【銀峰科普】不同體系液流電池概述

在國內(nèi)碳達峰、碳中和的大背景下，能源清潔低碳加速轉(zhuǎn)型，光伏、風(fēng)電等新能源的發(fā)電占比不斷提高。儲能技術(shù)作為電力載體，被視為抑制新能源波動、減緩新能源大規(guī)模并網(wǎng)沖擊的重要解決方案。液流電池技術(shù)因具有高安全性、高靈活性、長壽命等優(yōu)勢，被認為是當(dāng)前最適用于長時儲能的電化學(xué)儲能技術(shù)之一。根據(jù)正負極電解液活性物質(zhì)的不同，液流電池具體可分為鐵鉻、全釩、全鐵、鋅溴、水系有機等，液流電池技術(shù)路線總結(jié)如下表所示。

表1：主流液流電池技術(shù)路線對比

以下是上訴液流電池的介紹：

1.鐵鉻電池

鐵鉻液流電池是最早被提出的液流電池技術(shù)，其工作原理為負極采用鉻離子的氧化還原反應(yīng)（Cr2?/Cr3?），正極采用鐵離子的氧化還原反應(yīng)（Fe2?/Fe3?）。在鐵鉻體系中，電解液的改性主要集中在抑制析氫副反應(yīng)和提升電極反應(yīng)可逆性。

2.全釩液流電池

全釩液流電池是目前最為成熟的液流電池體系。其工作原理是用釩離子的不同價態(tài)（V2?/V3?和VO2?/VO??）分別在負極和正極發(fā)生氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)充放電。其**優(yōu)點是正負極活性物質(zhì)都是釩，只是價態(tài)不同，避免了不同離子交叉污染導(dǎo)致的容量**衰減。目前，全釩體系電解液的改性研究主要圍繞釩離子濃度、電解液溫度穩(wěn)定窗口和循環(huán)穩(wěn)定性的提升等。

3.全鐵液流電池

全鐵液流電池的核心優(yōu)勢在于其**的成本、安全性和環(huán)保性，但同時也面臨一些析氫等問題的技術(shù)挑戰(zhàn)。其工作原理依賴于鐵離子在不同價態(tài)之間的氧化還原反應(yīng)。目前主流的技術(shù)路線基于兩種鐵離子價態(tài)的轉(zhuǎn)換：Fe2?/Fe3?（正極反應(yīng)）：在正極側(cè)，二價鐵離子（Fe2?）和三價鐵離子（Fe3?）之間發(fā)生反應(yīng)。Fe/Fe2?（負極反應(yīng)）：在負極側(cè)，通過電沉積和溶解，實現(xiàn)金屬鐵（Fe）和二價鐵離子（Fe2?）之間的轉(zhuǎn)換。在負極，水的分解（析氫反應(yīng)，2H?O + 2e? → H? + 2OH?）電位與鐵沉積的電位非常接近，因此在充電過程中，很容易發(fā)生析氫副反應(yīng)，需要通過優(yōu)化電解液成分（如添加抑制劑）、控制充放電策略和改進電極材料來抑制。

4.鋅溴液流電池

鋅溴液流電池具有成本低和能量密度較高的顯著優(yōu)勢，在分布式儲能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其工作原理是負極采用鋅的沉積/溶解（Zn2?/Zn），正極采用溴/溴化物絡(luò)合物（Br?/Br?）的氧化還原反應(yīng)。充電時，鋅單質(zhì)會沉積在負極板上，溴則在正極電解液中形成絡(luò)合物。這種沉積-溶解型液流電池將會面臨枝晶生長與累積等特性問題。在針對沉積-溶解型液流電池的電解液改性研究上，國內(nèi)外研究團隊除了提升氧化還原物質(zhì)濃度、穩(wěn)定性和活性等共同目標(biāo)外，還需針對負極枝晶生長問題開展針對性研究工作。

5.其他新興體系（鋅鐵、有機液流電池等）

鋅鐵液流電池結(jié)合了鋅溴和鐵鉻的一些優(yōu)點。負極是鋅的沉積/溶解，正極是鐵離子的氧化還原（Fe2?/Fe3?）。有著成本低，能量密度較高，電壓較高的優(yōu)點。同樣面臨鋅枝晶和鐵鉻交叉污染的問題。

有機液流電池是指使用有機分子（如醌類、紫精類、氮氧自由基類等）作為活性物質(zhì)，是當(dāng)前的研究熱點。新型水系有機電解液體系的開發(fā)，主要聚焦于通過活性分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計來獲得兼具高能量密度和穩(wěn)定性的目標(biāo)分子。

表2:各體系優(yōu)缺點對比表

總結(jié)與展望

當(dāng)前王者：全釩液流電池憑借其超長壽命和**的可靠性，是目前大規(guī)模長時儲能領(lǐng)域的主流選擇。其發(fā)展的關(guān)鍵是通過技術(shù)迭代和釩資源開發(fā)來降低成本。

成本挑戰(zhàn)者：鋅溴和鐵鉻體系試圖通過使用廉價材料來挑戰(zhàn)全釩的地位，但它們各自的技術(shù)難題（溴的腐蝕、鋅枝晶、鉻的催化）限制了其可靠性和廣泛推廣。

未來之星：有機液流電池被寄予厚望，它有可能從根本上解決對礦產(chǎn)資源的依賴，實現(xiàn)更低成本和更環(huán)保的儲能。但目前仍處于“實驗室”走向“工程化”的階段，是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的重點。