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Il segreto delle batterie ad ossidazione reversibile allo stato solido: come si caricano e si scaricano allo stesso tempo?
Con la crescente domanda globale di energie rinnovabili e di tecnologie di accumulo di energia ad alta efficienza, le batterie reversibili a ossidi allo stato solido (rSOC) sono diventate un'area di ricerca interessante. Questa tecnologia emergente non solo è in grado di funzionare come una cella a combustibile a ossidazione allo stato solido, ma può anche essere trasformata in un elettrolizzatore allo stato solido, contribuendo a migliorare l'efficienza dell'accumulo e della conversione dell'energia. In questo articolo analizzeremo più da vicino la struttura, il principio di funzionamento e il potenziale dell'rSOC per l'accumulo di energia.
Una cella a ossidazione reversibile allo stato solido è un dispositivo elettrochimico allo stato solido che può funzionare alternativamente tra la modalità cella a combustibile a ossidazione allo stato solido e la modalità elettrolizzatore allo stato solido.
Descrizione tecnica
Struttura della batteria e principio di funzionamento
Il sistema rSOC è costituito da quattro componenti principali: elettrolita, elettrodi di combustibile e ossigeno e componenti di interconnessione. Gli strati porosi di questi elettrodi facilitano la diffusione dei reagenti al loro interno e catalizzano le reazioni elettrochimiche. Nelle tecnologie convenzionali, come SOFC e SOEC, ogni elettrodo ha una sola funzione, ma nelle celle di ossidazione allo stato solido reversibili entrambe le modalità possono essere alternate nello stesso dispositivo. Ciò consente di utilizzare nomi più generici per descrivere gli elettrodi, ad esempio elettrodo del combustibile ed elettrodo dell'ossigeno.
Nella modalità SOFC, la reazione di ossidazione del combustibile avviene all'elettrodo del combustibile, mentre nella modalità SOEC avviene la reazione di riduzione degli ioni ossigeno. Sull'elettrodo a ossigeno, la reazione di riduzione dell'ossigeno avviene in modalità SOFC e la reazione di ossidazione in modalità SOEC. Quando l'rSOC funziona in modalità SOFC, gli ioni di ossigeno fluiscono dall'elettrodo dell'ossigeno all'elettrodo del combustibile, dove avvengono le reazioni di ossidazione; mentre in modalità SOEC, i reagenti vengono ridotti all'anodo e producono ioni di ossigeno, che fluiscono nuovamente verso l'elettrodo dell'ossigeno.
Curva di polarizzazione
Uno strumento comune per valutare le prestazioni dell'rSOC è la curva di polarizzazione. Questo grafico mostra la relazione tra la densità di corrente di una batteria e la sua tensione di esercizio. Quando il circuito rSOC non è chiuso, la tensione operativa è chiamata tensione a circuito aperto. Quando viene estratta o fornita una certa fluttuazione o corrente, la tensione operativa inizierà a deviare dalla tensione a circuito aperto, che è influenzata principalmente da perdite di attivazione, perdite ohmiche e perdite di concentrazione.
Reazioni chimicheIn modalità SOEC, se la tensione operativa è inferiore alla tensione termoneutra, la reazione è endotermica; se è superiore alla tensione termoneutra, è esotermica.
Nel funzionamento dell'rSOC, la reazione tra idrogeno e vapore acqueo è una reazione chimica comune. Nella modalità SOFC, l'idrogeno reagisce con l'ossigeno per formare acqua, mentre nella modalità SOEC, l'acqua si decompone nuovamente in idrogeno e ossigeno.
Inoltre, l'rSOC non si limita alle reazioni dell'idrogeno, ma può elaborare anche reagenti contenenti carbonio, come il metano. Queste reazioni chimiche possono essere eseguite ad alte temperature con un rischio ridotto di avvelenamento del catalizzatore, offrendo opzioni più flessibili per la conversione dell'energia.
L'ammoniaca è un potenziale vettore di idrogeno, poiché la sua elevata densità volumetrica ne consente l'utilizzo come combustibile efficiente.
Sistema rSOC e la sua applicazione nell'accumulo di energia
Il sistema rSOC ha attirato sempre più attenzione per le sue eccellenti prestazioni, soprattutto nell'accumulo di energia periodico o stagionale. Rispetto alle tradizionali tecnologie di accumulo di energia mediante pompaggio e aria compressa, i sistemi rSOC presentano notevoli vantaggi in termini di assenza di restrizioni geografiche e maggiore densità di accumulo di energia.
In questo scenario, l'accumulo di idrogeno diventa la scelta ideale. rSOC può eseguire operazioni bidirezionali nella generazione di energia e nella conversione dell'idrogeno. Tale elevata efficienza non solo riduce il costo di investimento complessivo dell'attrezzatura, ma migliora anche la stabilità del sistema.
Efficienza del circuito
Quando si parla di rSOC, l'efficienza del circuito è un indicatore molto importante, che rappresenta l'efficienza del processo di conversione dell'energia dalla carica alla scarica. Con il miglioramento delle prestazioni delle batterie, questo parametro diventerà un fattore importante per determinare la competitività dell'rSOC sul mercato.
L'efficienza del ciclo rSOC può essere utilizzata come un indicatore importante per valutare la sua efficacia nella conversione dell'energia.
Dato che la domanda di tecnologie per l'energia rinnovabile continua ad aumentare, le batterie reversibili all'ossido solido potrebbero diventare una soluzione diffusa per l'accumulo di energia in futuro?
