باتری جریان ردوکس چیست؟ تعریف و ساختار کلی

باتری جریان ردوکس نوعی باتری قابل شارژ است که به جای صفحات جامد، انرژی الکتریکی را در الکترولیت‌های مایع ذخیره می‌کند و با پمپاژ این مایع‌ها از مخزن‌های عظیم خارجی به سلول‌های الکتروشیمیایی، برق را با راندمان خیره‌کننده ۷۵-۸۵ درصد تولید می‌نماید. این باتری، که ریشه‌هایش به دهه ۱۹۷۰ و تحقیقات ناسا برای مأموریت‌های فضایی مانند آپولو بازمی‌گردد، با جداسازی کامل قدرت (اندازه سلول‌های کوچک) از ظرفیت (حجم مخزن‌های غول‌پیکر تا ۱۰۰ هزار لیتر)، انعطاف‌پذیری بی‌نظیری برای ذخیره‌سازی مگاواتی ارائه می‌دهد و با عمر عملیاتی بیش از ۲۰ هزار چرخه شارژ و دشارژ، ۱۰ برابر باتری‌های معمولی لیتیوم-یون دوام می‌آورد. باتری ردوکس، که از واکنش‌های شیمیایی اکسایش-کاهش (ردوکس) برای تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی استفاده می‌کند، با هزینه تولید تنها ۲۰۰-۳۰۰ دلار بر کیلووات‌ساعت، انقلابی در اقتصاد انرژی ایجاد کرده و جایگزینی ایده‌آل برای باتری‌های گران‌قیمت و آتش‌گیر لیتیوم در شبکه‌های برق ملی است.

این فناوری شگفت‌انگیز، که انواع مختلفی از وانادیوم ردوکس تا روی-بروم را شامل می‌شود، با ذخیره‌سازی الکترولیت‌ها در مخزن‌های پلی‌اتیلن یا فولاد ضدخوردگی، امکان افزایش ظرفیت بدون تغییر قدرت را فراهم می‌کند و با غشای تبادل یونی نازک (۵۰ میکرومتر)، از تماس خطرناک الکترولیت‌های مثبت و منفی جلوگیری می‌نماید. باتری جریان ردوکس، در پروژه‌های عظیم مانند ذخیره‌سازی ۲۰۰ مگاواتی انرژی بادی در صحراهای چین و سیستم‌های خورشیدی کالیفرنیا به کار گرفته شده و با ایمنی صددرصدی (عدم خطر انفجار یا آتش‌سوزی)، استاندارد جدیدی در پایداری انرژی تعریف کرده است.

باتری جریان ردوکس چیست؟

باتری جریان ردوکس، به عنوان یکی از ناب‌ترین اختراعات مهندسی الکتروشیمی در تاریخ مدرن، نوعی باتری فوق‌العاده قابل شارژ است که برخلاف باتری‌های معمولی با صفحات جامد، انرژی الکتریکی عظیم را در مایعات شیمیایی (الکترولیت‌ها) ذخیره می‌کند و با سیستم پمپاژ هوشمند، این مایع‌ها را از مخزن‌های خارجی غول‌پیکر (تا ۱۰۰ هزار لیتر برای سیستم‌های مگاواتی) به سلول‌های الکتروشیمیایی کوچک منتقل می‌نماید تا برق با ولتاژ پایدار ۱.۲-۱.۶ ولت تولید کند.

این باتری انقلابی، که اولین بار در سال ۱۹۷۴ توسط دانشمندان ناسا برای تأمین انرژی ایستگاه‌های فضایی طراحی شد، با جداسازی کامل مفهوم “قدرت” (تعداد و اندازه سلول‌ها) از “ظرفیت” (حجم مخزن‌های الکترولیت)، انعطاف‌پذیری بی‌سابقه‌ای ایجاد کرده و امکان ساخت سیستم‌های ۱ مگاواتی با مخزن‌های قابل گسترش را بدون تغییر سلول‌های اصلی فراهم می‌آورد، در حالی که راندمان دورقمی ۷۵-۸۵ درصد و عمر خیره‌کننده ۲۰-۲۵ هزار چرخه شارژ و دشارژ، آن را به سلطان ذخیره‌سازی طولانی‌مدت تبدیل کرده است. باتری ردوکس، که دو مخزن جداگانه برای الکترولیت مثبت (کاتد) و منفی (آند) دارد، با غشای تبادل یونی فوق‌نازک (ضخامت ۵۰ میکرومتر از جنس Nafion)، جریان یون‌های هیدروژن را با دقت نانومتری کنترل می‌کند و از مخلوط شدن خطرناک دو الکترولیت که می‌تواند واکنش انفجاری ایجاد کند، صددرصد جلوگیری می‌نماید.

این شاهکار فناوری، که انواع متنوعی از وانادیوم ردوکس (VRFB – تجاری‌ترین نوع با ۱ گیگاوات ظرفیت نصب‌شده جهانی) تا روی-بروم (ZnBr – با چگالی انرژی بالا برای کاربردهای صنعتی) و آهن-کروم (FeCr – ارزان‌ترین گزینه برای پروژه‌های کوچک) را در بر می‌گیرد، با هزینه تولید باورنکردنی ۲۰۰-۳۰۰ دلار بر کیلووات‌ساعت (نصف قیمت لیتیوم-یون)، معادلات اقتصادی شبکه‌های برق را دگرگون کرده و با ایمنی بی‌نظیر (عدم وجود مواد قابل اشتعال یا انفجاری)، در برابر آتش‌سوزی‌های مکرر باتری‌های تسلا ایمن‌تر عمل می‌کند. باتری جریان ردوکس، که پمپ‌های سانتریفیوژ کم‌مصرف (تنها ۰.۱ کیلووات برق برای هر کیلووات ذخیره‌سازی) آن را به حرکت درمی‌آورد، بیش از ۱ گیگاوات ظرفیت عملیاتی در پروژه‌های واقعی مانند ذخیره‌سازی ۸۰ درصدی انرژی بادی دالیان چین، سیستم خورشیدی ۱۰۰ مگاواتی نبراسکا آمریکا و میکروگریدهای جزیره‌ای هاوایی دارد.

فناوری باتری ردوکس

فناوری باتری جریان ردوکس، به عنوان جواهر تاج مهندسی الکتروشیمی معاصر، بر پایه مفهوم انقلابی “جریان مایع” بنا شده که انرژی الکتریکی را نه در صفحات ثابت جامد، بلکه در حجم عظیم الکترولیت‌های مایع حل‌شده ذخیره می‌کند و با سیستم پمپاژ دقیق و هوشمند، این مایعات را با سرعت ۱۰-۲۰ لیتر در دقیقه از مخزن‌های پلی‌اتیلن ضدخوردگی (ظرفیت ۱۰ تا ۱۰۰ هزار لیتر) به استک‌های الکتروشیمیایی (سلول‌های کربنی با مساحت ۱۰۰ متر مربع بر متر مکعب) منتقل می‌نماید تا واکنش‌های اکسایش-کاهش با راندمان خیره‌کننده ۸۰ درصد، جریان الکتریکی پایدار ۱.۲-۱.۶ ولت تولید کنند. این فناوری درخشان، که ریشه در تحقیقات دهه ۱۹۷۰ ناسا برای تأمین انرژی مداوم مأموریت‌های آپولو دارد، با جداسازی مهندسی‌شده “قدرت آنی” (اندازه و تعداد ۵۰-۵۰۰ سلول در استک) از “ظرفیت ذخیره‌سازی” (حجم قابل افزایش مخزن‌ها بدون محدودیت)، امکان طراحی سیستم‌های مگاواتی را با هزینه‌های مقیاس‌پذیر فراهم آورده و برخلاف باتری‌های لیتیوم که هر افزایش ظرفیت ۱۰ برابری هزینه را ۱۰۰ برابر می‌کند، ردوکس با اضافه کردن مخزن ساده، ظرفیت را بی‌نهایت افزایش می‌دهد

در حالی که راندمان ۸۵ درصدی و عمر ۲۵ هزار چرخه شارژ/دشارژ، بازگشت سرمایه را در ۵-۷ سال تضمین می‌کند. باتری ردوکس، که از غشای تبادل یونی Nafion با رسانایی یونی ۰.۱ سیمنس بر سانتی‌متر و انتخابگری ۹۹ درصدی برای یون هیدروژن استفاده می‌کند، با جلوگیری از “کراس‌اور” (مخلوط شدن ناخواسته الکترولیت‌ها که راندمان را ۲۰ درصد کاهش می‌دهد)، پایداری شیمیایی بی‌نقص را حفظ می‌نماید و با الکترولیت‌های آبی یا غیرآبی (pH ۰-۱۴)، ولتاژ کاری را در بازه وسیع ۱-۲ ولت تنظیم می‌کند.

باتری جریان ردوکس، که انواع آلی (پلیمرهای رسانا برای ایمنی بالا)، فلزی (وانادیوم با پایداری ۲۰ ساله) و هیبریدی (ترکیب روی-وانادیوم برای چگالی ۷۵ وات‌ساعت بر لیتر) را شامل می‌شود، با پمپ‌های سانتریفیوژ مغناطیسی بدون تماس (مصرف برق تنها ۳-۵ درصد کل انرژی)، الکترولیت را بدون اصطکاک به سلول‌ها می‌فرستد و با الکترودهای کربن فوم متخلخل (منافذ ۱۰-۵۰ میکرومتر)، سطح تماس واکنش را ۱۰۰۰ برابر صفحات تخت افزایش می‌دهد تا جریان ۲۰۰-۵۰۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع تولید کند.

اجزای اصلی سیستم: مخزن، پمپ، سلول و غشاء

اجزای اصلی باتری ردوکس شامل مخزن‌های الکترولیت (تا ۱۰۰ هزار لیتر برای مگاوات‌ها)، پمپ‌های سانتریفیوژ (۰.۱ کیلووات بر کیلووات)، سلول الکتروشیمیایی (استک با الکترودهای کربنی) و غشای تبادل یونی (Nafion با ضخامت ۵۰ میکرومتر) است. مخزن‌ها، از پلی‌اتیلن یا فولاد ضدخوردگی، الکترولیت را جدا نگه می‌دارند و پمپ‌ها، با سرعت ۱۰ لیتر بر دقیقه، آن را به سلول می‌فرستند.

سلول، با الکترودهای کربن فوم (مساحت ۱۰۰ متر مربع بر متر مکعب)، واکنش ردوکس را انجام می‌دهد و غشا، یون‌های هیدروژن را عبور می‌دهد. این اجزا، باتری را مدولار و مقیاس‌پذیر می‌کنند و با راندمان ۸۰ درصدی، انرژی را ذخیره می‌نمایند.

اصول الکتروشیمیایی عملکرد در باتری ردوکس

اصول الکتروشیمیایی باتری جریان ردوکس، به عنوان شاهکار علمی که شیمی کوانتومی را به مهندسی قدرت متصل می‌کند، بر پایه واکنش‌های دوسویه اکسایش-کاهش (ردوکس) بنا شده که در آن الکترولیت مثبت (کاتد) از حالت اکسیدشده VO2+ با از دست دادن الکترون به VO2+ تبدیل می‌شود و همزمان الکترولیت منفی (آند) از V3+ با دریافت الکترون به V2+ کاهش می‌یابد، جریانی از الکترون‌ها را در مدار خارجی با پتانسیل استاندارد ۱.۲۶ ولت و چگالی جریان ۳۰۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع ایجاد می‌کند در حالی که غشای Nafion با ضخامت ۵۰ میکرومتر، تنها یون‌های هیدروژن (H+) را با سرعت ۱۰^-۵ مول بر متر مربع بر ثانیه از آند به کاتد منتقل می‌نماید تا تعادل بار الکتریکی حفظ شود و از تماس مستقیم دو الکترولیت که می‌تواند واکنش‌های جانبی انفجاری تولید کند، با انتخابگری ۹۹.۹ درصدی جلوگیری نماید. این اصول بنیادی، که از قانون فارادی (جریان = n × F × نرخ واکنش، n=1 برای وانادیوم) و معادله نرنست (E = E° – (RT/nF)lnQ) استخراج شده، راندمان ولتاژ ۸۵ درصدی را با افت پتانسیل تنها ۰.۲ ولت در جریان ۵۰۰ میلی‌آمپر تضمین می‌کند و با اسید سولفوریک ۵ مولار به عنوان رسانای یونی (conductivity 0.8 S/cm)، مقاومت داخلی را به ۰.۱ اهم بر سانتی‌متر مربع کاهش می‌دهد تا اتلاف حرارتی کمتر از ۵ درصد کل انرژی باشد.

در فرآیند شارژ، جریان الکتریکی خارجی معکوس واکنش‌ها را اجرا می‌کند و VO2+ را به VO2+ و V2+ را به V3+ بازمی‌گرداند، الکترولیت‌ها را برای چرخه بعدی در مخزن‌ها ذخیره می‌نماید بدون اینکه حجم مایع (برخلاف باتری‌های جامد که ۲۰ درصد منبسط می‌شوند) ذره‌ای تغییر کند، و در دشارژ، پمپ‌ها با فشار ۰.۵ بار، ۱۵ لیتر در دقیقه الکترولیت تازه را به الکترودهای کربن متخلخل (سطح ویژه ۱۰۰۰ متر مربع بر گرم) می‌فرستند تا واکنش با سرعت کاتالیزوری ۱۰^۶ برابر واکنش‌های ساده پیش برود. باتری ردوکس، که پتانسیل باز (OCV) ۱.۴ ولت و ولتاژ کاری ۱.۲ ولت دارد، با راندمان کولنی ۹۵ درصدی (ظرفیت برگشتی/ظرفیت ورودی) و دورقمی ۸۵ درصدی (انرژی خروجی/ورودی)، در چرخه‌های ۴-۸ ساعته شارژ و ۲-۱۰ ساعته دشارژ، نوسانات خورشیدی (پیک ۱۲ ظهر تا صفر شب) را کاملاً صاف می‌کند و با عدم تولید گاز هیدروژن (برخلاف سرب-اسید)، ایمنی ۱۰۰ درصدی را در برابر انفجار تضمین می‌نماید.

نقش الکترولیت در فرآیند اکسایش-کاهش

الکترولیت در باتری ردوکس، نقش اصلی در فرآیند اکسایش-کاهش ایفا می‌کند و با حاوی بودن مواد فعال (مانند وانادیوم در ۱.۶ مولار)، واکنش‌های شیمیایی را ممکن می‌سازد. الکترولیت مثبت (کاتد) با VO2+ به VO2+ اکسید می‌شود و الکترولیت منفی (آند) با V2+ به V3+ کاهش می‌یابد، که جریان الکتریکی تولید می‌کند. اسید سولفوریک (۵ مولار) رسانایی را افزایش می‌دهد و پایداری را تضمین می‌کند. الکترولیت که در مخزن‌ها ذخیره می‌شود، با پمپاژ به سلول جریان می‌یابد و با غشا، تماس مستقیم را جلوگیری می‌کند.

فناوری مبتنی بر وانادیوم

فناوری باتری جریان ردوکس مبتنی بر وانادیوم (VRFB)، که در ۱۹۸۰ توسط دانشگاه نیو ساوت ولز ابداع شد، از وانادیوم در چهار حالت اکسیداسیون (V2+/V3+ در آند، VO2+/VO2+ در کاتد) استفاده می‌کند و با اسید سولفوریک، پایداری را تضمین می‌نماید. این فناوری، با ولتاژ ۱.۲۶ ولت و راندمان ۸۵ درصدی، عمر ۲۵ هزار چرخه دارد و با جداسازی قدرت و ظرفیت، برای ذخیره‌سازی مگاواتی مناسب است. VRFB، که تجاری‌ترین نوع است، با ممبران Nafion، عبور یون را کنترل می‌کند و در چین، ۱ گیگاوات ظرفیت دارد.

انواع باتری‌های جریان ردوکس و تفاوت‌های آن‌ها

انواع باتری‌های جریان ردوکس شامل وانادیوم ردوکس (VRFB، با وانادیوم برای پایداری و عمر ۲۵ هزار چرخه)، روی-بروم (ZnBr، با انرژی بالا اما خوردگی) و آهن-کروم (FeCr، ارزان اما ولتاژ پایین ۱ ولت) است. VRFB با راندمان ۸۵ درصدی، تجاری‌ترین است، ZnBr با ۷۵ مگاوات‌ساعت بر متر مکعب، برای کوتاه‌مدت مناسب است و FeCr، با هزینه ۱۰۰ دلار بر کیلووات‌ساعت، برای کاربردهای کوچک استفاده می‌شود.

تفاوت‌ها در الکترولیت (آبی در VRFB، غیرآبی در ZnBr) و غشا (Nafion در VRFB، پلیمر در ZnBr) است. VRFB برای بزرگ‌مقیاس، ZnBr برای انرژی بالا و FeCr برای هزینه کم، انتخاب می‌شوند.

مکانیزم انتقال یون از طریق غشای تبادل یونی

مکانیزم انتقال یون در باتری جریان ردوکس از طریق غشای تبادل یونی (مانند Nafion) است که یون‌های هیدروژن (H+) را از آند به کاتد عبور می‌دهد و از تماس الکترولیت‌ها جلوگیری می‌کند. غشا، با ساختار سولفونیک اسید، رسانایی یونی ۰.۱ سیمنس بر سانتی‌متر دارد و با ضخامت ۵۰ میکرومتر، مقاومت را کم می‌کند. انتقال، با نیروی الکتروشیمیایی، تعادل شارژ را حفظ می‌کند و با انتخابی ۹۹ درصدی، کراس‌اور را ۱ درصد محدود می‌نماید.

این مکانیزم، راندمان ۸۵ درصدی را تضمین می‌کند و با غشاهای جدید، عبور را به ۰.۵ میلی‌مول بر متر مربع بر ساعت کاهش می‌دهد. غشا، باتری را ایمن و کارآمد نگه می‌دارد.

مزایای ردوکس نسبت به باتری‌های جامد-حالت

باتری ردوکس نسبت به باتری‌های جامد-حالت (مانند لیتیوم-یون) مزایای متعددی دارد، از جمله جداسازی قدرت (اندازه سلول) و ظرفیت (حجم مخزن)، که انعطاف‌پذیری برای مقیاس بزرگ (مگاوات) فراهم می‌کند و هزینه را به ۲۰۰ دلار بر کیلووات‌ساعت کاهش می‌دهد (در برابر ۵۰۰ دلار لیتیوم). ردوکس، با عمر ۲۰ هزار چرخه، ۱۰ برابر لیتیوم (۲۰۰۰ چرخه) دوام دارد و با عدم خطر آتش‌سوزی، ایمن‌تر است. مزایای دیگر، شارژ/دشارژ همزمان و پاسخ سریع (میلی‌ثانیه) است که برای شبکه‌های تجدیدپذیر مناسب است. ردوکس با راندمان ۸۵ درصدی، جایگزین پایداری برای باتری‌های جامد است.

امنیت و پایداری حرارتی در باتری جریان ردوکس

امنیت و پایداری حرارتی باتری ردوکس، با جداسازی الکترولیت در مخزن‌های خارجی، خطر انفجار را به صفر می‌رساند و با عدم مواد جامد، از گرمای بیش از حد (بالای ۴۰ درجه) جلوگیری می‌کند. پایداری، با الکترولیت‌های آبی، دما را در ۱۰-۴۰ درجه نگه می‌دارد و با خنک‌کننده‌های ساده، راندمان را ۸۵ درصد حفظ می‌کند. امنیت با عدم مواد سمی در وانادیوم، محیط را ایمن نگه می‌دارد. پایداری حرارتی با غشاهای مقاوم، کراس‌اور را ۱ درصد محدود می‌کند و عمر ۲۵ هزار چرخه را تضمین می‌نماید.

طول عمر و چرخه شارژ/دشارژ در سیستم ردوکس

طول عمر باتری ردوکس بیش از ۲۰ سال است و با ۲۰ هزار چرخه شارژ/دشارژ، ۱۰ برابر باتری‌های لیتیوم (۲۰۰۰ چرخه) دوام دارد. چرخه شارژ/دشارژ، با پمپاژ الکترولیت، بدون تغییر حجم، ظرفیت را حفظ می‌کند و با راندمان ۸۵ درصدی، ۹۵ درصد ظرفیت را پس از ۱۰ هزار چرخه نگه می‌دارد. در VRFB، وانادیوم پایداری شیمیایی را تضمین می‌کند و با شارژ عمیق (۱۰۰ درصد)، بدون آسیب کار می‌کند. چرخه‌ها، با شارژ ۴-۸ ساعته و دشارژ ۲-۱۰ ساعته، برای شبکه‌های تجدیدپذیر مناسب است.

راندمان انرژی باتری ردوکس ۷۵-۸۵ درصد است که با راندمان ولتاژ ۸۰ درصدی، کولن ۹۵ درصدی و ولتاژ ۱.۲ ولت، انرژی را به‌طور کارآمد ذخیره می‌کند. راندمان، با کاهش کراس‌اور غشا، به ۹۰ درصد می‌رسد و با الکترولیت‌های وانادیوم، پایداری را تضمین می‌کند. در مقیاس مگاواتی، راندمان ۸۲ درصدی با پمپ‌های کم‌مصرف (۰.۱ کیلووات بر کیلووات) به دست می‌آید. بررسی نشان می‌دهد ردوکس با ۸۵ درصد راندمان، ۱۰ درصد بهتر از لیتیوم-یون (۷۵ درصد) در چرخه‌های طولانی عمل می‌کند.

باتری ردوکس در کاربردهای ذخیره‌سازی بزرگ‌مقیاس برای انرژی‌های تجدیدپذیر مانند باد و خورشید استفاده می‌شود و با ظرفیت مگاواتی، نوسانات شبکه را تعدیل می‌کند. در چین، VRFB با ۲۰۰ مگاوات، ۸۰ درصد انرژی باد را ذخیره می‌کند و در آمریکا، سیستم‌های ۱ مگاواتی برای UPS (تأمین برق اضطراری) به کار می‌رود. کاربردهای دیگر در صنایع نظامی برای پایگاه‌های دورافتاده و در مخابرات برای پایداری شبکه است.

بخش سوالات متداول

باتری جریان ردوکس چیست؟

باتری جریان ردوکس (Redox Flow Battery) یک نوع باتری قابل شارژ است که انرژی را در محلول‌های الکترولیتی مایع ذخیره می‌کند؛ این محلول‌ها در مخازن جدا قرار دارند و هنگام عبور از سلول الکتروشیمیایی، واکنش اکسیداسیون-کاهش انجام داده و برق تولید یا ذخیره می‌شود.

چرا باتری ردوکس برای ذخیره‌سازی انرژی شبکه مناسب است؟

زیرا ظرفیت انرژی آن با بزرگ‌ کردن مخازن قابل افزایش است، طول عمر چرخه‌ای بالایی دارد، ایمنی بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیومی دارد و برای استفاده‌های استیشنری با زمان‌های طولانی دشارژ ایده‌آل است.

باتری ردوکس چه تفاوتی با باتری لیتیومی دارد؟

در باتری ردوکس، انرژی در مایع‌های بیرونی ذخیره می‌شود و توان در سلول تعیین می‌شود؛ در مقابل در باتری لیتیوم هر دو در ساختار سلول ترکیب‌اند. این تفکیک باعث مقیاس‌پذیری آسان باتری ردوکس و نگهداری ساده‌تر می‌شود.

طول عمر باتری های جریان ردوکس چقدر است؟

در کاربردهایی نظیر ذخیره‌سازی شبکه، بسته به نوع الکترولیت، طراحی و کیفیت سیستم، می‌تواند بیش از ۱۰ تا ۲۰ هزار سیکل کاری بدون افت جدی ظرفیت کار کند.

معایب باتری جریان ردوکس چیست؟

چگالی انرژی پایین‌تر نسبت به باتری‌های لیتیوم، نیاز به پمپ و سامانه پایپینگ، سرمایه‌گذاری اولیه نسبتاً بالا و پیچیدگی سیستم بعلت اجزای مکانیکی در گردش از معایب آن به شمار می‌روند.

رایج‌ترین نوع باتری جریان ردوکس چیست؟

رایج‌ترین و بالغ‌ترین نسخه، باتری جریان وانادیوم (VRFB) است زیرا استفاده از وانادیوم در هر دو مخزن باعث کاهش مشکلات آلودگی کراس‌اوِر یونی و افزایش پایداری شیمیایی می‌شود.

در چه حوزه‌هایی از این باتری استفاده می‌شود؟

در ذخیره‌سازی انرژی نیروگاه‌های بادی و خورشیدی، ترازسازی بار شبکه، سیستم‌های UPS بزرگ، میکروگریدها و ذخیره‌سازی بلند مدت انرژی در مقیاس صنعتی.