液流電池

電化學液流電池一般稱為氧化還原液流電池，是一種新型的大型電化學儲能裝置，正負極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池，簡稱釩電池，其荷電狀態 100%時電池的開路電壓可達 1.5 V。

基本介紹

• 中文名：電化學液流電池
• 外文名：electrochemical flow cell
• 別名：氧化還原液流電池
• 屬性：新型的大型電化學儲能裝置
• 特點：規模化蓄電
• 學科：電機工程

概述

液流電池是由Thaller（NASA Lewis Research Center, Cleveland, United States ）於1974年提出的一種電化學儲能技術。液流儲能電池系統由電堆單元、電解質溶液及電解質溶液儲供單元、控制管理單元等部分組成。液流電池系統的核心是由電堆和（電堆是由數十節進行氧化-還原反應）和實現充、放電過程的單電池按特定要求串聯而成的，結構與燃料電池電堆相似。

工作原理

液流電池一種新的蓄電池，液流電池是利用正負極電解液分開，各自循環的一種高性能蓄電池，具有容量高、使用領域（環境）廣、循環使用壽命長的特點，是目前的一種新能源產品。氧化還原液流電池是一種正在積極研製開發的新型大容量電化學儲能裝置，它不同於通常使用固體材料電極或氣體電極的電池，其活性物質是流動的電解質溶液，它最顯著特點是規模化蓄電，在廣泛利用可再生能源的呼聲高漲形勢下，可以預見，液流電池將迎來一個快速發展的時期。

目前，液流電池普遍套用的條件尚不具備，對許多問題尚需進行深入的研究。 循環伏安測試表明：石墨氈具有良好導電性、機械均一性、電化學活性、耐酸且耐強氧化性，是一種較好的電極材料，與石墨棒和各種粉體材料相比，更適合用於液流電池的研究和套用。論文對採用的石墨氈電極分別進行了未處理、熱處理、酸熱處理。藉助於掃描電鏡，觀察了三種處理方式的石墨氈表面形貌的差異，熱處理和酸熱處理能除去石墨氈表面的雜質和影響電化學反應的污染物，使石墨氈表面乾淨平整，石墨氈的表面狀況得到明顯改善。交流阻抗實驗表明，與未處理石墨氈相比，經過熱處理、酸熱處理石墨氈的電阻明顯減小，證實了活化處理對石墨氈表面狀況的改善，使石墨氈材料得到改性，降低了電阻，增強了電化學活性。

主要材料

全釩液流電池是一種新型蓄電儲能設備，不僅可以用作太陽能、風能發電過程配套的儲能裝置，還可以用於電網調峰，提高電網穩定性，保障電網安全。

鋅溴電池屬於液流儲能電池的一種。根據活性物質不同，研究較多的液流電池有鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩液流電池三種。當前國內有少數幾家公司在做該項技術的研發。

鋅溴電池在造價上具有與生俱來的優勢，因為從儲能電池的普遍成本看，電解液成本占到總成本的30%，所以電解液成分的價格在很大程度上決定了電池的整體造價。而鋅溴電池的電解液成分為鋅和溴，其中鋅是一種很常見的金屬，容易大量獲取而且價格較低，而另一種成分溴更是常見，甚至在污水中就能提取。這個先天性的特質決定了鋅溴電池在成本方面具有的優勢。

特點

與其它的儲能電池相比，全釩液流電池有以下特點：①電池的輸出功率取決於電堆的大小和數量，儲能容量取決於電解液容量和濃度，因此它的設計非常靈活，要增加輸出功率，只要增加電堆的面積和電堆的數量，要增加儲能容量，只要增加電解液的體積；②全釩液流電池的活性物質為溶解於水溶液的不同價態的釩離子，在全釩液流電池充、放電過程中，僅離子價態發生變化，不發生相變化反應，充放電應答速度快；③電解質金屬離子只有釩離子一種，不會發生正、負電解液活性物質相互交叉污染的問題，電池使用壽命長，電解質溶液容易再生循環使用；④充、放電性能好，可深度放電而不損壞電池，自放電低。在系統處於關閉模式時，儲罐中的電解液無自放電現象；⑤液流電池選址自由度大，系統可全自動封閉運行，無污染，維護簡單，操作成本低。⑥電解質溶液為水溶液，電池系統無潛在的爆炸或著火危險，安全性高；⑦電池部件多為廉價的炭材料、工程塑膠，材料來源豐富，且在回收過程中不會產生污染，環境友好；⑧能量效率高，可達70%，性價比好；⑨啟動速度快，如果電堆里充滿電解液可在2 min內啟動，在運行過程中充放電狀態切換隻需要0.02 s；⑩可實時、準確監控電池系統荷電狀態（SOC），有利於電網進行管理、調度。

全釩液流電池適用於調峰電源系統、大規模光伏電源系統、風能發電系統的儲能以及不間斷電源或應急電源系統。目前國內外全釩液流電池的主要生產企業有大連融科儲能公司（Rongke Power）、日本住友電氣工業公司（Sumitomo Electric Industries）和北京普能公司。

建設原則

液流電池是可再充電的燃料電池，其中包含一種或多種溶解的電活性元素的電解質流過電化學電池，該化學電池將化學能直接可逆地轉換成電（電活性元素是“可以參與電極反應的溶液中的元素”可以吸附在電極上“）。額外的電解質通常儲存在外部，通常儲存在容器中，並且通常通過反應器的電池（或多個電池）泵送，儘管重力供給系統也是已知的。通過更換電解質液體（以與內燃機的燃料箱相似的方式），同時回收用於重新通電的廢料，液流電池可以被快速“再充電”。

換句話說，液流電池就像電化學電池一樣，除了離子溶液（電解質）不儲存在電極周圍的電池中。而是，離子溶液被儲存在電池外部，並且可以被供給到電池中以便發電。可以產生的總電量取決於儲罐的大小。

液流電池受電化學工程設計原則的制約。

優點和缺點

氧化還原液流電池和較小程度的混合液流電池具有布局靈活（由於功率和能量成分分離）的優點，循環壽命長（因為沒有固體 - 固體相變），反應快次，不需要“均衡”充電（電池的過度充電，以確保所有的電池單元具有相同的電荷）並且不會產生有害的發射。某些類型還提供簡單的充電狀態確定（通過電壓依賴於充電），低維護和容錯過度充電/過度放電。與諸如鋰離子，RFB和ARFB的固態可充電電池相比，可以在更高的電流和功率密度下工作。這些技術優點使氧化還原液流電池成為大規模儲能的理想選擇。

不利的一面是，能量密度相差很大，但與一般攜帶型電池（如鋰離子電池）相比，通常較低。

而且，與使用類似電解化學品的不可逆燃料電池或電解池相比，液流電池通常具有稍低的效率。