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編者按：面對清潔能源使過程之中的儲能難題，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究者不斷探究新型電池技術(shù)，如全釩液流電池實現(xiàn)化學(xué)和電能之間的轉(zhuǎn)換，但受產(chǎn)品維護和資源有限性影響，科學(xué)家依然在尋找新的替代品。

近年來清潔能源逐漸興起，能源公司也迎來了新問題：當太陽落山、風(fēng)不再吹時，如何保障電網(wǎng)繼續(xù)供電？液流電池（Flow Battery）或許就是答案。液流電池擁有巨大的裝備體積，其電解液儲能罐可留存足夠的電力，甚至為成百上千戶的家庭供電數(shù)小時。

但大部分液流電池目前仍有短板，比如依賴于稀有貴金屬釩的全釩液流電池，或是電解質(zhì)壽命較短、含有毒性等。目前來說，似乎仍沒有哪一種液流電池能滿足所有供電需求。

尋找替代品、優(yōu)化解決方案成了研究者的頭等要務(wù)。美國猶他州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系助理教授劉天驃對《中國科學(xué)報》表示，目前對大規(guī)模儲能電池有3個基本要求：安全性高、性價比高以及環(huán)境友好。

的確有科學(xué)家做到了。“目前，液流電池領(lǐng)域新成果頻出。”德國耶拿大學(xué)的化學(xué)家Ulrich Schubert表示。

商業(yè)化“寵兒“：全釩電池

早在上世紀80年代，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的研究者就發(fā)明出全釩液流電池——釩離子價態(tài)發(fā)生變化從而產(chǎn)生化學(xué)能和電能之間的循環(huán)。

經(jīng)過20余年的發(fā)展，全釩液流電池的商用化漸成規(guī)模，業(yè)界因其在穩(wěn)定性與儲能容量等方面的優(yōu)勢紛紛表示看好。

小到特斯拉汽車，大到辦公園區(qū)，鋰電池在規(guī)?；╇娭谐袚?dān)著重要角色。但在大規(guī)模、集中化的儲能需求方面，鋰電池的擴展性并不理想。而全釩電池的表現(xiàn)更出彩，其壽命比鋰電池更長，且電解液更易回收，含有釩的電解液能夠經(jīng)受多次充放電循環(huán)，可為太陽能電網(wǎng)、城鎮(zhèn)等更大規(guī)模的單元供能。

在中國，世界上最大的釩液流電池計劃于2020年投入使用，這一由大連融科儲能公司建設(shè)的儲能系統(tǒng)可存儲800兆瓦的容量。

唯一的問題是釩的資源有限，價格存在波動。釩是一種稀有貴金屬，以釩鈦磁鐵礦為主。在世界范圍內(nèi)，俄羅斯、南非和中國占據(jù)了大部分產(chǎn)量，其中中國的產(chǎn)量可占近五成。除了用于電池儲能，其在冶金化工領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

而且全釩電池還需要定期維護，因為是酸性電解質(zhì)，一些化學(xué)反應(yīng)過程需要專人維護，其應(yīng)用規(guī)模、范圍也相對固定。這意味著在資源總量有限的情況下，若對釩的需求爆發(fā)，價格則會進一步攀升，留給全釩電池的發(fā)展空間也將有限。

不過，“全釩電池仍是液流電池中商業(yè)化程度最高的一種，未來在原材料價格平穩(wěn)的前提下，全釩電池依舊有不錯的市場空間”。中科院大連化學(xué)物理研究所研究員、儲能技術(shù)研究部部長李先鋒告訴《中國科學(xué)報》。

電解液新形態(tài)

液流電池可分為水系和非水系兩大類，即電解液是水溶液或有機溶劑。原理是將正負極活性物質(zhì)分別溶解在陰極和陽極的電解液內(nèi)，因此要求活性物質(zhì)具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。此外，電池的體積能量密度、功率密度與電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性、活性物質(zhì)濃度以及導(dǎo)電率息息相關(guān)，因此需要針對電堆特性，采用不同酸堿性的電解液。

找到釩的替代品成了新的任務(wù)。從前以無機鹽為基礎(chǔ)的液流電池結(jié)構(gòu)簡單、可調(diào)控性不強，但若能利用合成化學(xué)生成可調(diào)控的有機儲能物，則更有望滿足多種多樣的儲能需求。

以往的液流電池的電解質(zhì)大多為強酸性或堿性，劉天驃團隊近期在《焦耳》期刊上發(fā)表的研究則報告了一種可在中性環(huán)境下工作的液流電池。與以往需要溶解在含有鈉鹽或鉀鹽水溶液中的亞鐵氰化物不同，研究團隊找到了替代鈉鹽或鉀鹽的氮基化合物——銨，從而提升了亞鐵氰化物的溶解量，可讓電池存儲更多電量。同時，在中性條件下，亞鐵氰銨正極電解液和紫精負極電解液結(jié)合的有機液流電池表現(xiàn)出了非常穩(wěn)定的電池循環(huán)性能。

“我們想彌補全釩電池不能滿足的市場需求，比如分散的、非集中性的儲能。”劉天驃作為研究團隊負責(zé)人，向記者解釋了研發(fā)的初衷。“通過理論計算調(diào)控設(shè)計出有機分子，我們可以找到與先前完全不同的可用于液流電池的活性物質(zhì)，甚至有希望找到最有潛力的儲能分子。”他說。

尋找替代品的腳步從未停止。2018年7月，來自哈佛大學(xué)的研究團隊將有機化合物醌作為金屬釩的替代品，通過在醌中添加羧酸基團使其更易溶于堿性溶液以減少電解質(zhì)損耗。這樣一來，醌的壽命增加、電解質(zhì)的成本降低。雖然該方案并不能迅速商用，但相較以往研究，已經(jīng)向前邁出了一大步。

仍有創(chuàng)新空間

依賴有限的貴金屬資源、不夠穩(wěn)定、不夠環(huán)境友好、成本過高……目前的液流電池電解質(zhì)組成種類多樣，但總會或多或少地存在缺陷?；蛟S只用一種液流電池滿足所有需求場景的設(shè)想有些苛刻。

“任何儲能技術(shù)都有自己的應(yīng)用優(yōu)勢。不僅是液流電池，鋰離子電池、鉛酸電池都不能滿足所有需求。不同應(yīng)用場景的儲能或電力系統(tǒng)對電池的需求也不同。”李先鋒表示。

因此找準使用場景對液流電池來說至關(guān)重要。比如全釩電池安全性高、壽命長，適用于大規(guī)模集中式的儲能，而成本低、電壓和體積能量密度高的鋅基液流電池對分散的用戶需求更為友好。

李先鋒表示，其研究團隊不僅致力于全釩液流電池的研發(fā)，還在鋅基液流電池領(lǐng)域不斷開拓新技術(shù)，如鋅碘液流電池是目前團隊部署的研發(fā)新方向。

談及液流電池的商用之路，李先鋒表示，實現(xiàn)在大規(guī)模系統(tǒng)中的市場應(yīng)用是“最終目標”。“要解決好兩方面問題：既需要技術(shù)可靠，也要有較低的成本。這樣才能形成盈利模式。這也需要研究單位、相關(guān)企業(yè)等多方努力。”他表示。

原標題：打造可再生能源“后備軍”