वैनेडियम रेडॉक्स बैटरी

वैनेडियम रेडॉक्स बैटरी (VRB), जिसे वैनेडियम प्रवाह बैटरी  (VFB) या वैनेडियम रेडॉक्स फ्लो बैटरी (VRFB) के रूप में भी जाना जाता है, एक प्रकार की रिचार्जेबल फ्लो बैटरी है। यह वैनेडियम आयनों को आवेश वाहकों के रूप में नियोजित करता है। बैटरी दो के बजाय एक एकल इलेक्ट्रोएक्टिव तत्व के साथ बैटरी बनाने के लिए वैनेडियम की चार अलग-अलग ऑक्सीकरण अवस्थाओं में एक समाधान में मौजूद होने की क्षमता का उपयोग करती है। कई कारणों से, उनके सापेक्ष भारीपन सहित, वैनेडियम बैटरी आमतौर पर ग्रिड ऊर्जा भंडारण के लिए उपयोग की जाती हैं, अर्थात, बिजली संयंत्रों/विद्युत ग्रिड से जुड़ी होती हैं।

कई कंपनियां और संगठन वैनेडियम रिडॉक्स बैटरियों के वित्तपोषण और विकास में शामिल हैं।

इतिहास
पिसोर्ट ने 1930 के दशक में वीआरएफबी की संभावना का पता लगाया। 1970 के दशक में नासा के शोधकर्ताओं और पेलेग्री और स्पैज़िएंट ने सूट का पालन किया, लेकिन कोई भी सफल नहीं हुआ। मारिया स्काईलास-कज़ाकोस ने 1980 के दशक में सल्फ्यूरिक एसिड के घोल में भंग वैनेडियम का पहला सफल प्रदर्शन प्रस्तुत किया। उसके डिजाइन में सल्फ्यूरिक एसिड इलेक्ट्रोलाइट्स का इस्तेमाल किया गया था, और 1986 में ऑस्ट्रेलिया में न्यू साउथ वेल्स विश्वविद्यालय द्वारा पेटेंट कराया गया था।



लाभ
अन्य प्रकार की बैटरी पर वीआरएफबी के मुख्य लाभ:
 * ऊर्जा क्षमता पर कोई सीमा नहीं
 * बिना नुकसान के अनिश्चित काल के लिए डिस्चार्ज रह सकते हैं
 * इलेक्ट्रोलाइट्स मिलाने से कोई स्थायी नुकसान नहीं होता है
 * इलेक्ट्रोलाइट्स में सिंगल चार्ज स्थिति क्षमता में गिरावट से बचाती है
 * सुरक्षित, गैर ज्वलनशील जलीय इलेक्ट्रोलाइट;
 * पैसिव कूलिंग सहित विस्तृत ऑपरेटिंग तापमान रेंज * लंबा चार्ज/डिस्चार्ज चक्र जीवन: 15,000-20,000 चक्र और 10–20 वर्ष।
 * ऊर्जा की निम्न स्तरित लागत: (कुछ दस सेंट), अमेरिकी ऊर्जा विभाग और यूरोपीय आयोग सामरिक ऊर्जा प्रौद्योगिकी योजना € 0.05 लक्ष्य द्वारा बताए गए 2016 के $0.05 लक्ष्य के करीब।

नुकसान
अन्य प्रकार की बैटरी की तुलना में वीआरएफबी के मुख्य नुकसान:


 * वैनेडियम खनिजों की उच्च और अस्थिर कीमतें (अर्थात वीआरएफबी ऊर्जा की लागत);
 * अपेक्षाकृत खराब राउंड ट्रिप दक्षता (लिथियम आयन बैटरी की तुलना में);
 * जलीय इलेक्ट्रोलाइट का भारी वजन;
 * मानक भंडारण बैटरी की तुलना में अपेक्षाकृत खराब ऊर्जा-से-मात्रा अनुपात;
 * वैनेडियम (वी) यौगिकों की विषाक्तता।

सामग्री
एक वैनेडियम रेडॉक्स बैटरी में पावर विद्युत रासायनिक सेल  की एक असेंबली होती है जिसमें दो इलेक्ट्रोलाइट्स एक प्रोटॉन विनिमय झिल्ली द्वारा अलग किए जाते हैं। वीआरबी सेल में इलेक्ट्रोड कार्बन आधारित होते हैं। सबसे आम प्रकार कार्बन फेल्ट, कार्बन पेपर, कार्बन क्लॉथ, ग्रेफाइट फेल्ट और कार्बन नैनोट्यूब हैं। दोनों इलेक्ट्रोलाइट वैनेडियम आधारित हैं। धनात्मक अर्ध-कोशिकाओं में इलेक्ट्रोलाइट में VO होता है2+ और वीओ2+ आयन, जबकि ऋणात्मक अर्ध-कोशिकाओं में इलेक्ट्रोलाइट में V होता है3+ और वी2+ आयन। इलेक्ट्रोलाइट्स को कई प्रक्रियाओं द्वारा तैयार किया जा सकता है, जिसमें इलेक्ट्रोलाइटिक रूप से वैनेडियम पेंटोक्साइड (वी2O5) सल्फ्यूरिक एसिड में (एच2इसलिए4). उपयोग में समाधान दृढ़ता से अम्लीय है।

सबसे आम झिल्ली सामग्री perfluorinated sulfonic acid (PFSA या Nafion) है। हालांकि, वैनेडियम आयन एक पीएफएसए झिल्ली में प्रवेश कर सकते हैं और सेल को अस्थिर कर सकते हैं। 2021 के एक अध्ययन में पाया गया कि सिंगल-लेयर्ड ग्राफीन ऑक्साइड शीट्स की सतह पर टंगस्टन ट्राइऑक्साइड नैनोपार्टिकल्स को उगाकर बनाई गई हाइब्रिड शीट्स के साथ पैठ कम हो जाती है। इन हाइब्रिड शीट्स को पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (टेफ्लॉन) के साथ प्रबलित एक सैंडविच संरचित पीएफएसए झिल्ली में एम्बेड किया जाता है। नैनोपार्टिकल्स क्रमशः 98.1 प्रतिशत और 88.9 प्रतिशत से अधिक की उच्च फैराडे दक्षता और ऊर्जा दक्षता की पेशकश करते हुए प्रोटॉन परिवहन को भी बढ़ावा देते हैं।

ऑपरेशन
प्रतिक्रिया आधी प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती है:
 * VO2+ + 2H+ + e- -> VO(2+) + H2O (E° = +1.00 V)
 * V(3+) + e- -> V(2+) (E° = &minus;0.26 V)

वैनेडियम प्रवाह बैटरी के अन्य उपयोगी गुण बदलते भार और उनकी अधिभार क्षमता के प्रति उनकी तीव्र प्रतिक्रिया है। वे 100% लोड परिवर्तन के लिए आधे मिलीसेकंड से कम का प्रतिक्रिया समय प्राप्त कर सकते हैं, और 10 सेकंड के लिए 400% से अधिक के ओवरलोड की अनुमति दे सकते हैं। प्रतिक्रिया समय ज्यादातर विद्युत उपकरणों द्वारा सीमित होता है। जब तक विशेष रूप से ठंडे या गर्म मौसम के लिए डिज़ाइन नहीं किया जाता है, अधिकांश सल्फ्यूरिक एसिड-आधारित वैनेडियम बैटरी लगभग 10 और 40 डिग्री सेल्सियस के बीच काम करती हैं। उस तापमान सीमा के नीचे, आयन-संक्रमित सल्फ्यूरिक एसिड क्रिस्टलीकृत होता है। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में राउंड ट्रिप दक्षता लगभग 70-80% है।

प्रस्तावित सुधार
दोषी- कज़ाकोस द्वारा मूल वीआरएफबी डिजाइन ने वीआरएफबी समाधानों में एकमात्र आयन के रूप में सल्फेट (वैनेडियम सल्फेट (एस) और सल्फ्यूरिक एसिड के रूप में जोड़ा गया) को नियोजित किया, जिसने अधिकतम वैनेडियम एकाग्रता को 1.7 एम वैनेडियम आयनों तक सीमित कर दिया। 2010 के आसपास प्रशांत उत्तर पश्चिमी राष्ट्रीय प्रयोगशाला की एक टीम ने एक मिश्रित सल्फेट-क्लोराइड इलेक्ट्रोलाइट का प्रस्ताव दिया, जो -20 और +50 °C के बीच पूरे तापमान रेंज में 2.5 M की वैनेडियम सांद्रता के साथ VRFBs समाधानों में उपयोग की अनुमति देता है। वी की मानक संतुलन क्षमता के आधार पर+5/वी+4 जोड़े से क्लोराइड का ऑक्सीकरण होने की उम्मीद है, और इस कारण से पहले वीआरएफबी अध्ययनों में क्लोराइड समाधान से बचा गया था। वी के आश्चर्यजनक ऑक्सीडेटिव स्थिरता (यद्यपि सीए 80% से नीचे चार्ज की स्थिति में)।गतिविधि गुणांकों के आधार पर क्लोराइड की उपस्थिति में +5 विलयनों की व्याख्या की गई। फिर भी, एचसीएल समाधानों के उच्च वाष्प दबाव के कारण, ऐसे मिश्रित इलेक्ट्रोलाइट्स को व्यापक रूप से अपनाया नहीं गया है। एक अन्य भिन्नता वैनेडियम ब्रोमाइड लवण का उपयोग है। Br की रेडॉक्स क्षमता के बाद से2/कब्र- युगल V की तुलना में अधिक नकारात्मक है5+/4+, धनात्मक इलेक्ट्रोड ब्रोमिन प्रक्रिया के माध्यम से संचालित होता है। हालाँकि, Br की अस्थिरता और संक्षारकता के साथ समस्याओं के कारण2, उन्हें ज्यादा लोकप्रियता नहीं मिली (इसी तरह की समस्या के लिए जिंक-ब्रोमीन बैटरी देखें)। एक वैनेडियम/सेरियम फ्लो बैटरी भी प्रस्तावित की गई है।

विशिष्ट ऊर्जा और ऊर्जा घनत्व
वीआरबी इलेक्ट्रोलाइट के लगभग 20 Wh/kg (72 kJ/kg) की विशिष्ट ऊर्जा प्राप्त करते हैं। वर्षा अवरोधक घनत्व को लगभग 35 Wh/kg (126 kJ/kg) तक बढ़ा सकते हैं, इलेक्ट्रोलाइट तापमान को नियंत्रित करके उच्च घनत्व संभव है। अन्य फिर से चार्ज करने लायक संप्रहार  प्रकारों की तुलना में विशिष्ट ऊर्जा कम होती है (उदाहरण के लिए, लेड-एसिड, 30–40 Wh/kg (108–144 kJ/kg); और लिथियम आयन, 80–200 Wh/kg (288–720 kJ/kg) )). वर्षा अवरोधक सीसा-एसिड बैटरी से मिलान करने के लिए वीआरबी को बढ़ा सकते हैं।

अनुप्रयोग
वीआरएफबी की बड़ी संभावित क्षमता यूटिलिटी-स्केल पवन और सौर प्रणालियों के अनियमित आउटपुट को बफर करने के लिए सबसे उपयुक्त हो सकती है।

उनका कम स्व-निर्वहन उन्हें उन अनुप्रयोगों में संभावित रूप से उपयुक्त बनाता है जिनके लिए कम रखरखाव के साथ दीर्घकालिक ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता होती है - जैसे सैन्य उपकरणों में, जैसे गेटोर खान प्रणाली के सेंसर घटक।

वे तेजी से प्रतिक्रिया समय की सुविधा देते हैं जो अबाधित बिजली आपूर्ति (यूपीएस) अनुप्रयोगों के अनुकूल है, जहां वे लीड-एसिड बैटरी या डीजल जनरेटर को बदल सकते हैं। आवृत्ति विनियमन के लिए तेज़ प्रतिक्रिया समय भी फायदेमंद है। ये क्षमताएं वीआरबीएफ को microgrids, फ्रीक्वेंसी रेगुलेशन और लोड शिफ्टिंग के लिए एक प्रभावी ऑल-इन-वन समाधान बनाती हैं।

वैनेडियम रेडॉक्स बैटरी को वित्तपोषित या विकसित करने वाली कंपनियां
कंपनियों में शामिल हैं सुमितोमो इलेक्ट्रिक इंडस्ट्रीज,, सेलक्यूब (एनरॉक्स), यूनीएनर्जी टेक्नोलॉजीज, स्टोरएन टेक्नोलॉजीज, लार्गो एनर्जी और एश्लॉन एनर्जी संयुक्त राज्य अमेरिका में; दक्षिण कोरिया में H2; अक्षय ऊर्जा गतिशीलता प्रौद्योगिकी, इन्विनिटी एनर्जी और वोल्टस्टोरेज यूरोप में; चीन में प्रूडेंट एनर्जी; ऑस्ट्रेलिया में ऑस्ट्रेलियाई वैनेडियम; सऊदी अरब में एवरफ्लो एनर्जी जेवी सबिक स्किमिड ग्रुप और दक्षिण अफ्रीका में बुशवेल्ड खनिज।

यह भी देखें

 * बैटरी प्रकारों की सूची
 * पॉलीसल्फाइड ब्रोमाइड बैटरी
 * इलेक्ट्रिक बैटरी
 * ईंधन सेल
 * ऊर्जा भंडारण

सामान्य और उद्धृत संदर्भ

 * IEEE ग्रीष्म 2001 सम्मेलन से प्रस्तुति पत्र
 * वैनेडियम बैटरी पर UNSW साइट
 * वर्ल्ड एनर्जी की रिपोर्ट
 * वैश्विक वैनेडियम जमा का विश्व मानचित्र वैनेडियम भूविज्ञान की तुलना में काफी असामान्य है एक आधार धातु अयस्क शरीर के लिए।

बाहरी संबंध

 * The U.S. made a breakthrough battery discovery — then gave the technology to China The U.S. made a breakthrough battery discovery — then gave the technology to China
 * VRFB developments at UNSW
 * VRB at everything2
 * The Need for Vanadium Redox Energy Storage in Wind Turbine Generators—Net electricity generation from all forms of renewable energies in America increased by over 15% between 2005 and 2009
 * redT and Avalon have merged as Invinity Energy Systems, a global leader in Vanadium Flow Batteries