흐름 배터리는 대규모 전기화학 에너지 저장 장치의 새로운 유형입니다. 양극과 음극 전해액 모두 바나듐 염 용액을 사용할 경우, 이를 전 바나듐 흐름 배터리(VFVB)라고 하며, 일반적으로 바나듐 배터리라고 부릅니다. 100% 충전 상태(SOC)에서 이 배터리의 개방 회로 전압(OCV)은 1.5V에 도달할 수 있습니다.
흐름 배터리 에너지 저장 시스템은 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:
1. 전기화학 셀 스택 유닛
2. 전해액 용액 및 전해액 저장/공급 유닛
3. 제어 및 관리 유닛
흐름 배터리 시스템의 핵심은 전기화학 셀 스택입니다. 이 스택은 수십 개의 개별 셀을 특정 요구 사항에 따라 직렬로 연결하여 형성됩니다. 각 개별 셀은 충전 및 방전 과정을 가능하게 하는 산화환원 반응을 촉진합니다. 이 스택의 구조는 연료전지 스택과 유사합니다.
흐름 배터리는 새로운 유형의 충전식 배터리입니다. 이는 양극과 음극 전해액이 분리되어 독립적으로 순환하는 고성능 배터리로, 높은 용량, 다양한 환경 적용성, 긴 사이클 수명을 특징으로 하는 새로운 에너지 제품입니다. 산화환원 흐름 배터리(RFB)는 활발히 연구 및 개발 중인 대용량 전기화학 에너지 저장 장치입니다. 고체 또는 기체 전극을 사용하는 일반적인 배터리와 달리, 이들의 활성 물질은 흐르는 전해액 용액입니다. 이들의 가장 큰 특징은 대규모 에너지 저장에 적합하다는 점입니다. 재생 에너지의 광범위한 활용에 대한 수요가 증가함에 따라, 흐름 배터리는 빠른 발전기를 맞이할 것으로 예상됩니다.
전 바나듐 흐름 배터리(VFVB) 에너지 저장 시스템은 주로 다음 구성 요소로 이루어져 있습니다:
1. 전해액
2. 전기화학 셀 스택
3. 배터리 관리 시스템(BMS)
4. 보조 시스템
전해액은 펌프와 파이프를 통해 셀 스택 시스템으로 순환됩니다. 전극 표면에서 산화환원 반응이 일어나며, 전기 에너지와 화학 에너지 간의 변환이 가능해집니다.
· 양극 전해액은 V⁴⁺(바나듐(IV)) 및 V⁵⁺(바나듐(V)) 이온 용액으로 구성됩니다.
· 음극 전해액은 V²⁺(바나듐(II)) 및 V³⁺(바나듐(III)) 이온 용액으로 구성됩니다.
서로 다른 바나듐 이온 종의 산화환원 반응이 전극 표면에서 발생한 후, 전해액은 각각의 저장 탱크로 돌아갑니다.
그림 1. 전 바나듐 산화환원 흐름 배터리 에너지 저장 시스템 개략도
위의 개략도(그림 1)와 같이:
전해액 용액(에너지 저장 매체)은 외부 탱크에 저장됩니다.
배터리 셀 내부에서는 양극과 음극 구획이 이온 교환막으로 분리되어 두 개의 별도 챔버(양극 측과 음극 측)로 나뉩니다.
작동 중에는 양극 및 음극 전해액이 펌프에 의해 각각의 반응 챔버로 강제 순환되며, 여기서 전기화학 반응에 참여합니다.
충전: 외부 전원이 전기 에너지를 공급하면, 이는 전해액 용액에 저장된 화학 에너지로 변환됩니다.
방전: 외부 부하가 연결되면, 전해액 용액에 저장된 화학 에너지가 다시 전기 에너지로 변환되어 부하에 전력을 공급합니다.
전기화학 반응
충전 시:
양극: VO²⁺ + H₂O → VO₂⁺ + 2H⁺ + e⁻
음극: V³⁺ + e⁻ → V²⁺
방전 시:
양극: VO₂⁺ + 2H⁺ + e⁻ → VO²⁺ + H₂O
음극: V²⁺ → V³⁺ + e⁻
전체 반응 (방전):VO₂⁺ + 2H⁺ + V²⁺ → VO²⁺ + H₂O + V³⁺
사이클링 테스트는 그림 2와 같은 Neware 다중 채널 배터리 테스트 시스템을 사용하여 수행할 수 있습니다. 데이터는 직접 추출할 수 있으며, Origin 소프트웨어를 사용하여 그래프를 그려 결과를 생성할 수 있습니다.
그림 2 NEWARE 배터리 테스트 시스템
(1) 충전 모드: 정전류(CC), 정전압(CV), 정전류-정전압(CC-CV), 정전력(CP) 충전. 정지 조건은 전압, 전류, 상대 시간, 용량, 에너지 또는 -△V(전압 증가량)을 포함합니다.
(2) 방전 모드: 정전류(CC), 정전압(CV), 정전류-정전압(CC-CV), 정전력(CP), 정저항(CR) 방전. 정지 조건은 전압, 전류, 상대 시간, 용량 또는 에너지를 포함합니다.
(3) 펄스 모드: CC 또는 CP 충전 및 CC 또는 CP 방전 펄스를 지원합니다. 최소 펄스 폭은 500밀리초입니다. 단일 펄스 단계는 최대 32개의 독립적인 펄스를 지원하며 한 단계 내에서 충전과 방전 사이의 연속적인 전환을 허용합니다. 정지 조건은 전압 또는 상대 시간입니다.
(4) DC 내부 저항(DCIR) 테스트: DCIR 계산을 위한 사용자 정의 포인트 선택을 지원합니다.
(5) 사이클 테스트: 사이클 범위: 1~65,535 사이클; 단일 사이클당 단계 수: 254.
(6) 중첩 사이클: 중첩 루핑 기능을 갖추고 있으며 최대 3단계의 중첩을 지원합니다. 보다 상세한 테스트 기능은 Neware 기술 담당자에게 문의하십시오.
4.파라미터 설정
전 바나듐 흐름 배터리를 예로 들어: 전류 밀도 100 mA cm⁻² 및 전극 면적 10 cm²로 가정할 때, 전류 밀도와 전극 면적에 기반하여 계산된 전류는 1000 mA입니다. 특정 단계 설정은 다음과 같습니다:
단일 포인트 "Initiate" 모드를 선택합니다.
단계 1: "정전류(CC) 충전"으로 설정합니다.
단계 2: "정전류(CC) 방전"으로 설정합니다.
두 단계의 전류를 계산된 값 "1000 mA"로 설정합니다.
첨부된 그림과 같이 컷오프 전압을 설정합니다.
그림 3 구체적인 작동 단계
"보호 조건(Protection Conditions)"을 클릭하여 요구사항에 따라 설정을 구성하십시오. 동일한 방법으로 사이클 횟수(loop count)를 설정하십시오.
그림 4 보호 조건 설정
상기 매개변수 설정을 완료하고 단계를 저장한 후, 우측 하단의 "시작(Start)" 버튼을 클릭하여 테스트를 시작합니다.
(1) 대규모 장기 에너지 저장: 흐름 배터리는 장기 저장 능력과 높은 안전성의 장점을 활용하여, 전력 계통의 피크 절감, 주파수 조정 및 분산 에너지 자원 통합에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 예를 들어 풍력발전단지와 태양광 발전소에서 흐름 배터리 에너지 저장 시스템은 잉여 전력을 효과적으로 저장하여 공급 부족 시 방전함으로써 안정적인 전력 출력을 가능하게 하며, 계통 불안정성을 감소시킵니다.
(2) 재생에너지 계통 연계 저장: 흐름 배터리는 재생에너지 계통 연계 저장 분야에서 광범위하게 활용됩니다. 특히 풍력 및 태양광과 같은 재생에너지 발전의 경우, 잉여 전력을 저장하여 공급 부족 시 방전함으로써 재생에너지 이용률을 향상시킵니다.
(3) 스마트 그리드 구축: 스마트 그리드 발전에서 흐름 배터리는 안정적인 전력 공급을 제공합니다. 구체적으로:
계통 부하 피크 시 저장된 에너지를 방전하여 수요를 충족
저부하(계곡) 시간대에 충전하여 계통 수급 균형 유지 지원
(4) 도서·오지 지역 독립형 전원: 뛰어난 환경 적응성과 간편한 유지보수 요구 사항으로 인해, 흐름 배터리는 도서 지역 및 오지의 독립형 전력 시스템에 이상적인 선택지입니다. 이러한 지역에서 계통 전력이 닿지 않는 곳에 특히 유용한 신뢰성 높은 전력 보장을 제공합니다.
(5) 백업 전원 공급 장치: 높은 안전성과 긴 수명 주기를 특징으로 하는 흐름 배터리는 백업 전원 분야에서 강력한 경쟁자입니다. 5G 기지국 및 데이터 센터 등 신규 인프라에 안정적이고 신뢰할 수 있는 전력 지원을 제공하여 비상시 정상 운영을 보장할 수 있습니다.
(6) 산업용 사용자 측 에너지 저장: 제조 현장, 특히 철강 및 화학 생산 공정에서 흐름 배터리는 높은 안전성과 내식성으로 인해 광범위하게 적용됩니다. 저수요(계곡) 시간대에 전력을 저장하고 고수요(피크) 시간대에 방전함으로써 피크 절감 및 계곡 충전 효과를 발휘하여 전력 부하 균형을 최적화하고 기업의 전력 비용을 절감합니다.
이러한 응용 시나리오는 흐름 배터리가 높은 안전성, 장수명 및 대용량 저장이 요구되는 다양한 분야에서 광범위한 잠재력을 보유하고 있음을 입증합니다.
Seoul: NEWARE
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