt-crôm 60 kW được phát triển bởi Công ty Điện lực Kansai (KEPCO) vàCông ty TNHH Sumitomo Electric Industries (Sumitomo Electric) vào năm 1989[2]
Khái niệm sử dụng vanadi làm hoạt chất trong ắc quy dòng oxy hóa khửxuất hiện lần đầu tiên trong một bằng sáng chế của A Pelligri và PM Spaziantevào năm 1978 Tuy nhiên, ắc quy dòng oxy hóa khử vanadi (VRFB) đầu tiênđược phát triển và trình diễn bởi Rychcik và Skyllas-Kazacos tại Đại học NewSouth Wales vào năm 1980 Dòng VRFB này sử dụng bốn trạng thái oxy hóakhác nhau của vanadi trong dung dịch: điện cực âm sử dụng cặp oxy hóa khử
V2+/V3+ và điện cực dương sử dụng cặp oxy hóa khử VO / VO dẫn đến điện áp2+
2+
hở mạch tiêu chuẩn là 1,26 V VRFB có một số ưu điểm hơn RFB sắt-crom Thứnhất, VRFB không có vấn đề ô nhiễm chéo nghiêm trọng của RFB sắt-crom vìcác loại vanadi được sử dụng trong cả hai tế bào bán phần Trong trường hợpnhiễm chéo trong RFB vanadi-vanadi, dung dịch có thể được tái tạo đơn giảnbằng cách sạc lại Thứ hai, trong các hệ thống có chất hoạt động khác nhau nhưRFB sắt-crom, chất lỏng hỗn hợp phải được thay thế hoàn toàn hoặc loại bỏ để
xử lý bên ngoài Hơn nữa, quá trình giải phóng hydro ít xảy ra hơn nhiều ở điện
GVHD: TS.Lê Thị Thu Hằng 1 SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 9Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
cực âm trong VRFB do phản ứng oxi hóa khử V (II) / V (III) cao hơn so với phảnứng Cr / Cr Với thành công này, hầu hết các nhà nghiên cứu RFB chuyển sự2+ 3+
chú ý của họ sang hệ thống vanadi-vanadi Năm 1989, một phương pháp đượcphát triển bởi Kashima Kita Electric Power Corp và ETL để thu hồi vanadi từdầu mỏ và nhiên liệu nặng Với công nghệ này, một số công ty Nhật Bản đã cóthể sản xuất VRFB quy mô lớn hơn như hệ thống 450 kW / 900 kWh vào năm
1996 và hệ thống 100 kW / 800 kWh vào năm 2000 Kể từ thời điểm đó, VRFB
đã được một số công ty giới thiệu ra thị trường [2]
Mặc dù VRFB đã được thương mại hóa thành công và trải qua nhiều cảitiến đáng kể, mật độ năng lượng của chúng vẫn còn hạn chế do độ hòa tan vanadithấp trong chất điện phân được sử dụng Điều này đã hạn chế nghiêm trọng khảnăng tồn tại của VRFB để đáp ứng các yêu cầu chi phí của hệ thống lưu trữ nănglượng quy mô lưới và do đó cũng cản trở sự thâm nhập của nó vào thị trườngrộng lớn hơn Do đó, một lượng lớn nghiên cứu đã được tập trung vào việc cảithiện hiệu suất của VRFB cũng như phát triển ắc quy dòng oxy hóa khử dựa trêncác hóa chất khác và với các thiết kế khác nhau để cải thiện mật độ năng lượng
và giảm chi phí sản xuất [2] Xu hướng đầu tiên là thay thế nước bằng các dungmôi hữu cơ để tạo ra các RFB không chứa nước, xu hướng khác là sử dụng cácvật liệu hữu cơ hoạt tính oxy hóa khử hơn là cân bằng kim loại, nhằm mục đíchtận dụng khả năng phản ứng hóa học, đa dạng về cấu trúc và có khả năng chi phíthấp hơn Đặc biệt là sau năm 2010, các khái niệm và cơ chế độc đáo của côngnghệ ắc quy dòng chảy RFB đã thu hút rất nhiều sự quan tâm để phát triển Vídụ: Ắc quy dòng lithium-kim loại sử dụng cực dương là liti, nó được nối vớicatot bằng màng hoặc thiết bị phân tách - bộ tách bằng sứ khi sử dụng catot dạngnước Các cặp oxy hóa khử bao gồm oxit kim loại, iốt, polysulfide, và các vậtliệu hoạt động hữu cơ được sử dụng trong bể catot ở dạng không chứa nước hoặcdung dịch Các khái niệm về ắc quy dòng chảy không có bơm hoặc không cómàng dựa trên các cơ chế khác nhau cũng đã được báo cáo Gần đây hơn, ắc quydòng quang hóa, trong đó chất xúc tác quang làm từ titan hoặc sắt được sử dụng
để lưu trữ trực tiếp năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu chuyên sâu Ắc quykim loại - không khí được coi là hệ thống lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn và thânthiện với môi trường cũng có thể được kết hợp với hệ thống dòng chảy [3]
GVHD: TS.Lê Thị Thu Hằng 2 SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 10Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 1 1: Lịch sử phát triển của ắc quy dòng oxy hóa khử [3]
2 Ắc quy dòng oxy hóa –khử
1.2.1 Khái niệm
Ắc quy dòng oxy hóa khử (RFB) là nguồn thứ cấp dựa trên các phản ứngđiện hóa thuận nghịch trong điện dịch lỏng để chuyển đổi năng lượng điện thànhnăng lượng hóa học và ngược lại Ngoài ra, RFB là một thiết bị dựa trên dòngchảy, phục vụ để lưu trữ và giải phóng năng lượng thông qua các quá trình sạc và
xả tương ứng Trái ngược với ắc quy tĩnh thông thường, năng lượng được lưu trữtrong các điện dịch chứ không phải điện cực, điều này cho phép RFB hoạt độngvới tuổi thọ cao hơn với ít bảo trì hơn so với ắc quy thông thường Do đó, RFBthường được gọi là tế bào nhiên liệu tái sinh, nơi điện năng được tạo ra từ việcchuyển đổi năng lượng được lưu trữ trong nhiên liệu đầu vào có chứa hai cặp oxyhóa khử hòa tan Cấu trúc của ắc quy dòng oxy hóa khử được minh họa bằng sơ
đồ sau:
GVHD: TS.Lê Thị Thu Hằng 3 SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 11Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 1 2: Sơ đồ cấu tạo một cell của RFB [3]
Do tính linh hoạt của chúng, RFB có thể được sử dụng cho nhiều ứngdụng Đặc biệt, chúng có thể được thực hiện bổ sung cho một trang trại quangđiện hoặc một tuabin gió Thật vậy, chúng rất phù hợp để đệm các dao động nănglượng tái tạo vì việc sạc hoặc xả không liên tục không ảnh hưởng đáng kể đếntuổi thọ của ắc quy và thời gian phản hồi của RFB ngắn (thường ít hơn 1 giây).RFB cũng có thể được tích hợp trong mạng lưới microgrid, nơi chúng đóng vaitrò giống nhau là lưu trữ lượng sản xuất dư thừa và cung cấp năng lượng khi mứctiêu thụ cao hơn mức sản xuất RFB cũng đã được cài đặt làm hệ thống dự phòng(hoặc UPS), hoặc ở các khu vực hẻo lánh cho các trạm viễn thông
1.2.2 Nguyên lý hoạt động
Ắc quy dòng oxy hóa khử (RFB) là nguồn thứ cấp, trong đó sự chuyển đổinăng lượng dựa trên phản ứng điện hóa thuận nghịch của hai cặp oxy hóa khử(A /A2+ + và C3+/C2+), như trình bày ở phương trình (1.1) các cặp oxy hóa khửthường ở dạng hòa tan trong dung dịch Phương trình xảy ra như sau:
A + C A + C (1.1) 2+ 2+ + 3+
Trong hình 1.2 Một tế bào RFB bao gồm hai phần được kết nối với nhauthông qua các máy bơm: ngăn xếp ắc quy (nơi diễn ra các phản ứng điện hóa) vàcác thùng lưu trữ bên ngoài (nơi chứa các chất hoạt động điện cực)
GVHD: TS.Lê Thị Thu Hằng 4 SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Nạp Phóng
Trang 12Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trong quá trình hoạt động, các điện dịch được dẫn từ các thùng lưu trữđến hai ngăn tế bào được ngăn cách bởi màng trao đổi ion, tại đây xảy ra sự traođổi của các điện tử trên bề mặt điện cực và sau đó quay trở lại thùng Như vậy, ắcquy được sạc hoặc xả dần trong khi các chất điện dich đang được chuyển đổi
1.2.3 Thành phần của ắc quy dòng oxy hóa khử
Hình 1 3: Các thành phần của RFB [2]
Hình 1.3 Cho thấy một sơ đồ của các thành phần thường được sử dụng
trong một ô của ắc quy dòng oxy hóa khử Như hình hiển thị, một ô đơn của RFBthường bao gồm các tấm cuối (1,9), trường dòng (3,7), bộ thu dòng điện (2,8),điện cực âm và dương (4,6) được ngăn cách bởi một màng (5) Hai điện dịch cóchứa các chất nhiễm điện chảy qua mỗi ngăn của ắc quy tạo bởi giữa điện cực vàmàng Nhiều ngăn xếp ô cũng có thể được sử dụng cho hệ thống RFB Ngăn xếp
ô được cấu tạo từ các điện cực lưỡng cực mắc nối tiếp hoặc song song (Hình 1.4) Tấm lưỡng cực đóng vai trò như một bộ thu dòng và hỗ trợ cơ học cho ngăn
xếp đồng thời tăng cường luồng dòng điện giữa nhiều ô trong ngăn xếp Thiết kếlưỡng cực như vậy sẽ làm tăng mật độ điện năng ắc quy bằng cách cho phép sửdụng nhiều điện cực hơn trong một ngăn xếp và giảm tổn thất gây ra do điện trởrơi Trong phần này, các yếu tố chính của RFB sẽ được trình bày ngắn gọn là:điện dịch, điện cực và màng ngăn
GVHD: TS.Lê Thị Thu Hằng 5 SVTH: Trịnh Trần Thu Trang
Trang 13Đồ án chuyên ngành Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 1 4: Mô hình ắc quy được ghép 4 tế bào điện hóa sử dụng hệ lưỡng cực [1]
1.2.3.1 Điện dịch
Các chất điện dịch là các dung dịch được tách riêng có chứa các chất hoạtđộng tích điện hòa tan trong chất lỏng dẫn điện ion được bơm xung quanh mỗibên của tế bào để nạp và xả (Hình 1.3) Trong khi sạc, C và A từ các bể catolit2 + 2 +
và anolit tương ứng được bơm qua các điện cực làm sạch màng phân tách, tại đâychúng bị khử và bị oxy hóa tương ứng tạo ra A và C Sau khi phóng điện, quá+ 3+
trình được đảo ngược Dung lượng của ắc quy được xác định bởi thể tích và nồng
độ (độ hòa tan) của các loại chất hoạt động điện Như vậy, điện dịch là thànhphần quan trọng trong hệ thống RFB Các tính chất điện dịch chủ yếu quyết địnhhiệu suất của một RFB Ví dụ, khả năng hòa tan của các vật liệu hoạt động là mộttính chất quan trọng xác định mật độ năng lượng của hệ thống Điện dịch có độhòa tan càng cao thì mật độ năng lượng của điện dịch càng lớn Nhiệt độ ổn địnhcủa điện dịch cũng ảnh hưởng đáng kể, bởi vì nhiệt độ hoạt động của RFB đượcxác định bởi sự ổn định nhiệt độ của điện dịch Điện dịch phải có độ ổn định điệnhóa trên toàn bộ phạm vi sạc / xả Khi trạng thái tích điện (SOC) là 0% hoặc100%, điện dịch có thể ở trong tình trạng bất lợi nhất trong quá trình hoạt độngcủa tế bào Ngoài ra, độ ổn định, độ dẫn điện, chi phí và độ an toàn của điện dịchcũng quan trọng cho việc thương mại hóa ắc quy trong tương lai [3, 4]
1.2.3.2 Điện cực
Các điện cực trong RFB được yêu cầu phải có diện tích bề mặt cao, độxốp thích hợp, điện trở điện tử thấp và hoạt động điện hóa cao đối với các phảnứng oxy hóa khử để tối ưu hóa hiệu suất của RFB Công suất của hệ thống RFBđược xác định bởi kích thước điện cực (diện tích), mật độ dòng hoạt động và sốcủa tế bào (ngăn xếp) Hiệu suất điện áp của tế bào bị ảnh hưởng rất nhiều bởitổng điện trở của vật liệu điện cực và tác dụng xúc tác của nó đối với phản ứng
GVHD: TS.Lê Thị Thu Hằng 6 SVTH: Trịnh Trần Thu Trang