DC and AC characterization of a Vanadium Redox Flow Battery (VRFB) using a Pinflow 20 cm² test lab cell

Význam tématu

Redoxní tokové baterie Vanadium Redox Flow Battery se vyznačují oddělením skladování a konverze energie, což umožňuje nezávislé škálování kapacity (velikost nádrží) a výkonu (počet a plocha článků). Díky nízkým dlouhodobým nákladům na skladování a stabilitě vanadiových redoxních párů představují perspektivní řešení pro akumulaci obnovitelné energie.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo detailně elektrochemicky charakterizovat laboratorní VRFB článek s aktivní plochou 20 cm2 pomocí DC galvanostatických cyklů a AC elektrochemické impedanční spektroskopie (EIS). Studie hodnotila účinnost, kapacitní retenci a vliv stavu nabití a průtoku elektrolytu na vnitřní procesy článku.

Použitá metodika a instrumentace

• Testovací modul Pinflow 20 cm2 s grafitovými filty a membránou Nafion 115
• BioLogic BCS-815 pro galvano-statické přednabíjení a dlouhodobé cyklování
• BioLogic VSP-300 pro EIS měření
• Software BT-Lab a EC-Lab pro řízení experimentů a vyhodnocení dat
• Průtok elektrolytu 20–120 mL·min-1 při 25 °C, dusíkem deoxygenace anolytu

Hlavní výsledky a diskuse

Galvanostatické nabíjení proudem 3 A a cyklování ±3 A ukázalo coulombickou účinnost 96,5–97,5 % a úbytek kapacity přibližně 4,2 mAh na cyklus po 71 cyklech. EIS spektra kolem OCV odhalila významnou změnu nízkofrekvenční složky (difuzní element Wδ) v závislosti na stavu nabití (−50 % až +50 % SoC) a rychlosti průtoku. Difuzní časová konstanta klesala téměř lineárně s rostoucím průtokem, což potvrzuje vliv vázané difuze v porézním elektrokrystalickém feltu.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní postup pro optimalizaci provozních parametrů VRFB
• Možnost sledování stavu nabití a degradace elektrolytů pomocí EIS
• Nástroj pro vývoj a kontrolu kvality průmyslových článků

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se integrace online EIS monitoringu pro predikci životnosti článků a zavádění pokročilých datových algoritmů. Dále budou probíhat práce na nových membránách, zvýšení proudových hustot a začlenění VRFB do chytrých sítí pro vyrovnávání výkonu obnovitelných zdrojů.

Závěr

Prezentované výsledky potvrzují vysokou účinnost, stabilitu a cyklickou odolnost VRFB článku. Kombinace DC cyklování a EIS poskytuje hluboký vhled do elektrochemických procesů a podporuje optimalizaci konstrukce a provozu redoxních tokových baterií.

Reference

• J Noack N Roznyatovskaya C Menictas M Skylla-Kazacos Redox flow batteries for renewable energy storage pv-tech org 2019
• P Mazúr J Mrlik J Pocedic J Vrána J Dundalek J Kosek T Bystron J Power Sources 414 2019 354
• P Mazúr J Mrlik J Charvát J Pocedic J Vrána J Dundalek J Kosek MethodsX 6 2019 534
• Application Note 66 EIS measurements on a RDE Part I Determination of a diffusion coefficient using the new element Winf
• Application Note 62 How to measure the internal resistance of a battery using EIS
• BioLogic learning center topic ZSim and ZFit IV The effect of high frequency inductance
• G Barral S Maximovitch C Montella J App Electrochem 21 1991 991