Die „Superbatterie“, die 800.000 kWh Strom speichern kann, ist da. Wie funktioniert es?

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Hanmu Diaomeng

Hersteller: China Science Expo

In Dalian wurde eine „Superbatterie“ gebaut. Die erste Phase des Projekts befindet sich nun in der Endphase der netzgekoppelten Inbetriebnahme und soll Mitte Oktober offiziell in Betrieb genommen werden. Derzeit können 400.000 kWh Strom gleichzeitig gespeichert werden, was für den Tagesbedarf von 200.000 Einwohnern ausreicht. Nach Abschluss des Projekts können innerhalb von 4 Stunden 800.000 kWh Strom gespeichert werden.

Diese „Superbatterie“ besteht nicht aus einer großen Anzahl von Lithiumbatterien. Es handelt sich um einen anderen Batterietyp – eine reine Vanadium-Flüssigkeitsflussbatterie oder kurz Vanadiumbatterie. Lassen Sie uns heute darüber sprechen, wie es aufgeladen und entladen wird.

Drei Bilder zum Verständnis von Vanadium

Vanadium ist relativ unbekannt, aber im Periodensystem ist es ein Nachbar des bekannten Titanelements und nicht weit vom Eisenelement entfernt, da zwischen ihnen nur zwei Elemente liegen.

Die Position von Vanadium im Periodensystem

(Fotoquelle: Siriudie)

Vanadium mit der Ordnungszahl 23 und dem Symbol V ist ein hartes, silbergraues, dehnbares Übergangsmetall.

Vanadium-Vierkantstab mit 99,95 % Reinheit

(Bildnachweis: eigene Aufnahme)

Das „graue“ reine Vanadium sieht nicht gut aus, aber seine Lösungen in verschiedenen Valenzzuständen sind sehr hell.

Vanadiumlösungen mit unterschiedlichen Wertigkeitsstufen

(Bildnachweis: Hyung Kim)

Valenz ist der Schlüssel

Wir müssen ausführlich über die verschiedenen Wertigkeitszustände von Vanadium sprechen.

In einer Verbindung hat die Partei, die Elektronen verliert oder abgibt, eine positive Ladung, während die Partei, die Elektronen gewinnt, eine negative Ladung hat.

Beispielsweise hat Kohlendioxid CO2, da Kohlenstoff 4 Elektronen verloren hat, einen positiven Valenzzustand von Tetravalenz, geschrieben als C4+. Ein weiteres Beispiel ist Kohlenmonoxid CO. Zu diesem Zeitpunkt hat das Kohlenstoffatom nur 2 Elektronen abgegeben, daher ist sein Valenzzustand positiv 2, geschrieben als C2+.

Der Grund, warum wir vom Valenzzustand sprechen, liegt darin, dass der Potenzialunterschied zwischen Vanadiumionen in unterschiedlichen Valenzzuständen der Grund dafür ist, warum es als Batterie verwendet werden kann. Beispielsweise beträgt die Potentialdifferenz zwischen einem positiven zweiwertigen Vanadiumion und einem positiven fünfwertigen Vanadiumion 1,259 Volt. Die Potentialdifferenz zwischen den positiven und negativen Elektroden der herkömmlichen Batterie Nr. 5 beträgt normalerweise nur 1,5 V oder 1,2 V.

Wo ein Potenzialunterschied besteht, gibt es chemische Energie. So wie es einen Höhenunterschied gibt, gibt es auch potentielle Gravitationsenergie.

So beträgt beispielsweise der Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterbecken 1.259 Meter. Was fällt Ihnen als Erstes ein? Energie muss freigebbar und speicherbar sein und hier handelt es sich um ein Pumpspeicherkraftwerk.

Chemische Energie und Gravitationspotentialenergie haben unterschiedliche Namen, aber die darin enthaltenen Energien sind nach der Umwandlung im Wesentlichen gleich.

Wenn also zwischen den beiden Lösungsfässern ein Potenzialunterschied besteht, können diese die in ihnen enthaltene Energie durch Umwandlung freisetzen, wodurch eine Batterie entsteht. Zu diesem Zeitpunkt sind die beiden Lösungsfässer die positiven bzw. negativen Elektroden der Batterie.

Wie entladen sich Vanadiumbatterien?

Um das Entladeprinzip von Vanadiumbatterien besser zu verstehen, können Sie sich ein Bild wie dieses vorstellen:

An einer senkrechten Klippe hängen übereinander zwei große Fässer mit Lösungen, eines enthält eine Lösung mit fünfwertigen Vanadiumionen und das andere eine Lösung mit zweiwertigen Vanadiumionen.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Es ist nicht schwer zu erkennen, dass zwischen der Lösung mit fünfwertigen Vanadiumionen und der Lösung mit zweiwertigen Vanadiumionen ein Potenzialunterschied von 1,259 Volt besteht, wenn drei- und vierwertige Vanadiumionen vorhanden sind, genauso wie es auf der Klippe zwei Becken mit einem Höhenunterschied von 1259 Metern gibt.

Die Vanadiumionen in der fünfwertigen Vanadiumionenlösung haben alle 5 Elektronen verloren und haben daher ein starkes Bedürfnis, Elektronen aufzunehmen, um sich zu vervollständigen. Die Frage ist, woher man die Elektronen nimmt. Aus der schwachen, also der zweiwertigen Vanadiumionenlösung unten.

Daher ist der kontinuierliche Entladevorgang der Vanadiumbatterie tatsächlich der Vorgang, bei dem die darunter liegende zweiwertige Vanadiumionenlösung kontinuierlich Elektronen verliert und sich dann in eine dreiwertige Vanadiumionenlösung umwandelt. Gleichzeitig handelt es sich dabei auch um den Vorgang, bei dem die obige fünfwertige Vanadiumionenlösung kontinuierlich Elektronen aufnimmt und sich anschließend in eine vierwertige Vanadiumionenlösung umwandelt.

Wenn die Entladung abgeschlossen ist, sieht der Status der beiden folgendermaßen aus:

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

An dieser Stelle können wir auch Federn zum Verständnis von Vanadiumbatterien heranziehen. Eine vollständig geladene Vanadiumbatterie ist wie eine vollständig gespannte Feder.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Eine Vanadiumbatterie kehrt nach ihrer Entladung wie eine Feder in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Wie werden Vanadium-Batterien geladen? Nachdem man sich den Entladevorgang der Vanadiumbatterie anhand der Feder vorstellen kann, wird auch der Ladevorgang leicht verständlich. Es ist vergleichbar mit dem Vorgang, bei dem man externe Energie einsetzt, um die „Feder“ wieder zu öffnen.

Das vierwertige Vanadiumion, das vier Elektronen verloren hat, kann den Schmerz noch ertragen und ein weiteres Elektron verlieren, aber es muss einen Preis dafür zahlen, und dieser Preis ist Energie, d. h. eine kontinuierliche externe Stromzufuhr.

Unter der Einwirkung des elektrischen Feldes wird das 4-wertige Vanadiumion gezwungen, ein weiteres Elektron abzugeben und wird dann zu einem 5-wertigen Vanadiumion. Da elektrische Ladung nicht aus dem Nichts erzeugt oder zerstört werden kann, braucht das durch das vierwertige Vanadiumion verlorene Elektron einen Ort, an den es gelangen kann, also einen Ort, an den es transportiert werden kann. Und dieser Ort ist die Lösung mit den dreiwertigen Vanadiumionen. Während das dreiwertige Vanadiumion weiterhin Elektronen aufnimmt, verändert es sich von einem dreiwertigen Ion zu einem zweiwertigen Ion. Wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist, sehen sie also wieder so aus:

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Das Obige ist das allgemeine Prinzip des Ladens und Entladens von Vanadiumbatterien. Es sei darauf hingewiesen, dass wir in unserer Beschreibung, um das Prinzip einfacher erklären zu können, ein äußerst wichtiges Detail übersehen haben.

Vergessen Sie die Ladungserhaltung!

Wie bereits erwähnt, läuft der Entladevorgang der Vanadiumbatterie wie folgt ab: In der Lösung der positiven Elektrode erhalten die fünfwertigen Vanadiumionen kontinuierlich Elektronennachschub und wandeln sich dann allmählich in vierwertige Vanadiumionen um.

Aber denken Sie darüber nach: Ist ein solches Szenario möglich? Fast unmöglich. Dies liegt daran, dass, wenn Sie einfach kontinuierlich Elektronen in einen großen Eimer mit Lösung einspeisen, der Eimer mit Lösung eine Menge statische Elektrizität enthält. Je mehr Elektronen Sie eingeben, desto stärker wird die statische Elektrizität, und irgendwann wird sie zu stark, um realisiert zu werden.

Wenn die positive Elektrodenlösung gemäß dem Ladungserhaltungssatz elektrisch neutral bleiben soll, gibt es daher nur einen Weg: Für jedes erhaltene negativ geladene Elektron muss gleichzeitig auch eine positive Ladung in das Haus gelangen, die positive und die negative Ladung heben sich gegenseitig auf und die Lösung wird neutral.

Woher kommt diese positive Ladung? Es kann nur aus der Lösung der negativen Elektrode stammen. Der Grund hierfür liegt darin, dass während des Entladevorgangs die Lösung der positiven Elektrode diejenige ist, die Elektronen aufnimmt, während die Lösung der negativen Elektrode diejenige ist, die Elektronen verliert. Dann kann die negative Elektrodenlösung gemäß dem Ladungserhaltungssatz nicht einfach Elektronen abgeben, da sie sonst auch eine große Menge statischer Elektrizität mit sich führt. Daher muss es bei der Ausgabe von Elektronen auch eine gleiche Menge positiver Ladung ausgeben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Entladevorgang von Vanadiumbatterien folgendermaßen abläuft: Die Lösung der negativen Elektrode liefert gleichzeitig gleiche Mengen an Elektronen und positiven Ladungen an die Lösung der positiven Elektrode .

Der Ladevorgang ist umgekehrt: Die Lösung der positiven Elektrode liefert gleichzeitig die gleiche Menge an Elektronen und positiver Ladung an die Lösung der negativen Elektrode.

Hier stellt sich eine weitere Frage: Was ist diese positive Ladung?

Tatsächlich handelt es sich dabei um die Wasserstoffionen oder Protonen in der Lösung. Wasserstoff hat nur ein Elektron, und wenn er ein Elektron verliert, ist er im Wesentlichen ein Proton mit einer positiven Ladung.

Daher liegen in einer echten Vollvanadium-Flüssigkeitsflussbatterie die positive Elektrodenlösung und die negative Elektrodenlösung zwar nebeneinander, sind jedoch durch eine Protonenaustauschmembran getrennt. Diese Protonenaustauschmembran lässt nur die Hin- und Herbewegung von Protonen zu, andere Substanzen können nicht hindurch.

Nehmen wir das Laden als Beispiel: Während des Ladens verliert das vierwertige Vanadiumion in der positiven Elektrodenlösung ein Elektron und wird zu einem fünfwertigen Vanadiumion. Das verlorene Elektron gelangt über den externen Stromkreis in die Lösung der negativen Elektrode, während die Wasserstoffionen (Protonen) durch die Protonenaustauschmembran in die Lösung der negativen Elektrode gelangen. Beim Entladen läuft der Vorgang umgekehrt ab.

Nachdem Sie nun die Prinzipien des Ladens und Entladens von Vanadiumbatterien kennen, interessieren Sie sich bestimmt mehr für deren Vorteile. Achten Sie auf Science Popularization China, um mehr über Vanadiumbatterien zu erfahren.

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Dieser Artikel wird von Science Popularization China erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.