13/06/2025
1
1
TS. Lê Thị Ánh
Ắc quy dòng chảy (Redox flow
battery)
2
Nội dung
•Giới thiệu chung
•Phân loại
•Hệ ắc quy dòng oxy hoá khử
Vanadi-Vanadi
•Tiềm năng phát triển và
thách thức của VRFB
3
3
13/06/2025
2
4
Nhu cầu ứng dụng- lưu trữ điện khối lớn
vCông nghệ lưu trữ năng lượng phân loại theo dạng chuyển đổi năng lượng
Phân loại Dạng chuyển đổi năng lượng Công nghệ lưu trữ năng lượng
Lưu trữ năng lượng vật lý
Thế năng ⟷ Điện năng Thủy điện tích năng (Hydropump),
Khí nén (Compressed air)
Động năng ⟷ Điện năng Bánh đà (Flywheel)
Năng lượng điện từ ⟷Điện năng Siêu dẫn (Superconductor)
Điện năng ⟷ Điện năng Siêu tụ điện (Supercapacitor)
Lưu trữ năng lượng hóa học Năng lượng hóa học ⟷Điện năng
Ắc quy dòng chảy (Flow battery)
Ắc quy Natri–Lưu huỳnh (Sodium–
sulfur battery)
Ắc quy Lithium-ion
4
5
Lưu trữ điện khối lớn (large-scale energy storage)
vLưu trữ điện khối lớn: (Grid-scale energy storage hoặc large-scale energy storage)
•Hệ thống lưu trữ có quy mô và công suất đủ lớn (MWh đến GWh), có khả năng ảnh hưởng đến mạng lưới điện cho cả hệ thống điện
quy mô quốc gia, được tích hợp vào hệ thống điện quốc gia hoặc khu vực, nhằm đảm bảo cân bằng cung –cầu, ổn định điện áp, và
tối ưu hóa nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió.
vVai trò:
- Cân bằng nhu cầu điện cung và cầu: Phóng điện vào giờ cao điểm và ngược lại tích điện vào lúc thấp điểm. Mua điện rẻ và bán giá cao, tránh
dư thừa điện
-Tránh tăng giảm điện áp - tần số đột ngột
-Khắc phục tính không ổn định và tận dụng hiệu quả của điện tái tạo
-Hỗ trợ nguồn điện backup khẩn cấp khi điện lưới mất
5
6
Nhu cầu ứng dụng- lưu trữ điện khối lớn
Công nghệ lưu trữ năng
lượng Ưu điểm Nhược điểm
Ắc quy Natri
–Lưu huỳnh
(Sodium
–sulfur battery)
Mật độ năng lượng và công suất cao
Nhiệt
độ vận hành cao và độ an
toàn
thấp
Ắc
quy Lithium-ion (Lithium-
ion battery)
Hiệu suất coulomb cao, mật độ năng
lượng và công suất cao
Độ an toàn thấp và chu kỳ tuổi thọ
ngắn
Ắc
quy Chì–Axit (Lead–acid
battery)
Công nghệ trưởng thành và chi phí
thấp
Tuổi thọ chu kỳ ngắn và gây ô nhiễm
môi trường do chì
Siêu
tụ điện (Supercapacitor)
Mật
độ công suất cao và tuổi thọ
chu
kỳ
dài
Chi phí cao và mật độ năng lượng
thấp
Thủy
điện tích năng (Pumped
storage)
Dung lượng lớn và công nghệ
trưởng thành
Cần
điều kiện địa lý phù hợp
Lưu trữ năng lượng khí nén
(Compressed air storage)
Dung lượng lớn
Cần
điều kiện địa lý phù hợp
Lưu trữ từ trường siêu dẫn
(Superconducting magnetic)
Mật
độ công suất cao
Hoạt
động ở nhiệt độ thấp và chi phí
cao
Ắc
quy dòng chảy (Flow
battery)
Thiết
kế linh hoạt và độ an toàn cao
Mật độ năng lượng thấp
6
13/06/2025
3
7
Nhu cầu ứng dụng- lưu trữ điện khối lớn
7
8
Giới thiệu chung
•Ắc quy dòng chảy (Redox Flow Batteries-RFBs) là loại nguồn điện thứ cấp đặc biệt trong đó quá trình chuyển đổi năng
lượng dựa trên các phản ứng điện hóa thuận nghịch của hai cặp oxi hóa –khử (A²⁺/A⁺và C³⁺/C²⁺), Các cặp oxi hóa –
khử này thường được hòa tan trong dung dịch điện phân.
8
9
Lịch sử phát triển
vLịch sử phát triển ban đầu
•Khái niệm RFB xuất hiện từ thế kỷ 19 với hệ thống kẽm –halogen hệ Zinc–Chlorine (Zn–Cl
₂
)
hoặc Zinc–Bromine (Zn–Br
₂
).
•RFB hiện đại được phát triển vào những năm 1970 bởi NASA, sử dụng cặp oxi hóa –khử
Fe³⁺/Fe²⁺và Cr³⁺/Cr²⁺.
•Tuy nhiên, hệ thống ban đầu gặp vấn đề "nhiễm chéo" giữa hai dung dịch điện phân, làm
giảm hiệu suất và tuổi thọ pin.
vGiải pháp đột phá: Vanadi
•Năm 1949, ý tưởng sử dụng cùng một nguyên tố (vanadi) với các trạng thái oxi hóa khác
nhau cho cả hai bên cực
•Triển khai vào thập niên 1980 tại Đại học New South Wales (Úc) → tạo ra Ắc quy dòng chảy
vanadi (VRFB) –hệ thống RFB phổ biến nhất hiện nay.
•Bốn trạng thái oxi hóa được sử dụng: V(V), V(IV) ở cực dương và V(III), V(II) ở cực âm.
vHạn chế và xu hướng mới
•Các RFB truyền thống sử dụng muối kim loại trong dung môi nước → bị giới hạn bởi điện
phân nước (điện áp thấp < 1.7V).
•Hai hướng nghiên cứu mới:
•Thay dung môi nước bằng dung môi hữu cơ (tăng cửa sổ điện hóa).
•Dùng vật liệu hữu cơ hoạt động redox thay vì kim loại → giảm chi phí, tăng linh hoạt.
9
13/06/2025
4
10
Lịch sử phát triển
10
11
Cấu tạo
Ắc quy dòng chảy (RFBs) được cấu tạo từ các thành
phần sau:
•Bộ cell (battery stack) –nơi diễn ra các phản ứng
điện hóa, và các bồn chứa bên ngoài –nơi lưu trữ
dung dịch điện phân (anolyte và catholyte)
•Hệ thống bơm để đưa dung dịch qua cell
•Bộ cell thường bao gồm hai bộ điện cực, các tấm
ngăn lưỡng cực (bipolar plates), các kênh phân
phối dòng chảy-flow fields và bộ thu dòng
(current collectors), với màng ngăn được kẹp ở
giữa hai điện cực, hệ khung ép và gioăng (end
plates & Gasket).
•Màng ngăn có chức năng dẫn truyền ion H⁺,
SO₄²⁻, VO₂⁺, v.v., để duy trì cân bằng điện tích
trong quá trình (Nafion hoặc màng trao đổi proton
(PEM)
11
12
Bộ cell (battery stack)
ØTrung tâm điện hóa của một hệ RFB –nơi hai dòng điện giải (anolyte và catholyte) từ bể chứa được bơm qua và thực hiện phản ứng oxi hóa –khử (redox) để
tích trữ hoặc giải phóng điện năng.
Một stack thường gồm nhiều cell đơn (single cells) được xếp chồng (stacked) để tăng điện áp và công suất.
ØCấu tạo:
-Tấm phân phối dòng chảy (Flow Field / Flow Plate)
Thường chế tạo từ graphite, nhựa dẫn điện, kim loại phủ carbon. Được thiết kế có rãnh để phân phối dòng điện giải đều lên bề mặt điện cực. Có nhiệm vụ dẫn điện và
định hướng dòng chảy của chất điện phân
-Điện cực (Electrode)
Được làm từ vật liệu carbon felt, carbon paper, hoặc graphite cloth. Là nơi diễn ra phản ứng oxi hóa –khử. Có vai trò tạo nên diện tích tiếp xúc lớn với dung dịch,
truyền điện tử đến bề mặt phản ứng, có tính bền hóa học trong môi trường acid hoặc kiềm
12
13/06/2025
5
13
Bộ cell (battery stack)
-Màng ngăn (Membrane)
Thường là Nafion hoặc màng trao đổi proton (PEM)
Cho phép ion (thường là H
⁺
)đi qua để cân bằng điện tích. Ngăn không cho các ion điện hoạt (như Fe 2
⁺
, Zn²
⁺
, VO
₂⁺
)khuếch tán sang bên kia → hạn chế nhiễm chéo
(crossover)
-Tấm ngăn dòng (Bipolar Plate / End Plate)
Nằm giữa các cell hoặc hai đầu stack. Kết nối điện, dẫn dòng điện, phân phối chất điện phân từ cực dương của cell này sang cực âm của cell kế tiếp và ngăn cách
dòng chéo giữa các cell. Có rãnh dẫn để đưa dung dịch điện giải đến toàn bộ bề mặt điện cực Ngoài ra còn có vai trò chịu lực và chống ăn mòn hóa học, Giữ áp lực
ép đều các lớp cell, đồng thời bền hóa học với acid/kiềm.
-Gioăng (Gasket) và khung ép (Frame)
Chất liệu: PTFE, EPDM…nhằm đảm bảo kín khí –kín dung dịch, tránh rò rỉ và duy trì áp lực giữa các lớp cell
Cấu trúc màng Nafion
13
14
Màng Nafion
Cấu trúc màng Nafion
1. Nafion là một polymer perfluorinated (chuỗi
chính giống Teflon) với các nhánh mang nhóm
sulfonic acid –SO
₃
H.
Khi được hydrat hóa (hòa trong nước), các nhóm –
SO₃⁻ tạo thành kênh dẫn ion dương (cation), còn
khung polymer không dẫn điện → đóng vai trò màng
chọn lọc ion.
2. Nguyên lý dẫn truyền ion
•Màng Nafion cho phép các ion dương như H
⁺
, Na
⁺
,
V²
⁺
... di chuyển từ bên này sang bên kia để cân bằng
điện tích khi xảy ra phản ứng oxi hóa –khử.
•Đồng thời, ngăn không cho các ion oxi hóa–khử có
hại (cross-over) như VO₂⁺, V³⁺, SO₄²⁻đi qua quá mức,
giúp bảo toàn dung lượng và hiệu suất.
14
15
Cấu tạo
15