“雙碳”目標下的鋅基液流電池
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),是實現(xiàn)碳達峰、碳中和最主要的舉措之一,儲能肩負重任。隨著大規(guī)模新能源電力接入電網(wǎng),電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特征,電力系統(tǒng)“雙側(cè)隨機性”特征將進一步凸顯。為此,應當加強對用戶側(cè)資源的管理,使其逐步成為與電網(wǎng)廣泛互動的重要資源,實現(xiàn)供需雙側(cè)資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化,助力保障電力系統(tǒng)供需平衡。
鋅基液流電池儲能技術(shù)具有成本低、安全性高、能量密度高等優(yōu)點,是混合型液流電池的典型代表 ,適用作為固定式儲能系統(tǒng)用于用戶側(cè),助力推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)“雙碳”目標。
鋅基液流電池的原理
通常,鋅基液流電池(ZFBs)負極電解液的活性物質(zhì)是Zn 2+(中性或弱酸性環(huán)境)或 Zn(OH)42-(堿性環(huán)境)。在充電過程中,負極側(cè)的Zn 2+或Zn(OH)42-得到電子形成金屬鋅,同時正極側(cè)的活性物質(zhì)則被氧化。放電過程則與之相反,負極側(cè)的鋅溶解形成Zn 2+或 Zn(OH)42-,同時正極側(cè)的活性物質(zhì)被還原。
鋅基液流電池的優(yōu)勢
金屬鋅資源豐富、成本低廉,使用金屬鋅的沉積溶解作為負極電對的鋅基液流電池大多數(shù)電解液具有較低的成本和較高的能量密度。同時,鋅基液流電池體系中,鋅負極具有環(huán)境友好、在空氣和水溶液中較為穩(wěn)定的特點,電池體系中電解液為水系電解液,這都使電池的安全性得到了保障。因此成本低、安全性高、能量密度高的鋅基液流電池在分布式儲能領(lǐng)域具有很好的應用前景。
鋅基液流電池的發(fā)展
鋅基液流電池具有電解液成本低、安全性高、電位高等優(yōu)勢,在分布式儲能領(lǐng)域具有很好的應用前景。從1977年鋅溴液流電池問世以來,通過將鋅負極與不同的正極氧化還原電對配對,已發(fā)展成為儲能系統(tǒng)中種類最多的液流電池。其中,鋅溴液流電池已經(jīng)較為成熟,得到了市場的推廣和認可,其他鋅基液流電池體系仍然處在“應用示范,實驗室研發(fā)階段”,尚有關(guān)鍵問題亟需解決。
鋅負極的問題及改善策略
鋅基液流電池中的鋅負極主要面臨著鋅枝晶、鋅脫落、面容量受限的問題。
鋅枝晶:電池充電時,電極表面濃差極化增大,電極表面附近離子濃度降低,反應物離子更容易擴散至電極表面的凸起處,誘導了鋅枝晶的進一步生長。隨著枝晶的不斷生長,最后刺破隔膜導致電池短路失效。
鋅脫落:在放電過程中,與電極緊密接觸的金屬鋅優(yōu)先溶解,在有枝晶產(chǎn)生的情況下,隨著反應的進行,枝晶的尖端將會失去與電極之間的連接;除此之外,沉積在電極表面的鋅金屬也會由于與電極連接不緊密,從電極上脫落。這些脫落的鋅將無法被繼續(xù)利用,造成了電池性能的下降。
面容量受限:鋅基液流電池多以多孔碳氈或者平板電極作為電極。隨著充電的進行,鋅酸根或者鋅離子會在電極上連續(xù)被還原為金屬鋅,最終沉積在電極上。一旦電極表面被鋅金屬完全覆蓋,就不能再進行電沉積,導致電池面容量受限。同時,進一步充電將導致電池的充電電壓急劇增加,從而在負極半電池中導致不可逆的析氫反應。
這些問題都是限制鋅基液流電池性能提升的“攔路虎”,也是實現(xiàn)鋅基液流電池實用化進程中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。
針對鋅負極存在的鋅枝晶、鋅脫落、面容量受限等主要問題:從電解質(zhì)溶液化學的角度入手,可以調(diào)控鋅沉積歷程;從電極結(jié)構(gòu)設(shè)計角度切入,可以調(diào)控鋅沉積過電位;從膜材料結(jié)構(gòu)角度來設(shè)計,可以抑制金屬鋅對其造成的破壞;從電池結(jié)構(gòu)角度進行優(yōu)化,可以調(diào)控膜與電極界面空間,提高鋅基液流電池面容量。最終突破鋅基液流電池的“瓶頸”,助力用戶側(cè)儲能技術(shù)的發(fā)展。
在高能量密度的鋅基液流電池中,正極與負極的作用旗鼓相當。鋅基液流電池的各類正極中,各自有什么樣的特點?存在什么樣的問題?面對這些問題應該如何應對?
留個懸念,下期再見。
前景與展望
在新型電力系統(tǒng)的框架中,高能量密度的鋅基液流電池憑借體積小、成本低等優(yōu)勢,在用戶側(cè)嶄露頭角,與在發(fā)電側(cè)發(fā)揮可靠作用的全釩液流電池相輔相成,共同推動構(gòu)建以“新能源+儲能”為主體的新型電力系統(tǒng),提高電網(wǎng)對高比例可再生能源的消納和調(diào)控能力,加速推進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,助力實現(xiàn)雙碳目標。