推動能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)可再生能源的規(guī)模發(fā)展和替代是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵??稍偕茉窗l(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點(diǎn),大規(guī)模并網(wǎng)會對電力系統(tǒng)的安全性、可靠性帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
儲能技術(shù)可有效地調(diào)控可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定供電。因此,儲能技術(shù)是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。在眾多儲能技術(shù)中,液流電池儲能技術(shù)具有安全可靠、生命周期內(nèi)性價(jià)比高、環(huán)境友好、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)正負(fù)極電解質(zhì)溶液中活性電對種類的不同,液流電池可分為鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、全鐵液流電池、全釩液流電池等。
01
鐵鉻液流電池研究進(jìn)展
1974年,美國航空航天局(NASA)的Thaller等提出了第一個(gè)真正意義上的液流電池體系:鐵鉻液流電池體系,采用Fe3+/Fe2+//Cr3+/Cr2+作為正、負(fù)極氧化還原電對,硫酸作為支持電解質(zhì),電池電壓為1.18 V。
研究者對鐵鉻液流電池技術(shù)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究,如電極優(yōu)化及設(shè)計(jì)、電解液體系優(yōu)化、催化劑篩選、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化等,為鐵鉻液流電池的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
2019年,國家電投中央研究院自主研發(fā)的首個(gè)31.25kW鐵鉻液流電池電堆“容和一號”成功下線并通過了檢漏測試;由8臺31.25kW鐵鉻液流電池電堆構(gòu)成的國內(nèi)首個(gè)250kW鐵鉻液流電池儲能示范項(xiàng)目于2020年在沽源戰(zhàn)石溝光伏電站投入應(yīng)用,該系統(tǒng)具備6h儲能時(shí)長(1.5MWh),可有效提高光伏電站能源利用效率,標(biāo)志著國家電投自主研發(fā)的儲能技術(shù)正式投入應(yīng)用。
長期研究表明,Cr3+/Cr2+負(fù)極電對反應(yīng)動力學(xué)慢、析氫副反應(yīng)嚴(yán)重的兩大弱點(diǎn)難以完全克服,隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,由于正、負(fù)極電解質(zhì)溶液中鐵離子和鉻離子的微量互串,容易引起正、負(fù)極電解質(zhì)溶液中活性離子交叉污染,造成儲能容量的衰減問題。
02
全釩液流電池研究進(jìn)展
全釩液流電池技術(shù)最早由澳大利亞新南威爾士大學(xué)Skyllas-Kazacos提出,該體系最大的優(yōu)點(diǎn)是正負(fù)極氧化還原電對使用同種元素釩,電解液在長期運(yùn)行過程中可再生,避免了交叉污染帶來的電池容量難以恢復(fù)的問題。
全釩液流電池正負(fù)極氧化還原電對的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)良好,在無外加催化劑的情況下即可達(dá)到較高的功率密度。而且該電池在運(yùn)行過程中無明顯析氫、析氧副反應(yīng),具有優(yōu)良的可靠性。因此,全釩液流電池技術(shù)得到了長足的發(fā)展,已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行和市場開拓階段。
傳統(tǒng)全釩液流電池電堆使用的膜材料主要是商業(yè)化的全氟磺酸離子交換膜,其成本較高且離子選擇性相對較差;此外,全釩液流電池電堆內(nèi)部存在流體、濃度、溫度等多場協(xié)同作用下的分布均勻性問題,限制了高功率密度全釩液流電池電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及集成;在高功率密度電堆測試過程中,電堆產(chǎn)熱量大,對電解液溫度適應(yīng)性提出了很高的要求。
針對上述關(guān)鍵技術(shù)問題,研究者通過關(guān)鍵材料、液流電池功率密度、可靠性、高效集成等方面的創(chuàng)新,開發(fā)出新一代全釩液流電池電堆,不僅提高了電堆的可靠性,同時(shí)提高了電堆裝配的自動化程度,減少密封材料的使用,也降低了電堆的成本。
03
鋅基液流電池研究進(jìn)展
目前,以全釩液流電池為代表的液流電池儲能技術(shù)發(fā)展迅速,已經(jīng)處于產(chǎn)業(yè)化推廣階段。但相比其他電池技術(shù),全釩液流電池存在成本相對較高、能量密度偏低的問題。與全釩液流電池不同,以金屬鋅為負(fù)極活性組分的鋅基液流電池體系具有儲能活性物質(zhì)來源廣泛、價(jià)格便宜、能量密度高等優(yōu)勢,在分布式儲能及用戶側(cè)儲能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
在眾多種類的鋅基液流電池體系中,鋅溴液流電池和鋅碘液流電池是為數(shù)不多的兩類正、負(fù)極兩側(cè)電解液組分(溴化鋅或碘化鋅)完全一致的液流電池體系,不存在電解液的交叉污染,電解液再生簡單。
其中,鋅溴液流電池電壓高達(dá)1.82V,電池活性物質(zhì)濃度高,理論能量密度高達(dá)430Wh/kg,相同容量的液流電池,鋅溴液流電池所需電解液體積更少,實(shí)際應(yīng)用中占地面積更小。鋅溴液流電池也是目前技術(shù)成熟度最高的一類鋅基液流電池體系,在國外獲得了較好的發(fā)展。
除鋅溴液流電池儲能技術(shù)外,堿性鋅鐵液流電池也是目前較為成熟的一類鋅基液流電池儲能技術(shù)。
原標(biāo)題:液流電池儲能技術(shù)研究進(jìn)展