Для цитирования:
Годяева М. В., Казаринов И. А., Воронков Д. Е., Олискевич В. В., Остроумов И. Г. Проточные батареи на основе органических редокс-систем для крупномасштабного хранения электрической энергии // Электрохимическая энергетика. 2021. Т. 21, вып. 2. С. 59-85. DOI: 10.18500/1608-4039-2021-21-2-59-85, EDN: CAGJVU
Проточные батареи на основе органических редокс-систем для крупномасштабного хранения электрической энергии
Технология проточных редокс-батарей известна с 1970-х годов. Их низкие удельные характеристики в течение длительного периода существенно сдерживали интерес к ним. Практический интерес возник в последние десятилетия в связи с интенсивным развитием альтернативной энергетики (солнечной, ветровой) и регулированием пиковых нагрузок в промышленных электрических сетях. Оказалось, что крупномасштабные накопители энергии для компенсации колебаний выработки энергии солнцем и ветром, при производстве электромобилей и систем обеспечения электроэнергией крупных домохозяйств выгоднее реализовывать на проточных редокс-батареях. Во-первых, они очень легко масштабируются, во-вторых, энергия, запасаемая в таких батареях, дешевая.
В связи с расширением сферы практического использования проточных батарей в последние годы исследователи продолжают работать над повышением экономической эффективности проточных батарей и над поиском более эффективных редокс-систем. Одним из таких направлений является использование более дешевых окислительно-восстановительных систем органической природы, в частности хинона, антрахинона и их аналогов. Их высокая растворимость в воде, хорошо разделенные потенциалы окисления-восстановления, практически исключающие расщепление воды, стабильность, безопасность и низкая стоимость в масштабах массового производства являются наиболее важными характеристиками для новых водных органических электролитов.
Пока органические проточные редокс-батареи все же уступают ванадиевым и другим неорганическим редокс-батареям по своим эксплуатационным параметрам. Это сдерживает их развитие в промышленном масштабе. Но результаты, которые продемонстрированы в настоящем обзоре, допускают их дальнейшее усовершенствование и возможную в будущем коммерциализацию.
1. Obama B. The irreversible momentum of clean energy // Science. 2017. Vol. 355. P. 126–129.
2. Huskinson B., Rugolo J., Mondal S. K., Aziz M. J. A high power density, high efficiency hydrogen–chlorine regenerative fuel cell with a low precious metalcontent catalyst // Energy Environ. 2012. Vol. 5. P. 8690–8698.
3. Skyllas-Kazacos M., Chakrabarti M. H., Hajimolana S. A., Mjalli F. S., Saleem M. Progress in Flow Battery Research and Development // Journal of the Electrochemical Society. 2011. Vol. 158, № 8. P. 55–79.
4. Zhou L., Zhao T. S., An L., Zeng Y. K., Zhu X. B. Performance of a vanadium redox flow battery with a VANADion membrane // Applied Energy. 2016. Vol. 180, № 15. P. 353–359.
5. Zeng Y. H., Zhao T. S., Zhou X. L., Zeng L., Wei L. The effects of design parameters on the charge-discharge performance of iron-chromium redox flow batteries // Applied Energy. 2016. Vol. 182, № 15. P. 204–209.
6. Yang J. H., Yang H. S., Ra H. W., Shim J., Jeon J. Effect of a surface active agent on performance of zinc / bromine redox flow batteries : Improvement in current efficiency and system stability // Journal of Power Sources. 2015. Vol. 275. P. 294–297.
7. Skyllas-Kazacos M., Rychcik M., Robins R. G., Fane A. G., Green M. A. New All Vanadium Redox Flow Cell // Journal of the Electrochemical Society. 1986. Vol. 133, № 5. P. 1057.
8. Rychcik M., Skyllas-Kazacos M. Characteristics of a new all-vanadium redox flow battery // Journal of Power Sources. 1988. Vol. 22. P. 59–67.
9. Kazacos M., Cheng M., Skyllas-Kazacos M. Vanadium redox cell electrolyte optimization studies // Journal of Applied Electrochemistry. 1990. Vol. 20. P. 463–467.
10. Kazacos M., Skyllas-Kazacos M. Performance Characteristics of Carbon Plastic Electrodes in the All Vanadium Redox Cell // Journal of the Electrochemical Society. 1989. Vol. 136, № 9. P. 2759–2760.
11. Shah A. A., Al-Fetlawi H., Walsh F. C. Modelling the effects of oxygen evolution in the all-vanadium redox flow battery // Electrochimica Acta. 2010. Vol. 55. P. 3192–3205.
12. Zeng Y. K., Zhao T. S., Zhou X. L., Zou J., Ren Y. H. A hydrogen-ferric ion rebalance cell operating at low hydrogen concentrations for capacity restoration of ironchromium redox flow batteries // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 352. P. 77–82.
13. Leung P., Li X., Ponce de Leon C., Berlouis L., John Low C. T., Walsh F. C. Progress in redox flow batteries, remaining challenges and their applications in energy storage // RSC Advances. 2012. Vol. 2, № 27. P. 10125–10156.
14. Wu M. C., Zhao T. S., Wei L., Jiang H. R., Zhang R. H. Improved electrolyte for zinc-bromine flow batteries // Journal of Power Sources. 2018. Vol. 384. P. 232–239.
15. Xu Y., Wen Y., Chenga J., Yanga Y., Xie Z., Cao G. Novel organic redox flow batteries using soluble quinonoid compounds as positive materials // Non-Grid-Connected Wind Power and Energy Conference, IEEE Publication. 2009. Vol. 13. P. 24–26.
16. Huskinson B., Marshak M. P., Aziz M. J., Suh C., Er S., Gerhardt M. R., Galvin C. J., Chen X. A metal-free organic–inorganic aqueous flow battery // LETTER. 2014. Vol. 505, № 7482. P. 195–198.
17. Perry M. L., Darling R. M., Zaffou R. High Power Density Redox Flow Battery Cells // ECS Transactions. 2013. Vol. 53, № 7. P. 7–16.
18. Song Y., Buettner G. R. Thermodynamic and kinetic considerations for the reaction of semiquinone radicals to form superoxide and hydrogen peroxide // Free Radical Biology & Medicine. 2010. Vol. 49, № 6. P. 919–962.
19. Chen Q., Gerhardt M., Hartle L., Aziz M. J. A Quinone-bromide Flow Battery with 1 W/cm2 Power Density // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 1. P. 5010–5019.
20. Lin K., Chen Q., Gerhardt M., Tong L., Kim S., Eisenach L., Valle A. Alkaline quinone flow battery // Science. 2015. Vol. 349, № 6255. P. 1529–1532.
21. Yang Z., Tong L., Tabor D., Beh E., Goulet M., Aziz M., Gordon R. Alkaline Benzoquinone Aqueous Flow Battery for Large-Scale Storage of Electrical Energy // Science Advances News. 2017. Vol. 8, № 8. P. 817.
22. Leung P., Shah A. A., Sanz L., Flox C., Morante J. R., Xu Q., Mohamed M. R. Recent developments in organic redox flow batteries : A critical review // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 360. P. 243–283.
23. Kwabi D. G., Ji Y., Aziz M. J. Electrolyte Lifetime in Aqueous Organic Redox Flow Batteries : A Critical Review // Chemical Reviews. 2020. Vol. 120, № 14. P. 6467–6489.
24. Yang B., Hoober-Burkhardt L. E., Wang F., Surya Prakash G. K., Narayanan S. R. An Inexpensive Aqueous Flow Battery for Large-Scale Electrical Energy Storage Based on Water-Soluble Organic Redox Couples // Journal of the Electrochemical Society. 2014. Vol. 161, № 9. P. 1371–1380.
25. Aspuru-Guzik A., Er S., Suh C., Marshak M., Aspuru-Guzik A. Computational design of molecules for an all-quinone redox flow // Chemical Science. 2015. Vol. 6. P. 885–893.
26. Yang B., Hoober-Burkhardt L. E., Krishnamoorthy S., Murali A., Surya Prakash G. K., Narayanan S. R. High-Performance Aqueous Organic Flow Battery with Quinone-Based Redox Couples at Both Electrodes // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 7. P. 1442–1449.
27. Potash R. A., McKone J. R., Conte S., Abruna H. D. On the benefits of a symmetric redox flow battery // Journal of the Electrochemical Society. 2016. Vol. 163, № 3. P. 338–344.
28. Suga T., Sugita S., Ohshiro H., Oyaizu K., Nishide H. p- and n-Type bipolar redox-active radical polymer : Toward totally organic polymer-based rechargeable devices with variable configuration // Advanced Materials. 2011. Vol. 23, № 6. P. 751–754.
29. Gao H., Goodenough J. B. An aqueous symmetric sodium-ion battery with NASICON-structured Na3MnTi(PO4)3 // Angewandte Chemie International Edition. 2016. Vol. 128, № 41. P. 12960–12964.
30. Ma T., Pan Z., Miao L., Chen C., Han M., Shang Z., Chen J. Porphyrin-based symmetric redox-flow batteries towards coldclimate energy storage // Angewandte Chemie International Edition. 2018. Vol. 130, № 12. P. 3212–3216.
31. Tong L., Jing Y., Gordon R., Aziz M. J. Symmetric All-Quinone Aqueous Battery // ACS Applied Energy Materials. 2019. Vol. 2. P. 4016–4021.
32. Ji Y., Goulet M-A., Pollack D. A., Kwabi D. G., Jin S., Porcellinis D., Kerr E. F., Gordon R. G., Aziz M. J. A phosphonatefunctionalized quinone redox flow battery at near-neutral pH with record capacity retention rate // Advanced Energy Materials. 2019. Vol. 9, № 12. P. 1900039.
33. Gerhardt M. R., Tong L., Gomez-Bombarelli R., Chen Q., Marshak M. P., Galvin C. J., Aspuru-Guzik A., Gordon R. G., Aziz M. J. Anthraquinone derivatives in aqueous flow batteries // Advanced Energy Materials. 2017. Vol. 7, № 8. P. 1601488.
34. Kwabi D. G., Lin K., Ji Y., Kerr E. F., Goulet M.-A., De Porcellinis D., Tabor D. P., Pollack D. A., Aspuru-Guzik A., Gordon R. G., Aziz M. J. Alkaline quinone flow battery with long lifetime at pH 12 // Joule. 2018. Vol. 2, № 9. P. 1894–1906.
35. Bien H. S., Stawitz J., Wunderlich K. Anthraquinone Dyes and Intermediates // Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim : Wiley-VCH, 2012. Vol. 3. P. 514–573.
36. Carretero-Gonzalez J., Castillo-Mart??nez E., Armand M. Highly water-soluble three-redox state organic dyes as bifunctional analytes // Energy & Environmental Science. 2016. Vol. 9, № 11. P. 3521–3530.
37. Yamamoto N., Kubozono T., Kinoshita Y. Mechanism for oxidative decomposition of anthraquinone dye with hydrogen peroxide // Journal of Oleo Science. 2011. Vol. 50, № 6. P. 507–513.