Metallikompleksit virtausakuissa

Abstract

Sähkönkulutuksen kasvaessa korostuvat haasteet, jotka liittyvät uusiutuvan sähköntuotannon tehokkaaseen varastointiin. Virtausakut herättävät kasvavaa kiinnostusta, koska ne soveltuvat hyvin skaalautuvaan ja suurimittaiseen energian varastointiin. Virtausakkujen kilpailukykyä kuitenkin rajoittaa niiden alhainen energiatiheys, joka on seurausta rajallisesta kennojännitteestä sekä matalasta tilavuuskapasiteetista. Näihin haasteisiin ratkaisuja etsitään metallikompleksien avulla. Tässä tutkielmassa tarkastellaan vesipohjaisissa ja orgaanisissa virtausakuissa käytettyjä metallikomplekseja. Käsiteltäviä komplekseja ovat muun muassa ferrosyanidi-, rautabipyridiini- ja ferroseenijohdannaiset sekä kromi-, vanadiini- ja ruteniumkompleksit. Kompleksien soveltuvuutta arvioidaan liukoisuuden, redox-potentiaalin, sivureaktioiden ja kapasiteettihäviöiden perusteella. Vanadiinivirtausakku on edelleen kaupallisesti kilpailukykyisin vaihtoehto hyvän stabiilisuutensa ansiosta. Sen laajamittaisempaa käyttöönottoa rajoittavat korkeat kustannukset sekä liukoisuuteen liittyvät haasteet. Metallikomplekseilla on mahdollisuus yhdistää hyvä redox-potentiaali ja rakenteellisesti räätälöitävät ominaisuudet. Monet metallikomplekseista soveltuvat vesipohjaisiin virtausakkuihin. Vesipohjaisten virtausakkujen etuina ovat turvallisuus ja matalat materiaalikustannukset. Haasteita ovat rajoittunut liukoisuus sekä kemiallinen stabiilisuus. Orgaaniset elektrolyytit mahdollistavat korkeammat kennojännitteet ja siten paremman energiatiheyden verrattuna vesipohjaisiin vaihtoehtoihin. Toisaalta niihin liittyy usein ongelmia elektrolyyttien stabiilisuudessa ja aktiivisten aineiden liukoisuudessa. Lisäksi orgaaniset liuottimet voivat lisätä kustannuksia ja aiheuttaa turvallisuushaasteita, kuten paloturvallisuusriskejä. Virtausakkujen kehityksessä tärkeäksi tavoitteeksi nouseekin metallikompleksien löytäminen, jotka yhdistävät korkean redox-potentiaalin, hyvän liukoisuuden ja kemiallisen stabiilisuuden joko vesipohjaisessa tai orgaanisessa elektrolyytissä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella metallikompleksit tarjoavat lupaavia mahdollisuuksia energiatiheyden parantamiseen. Haasteiksi käytännön sovelluksille ilmenevät ongelmat stabiilisuudessa sekä liukoisuudessa. Jatkotutkimusta tarvitaan sellaisten metallikompleksien kehittämiseksi, joissa yhdistyy hyvä liukoisuus, pitkäaikainen stabiilisuus sekä sopiva redox-potentiaali.