Una batteria a flusso redox è anche chiamata batteria a flusso redox, batteria a flusso o cella a flusso redox. Redox è l'acronimo di reduction-oxidation. Riduzione significa assorbimento di elettroni, ossidazione significa rilascio di elettroni. Le batterie Redox-flow sono dispositivi di immagazzinamento dell'energia a lungo termine. Sono dispositivi di immagazzinamento elettrochimico. Le batterie Redox-flow immagazzinano l'energia mediante una reazione elettrochimica reversibile tra due elettroliti. Si raggiungono efficienze AC/AC fino al 75%.
Una batteria a flusso redox è costituita da una sezione di potenza, detta anche convertitore di energia, da un'unità di controllo e da un sistema di serbatoi di elettroliti con uno o più elettroliti. I sali sono disciolti negli elettroliti. La sezione di potenza è costituita da una o più celle elettrochimiche. Ogni singola cella è composta da due elettrodi e da una membrana conduttrice di ioni. Tra di loro scorrono elettroliti che fungono da mezzo di immagazzinamento. Sono disponibili in forma liquida a temperatura ambiente. Gli elettroliti vengono immagazzinati in serbatoi esterni e pompati attraverso le celle.
Le singole celle possono essere collegate per formare una pila. In questo caso gli elettrodi agiscono come elettrodi bipolari. Le celle adiacenti condividono un elettrodo. Il catodo della prima cellula funge da anodo della cellula successiva. Gli elettroliti scorrono attraverso tutte le celle in parallelo.
Il sistema di una batteria a flusso redox è simile a quello di una cella a combustibile. Gli elettroliti fluiscono attraverso le celle elettrochimiche per convertire l'energia. Una cella elettrochimica è composta da due mezze cellule. Le semicelle sono costituite ciascuna da un elettrodo e da un percorso di flusso per gli elettroliti e sono separate l'una dall'altra da una membrana a conduzione ionica. L'elettrodo è solitamente realizzato in grafite / materiali compositi. Un elettrolita positivo, chiamato anche catolita, scorre attraverso una delle due semicellule ad un elettrodo. Un elettrolita negativo, chiamato anche anolita, scorre attraverso l'altra mezza cella ad un elettrodo. Gli ioni dei sali disciolti nei due elettroliti vengono scambiati attraverso la membrana. Questo cambia la valenza degli ioni del rispettivo sale. I catalizzatori sono talvolta utilizzati per accelerare la reazione. Dopo la reazione, gli elettroliti esausti vengono pompati nuovamente nei serbatoi e, se necessario, possono essere sostituiti. Quando la batteria a flusso redox viene ricaricata, il processo viene invertito.
Ci sono diverse combinazioni di sali che vengono utilizzati nelle cellule di flusso redox. I primi esperimenti furono fatti dalla NASA negli anni '70, prima con sistemi ferro-titanio e poi con sistemi ferro-cromo. A causa dell'alto costo della membrana di scambio ionico, gli esperimenti sono stati interrotti.
Un grosso problema con le batterie a flusso redox è il cosiddetto crossover. Qui gli ioni migrano attraverso la membrana nell'altra mezza cella. Gli elettroliti sono contaminati, il che porta ad una perdita di efficienza e all'autoscarica della batteria, cosicché la capacità diminuisce continuamente.
Come coppie redox vengono utilizzati vari composti di titanio, ferro, cromo, vanadio, cerio, zinco, bromo e zolfo. Se si utilizzano sistemi a zinco-bromo o a zinco-cer, si tratta dei cosiddetti sistemi a flusso ibrido. In questi sistemi, uno dei materiali elettroattivi è presente come solido all'interno del sistema. In questo caso lo zinco si deposita sull'elettrodo in stato di carica.
Ci sono diverse coppie redox. Finora sono stati testati i seguenti elementi:
| Coppia Redox | Tensione |
|---|---|
| Vanadio/Vanadio | 1,4 V |
| Vanadio/Polialide | 1,3 V |
| Polisolfuro di bromo | 1,5 V |
| Ferro Cromo | 1,2 V |
| Bromo idrogeno | 1,1 V |
| Sistemi ibridi | |
| Zinco bromo | 1,8 V |
| Zinco-Cer | 2,4 V |
I più maturi sono i sistemi redox al vanadio.
Il grande vantaggio dei sistemi a flusso redox è che l'unità di alimentazione e l'unità di stoccaggio sono separate l'una dall'altra. Possono quindi essere scalati indipendentemente l'uno dall'altro. La potenza, cioè kW, può essere variata regolando la pila. Più sono le singole celle che compongono lo stack, maggiore è la produzione. La capacità di stoccaggio, cioè kWh, può essere ridotta o aumentata regolando le dimensioni del serbatoio per gli elettroliti. La quantità di potenza dipende dalla rispettiva tensione delle celle e dall'area della membrana. Per le celle al vanadio redox la tensione è di circa 1,2 V. Per le celle al bromo polisulfide la tensione è di circa 1,5 V. Per le celle zinco-bromo la tensione è di circa 1,8 V. Per le celle in zinco-cer, la tensione è di circa 2,4 V.
Le Redox-Flow-Batterie sono uno stoccaggio a lungo termine e possono essere utilizzate, ad esempio, nei gruppi di continuità, per il bilanciamento del carico e per lo stoccaggio di elettricità da energie rinnovabili.
redox-flow battery