中國儲能網(wǎng)訊：(一)技術(shù)原理
液流電池和通常以固體作電極的普通蓄電池不同，液流電池的活性物質(zhì)是具有流動性的液體電解質(zhì)溶液，由于大量的電解質(zhì)溶液可以存儲在外部并通過泵輸送到電池內(nèi)反應(yīng)，液流電池的規(guī)模相對于普通蓄電池可以大幅提高。電池內(nèi)的正、負(fù)極電解液由離子交換膜隔開，在充、放電過程中，電解液中的活性物質(zhì)離子在惰性電極表面發(fā)生價態(tài)的變化。液流電池具有以下特點(diǎn)：(1)額定功率和額定容量是獨(dú)立的，功率大小取決于電池堆，容量大小取決于電解液?？赏ㄟ^增加電解液的量或提高電解質(zhì)的濃度，達(dá)到增加電池容量的目的;(2)充放電期間電池只發(fā)生液相反應(yīng)，不發(fā)生普通電池的復(fù)雜的固相變化，因而電化學(xué)極化較小;(3)電池的理論保存期無限，儲存壽命長。因?yàn)橹挥须姵卦谑褂脮r電解液才是循環(huán)的，電池不用時電解液分別在兩個不同的儲罐中密封存放，沒有普通電池常存在的自放電及電解液變質(zhì)問題。但電池長期使用后，電池隔膜電阻有所增大，隔膜的離子選擇性有所降低，這些對電池的充放電及電池性能有不良影響;(4)能100%深度放電但不會損壞電池;(5)電池結(jié)構(gòu)簡單，材料價格相對便宜，更換和維修費(fèi)用低;(6)通過更換荷電的電解液，可實(shí)現(xiàn)“瞬間再充電”;(7)電池工作時正負(fù)極活性物質(zhì)電解液是循環(huán)流動的，因而濃差極化很小。
國際上液流電池代表品種主要有4種，即鐵鉻電池、多硫化鈉/溴電池、鋅-溴體系及全釩電池。其中，全釩氧化還原液流電池，簡稱釩電池，是目前發(fā)展最好的液流電池。其工作原理是，通過采用不同價態(tài)的釩離子溶液分別作為正負(fù)極活性物質(zhì)，通過外接泵把溶液從儲液槽壓入電池堆體內(nèi)完成電化學(xué)反應(yīng)，之后溶液又回到儲液槽，液態(tài)的活性物質(zhì)不斷循環(huán)流動。釩氧化還原電池所有的反應(yīng)物都在溶液中，其儲能容量與輸出功率無關(guān)。因此釩電池可以很容易地實(shí)現(xiàn)儲能容量的經(jīng)濟(jì)擴(kuò)容。釩電池可以通過更換電池堆進(jìn)行重復(fù)使用，電解液和儲能罐也能重復(fù)使用。釩電池的充放電效率約為75%，電池單元的輸出響應(yīng)很快，可以在幾毫秒內(nèi)完成從0功率運(yùn)行到滿功率輸出，由于系統(tǒng)中其他設(shè)備的限制，釩電池系統(tǒng)的輸出響應(yīng)時間大約20ms。液流電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、系統(tǒng)設(shè)計靈活、安全環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。釩電池作為儲能電源主要應(yīng)用在電廠(電站)調(diào)峰以平衡負(fù)荷，大規(guī)模光電轉(zhuǎn)換、風(fēng)能發(fā)電的儲能電源以及作為邊遠(yuǎn)地區(qū)儲能系統(tǒng)，不間斷電源或應(yīng)急電源系統(tǒng)。
(二)關(guān)鍵技術(shù)
全釩液流電池的關(guān)鍵技術(shù)在于關(guān)鍵材料制備與成本控制方面，包括高穩(wěn)定性電解液、高選擇性低成本離子交換膜、高反應(yīng)活性電極等，另一方面關(guān)鍵材料的批量化制備技術(shù)，也是液流電池的產(chǎn)業(yè)化必須的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。
(三)應(yīng)用現(xiàn)狀
釩電池早期由澳大利亞的新南威爾士大學(xué)進(jìn)行了許多實(shí)用化的開發(fā)工作。1998年，知識產(chǎn)權(quán)出售給了澳大利亞的Pinnacle VRB公司，2001年P(guān)innacle VRB公司被加拿大VRB Power System公司收購。住友電氣(SEI)也是一個釩電池的重要開發(fā)商和供應(yīng)商。2005年日本住友電工公司在日本北海道苫前町建立了4MW的全釩液流電池儲能系統(tǒng)用于與36MW風(fēng)力發(fā)電站匹配，平滑風(fēng)電輸出，這是目前國際上最大的一套全釩液流儲能電池工程示范系統(tǒng)。據(jù)住友電工介紹，三年的應(yīng)用示范結(jié)果表明，液流儲能電池技術(shù)是最適合風(fēng)電調(diào)峰的儲能技術(shù)。2009年11月，美國政府資助Painesville電力公司與俄亥俄州市電力管理局合作，在一個32MW的燃煤發(fā)電廠進(jìn)行1MW/8MWh的液流儲能電池示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目是美國首個MW級全釩液流儲能電池項(xiàng)目。
歐洲各國積極開展液流電池技術(shù)的研究和應(yīng)用示范。西班牙REDES 2025項(xiàng)目，開發(fā)智能電網(wǎng)用1MW/2MWh液流儲能電池系統(tǒng)。德國Fraunhofer研究機(jī)構(gòu)研究了用于離網(wǎng)可再生能源發(fā)電儲能用1kW~10kW級液流儲能電池系統(tǒng)。奧地利Cellstrom公司研制的10kw/100kWh全釩液流儲能電池系統(tǒng)用于新能源電動車。
我國從20世紀(jì)80年代末開始液流儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作。中國地質(zhì)大學(xué)、北京大學(xué)、東北大學(xué)、中南大學(xué)、清華大學(xué)等均開展了全釩液流儲能電池的研究工作。大連化學(xué)物理研究所自2002年開始在關(guān)鍵材料、系統(tǒng)集成、測試方法、工程化開發(fā)及應(yīng)用示范等方面開展了系統(tǒng)深入的研究工作，建成了100 kW/200 kWh全釩液流儲能電池示范系統(tǒng)，并于2010年開發(fā)出國內(nèi)首套260 kW全釩液流儲能電池系統(tǒng)。北京普能世紀(jì)科技有限公司收購了加拿大VRB公司，正在向國家電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院提供500kW全釩液流電池示范系統(tǒng)。
(四)發(fā)展趨勢
目前全釩液流電池主要技術(shù)發(fā)展趨勢在于更高的電解液穩(wěn)定性、更好離子交換膜選擇性、更強(qiáng)的電極反應(yīng)活性、已經(jīng)更低成本的批量化制備技術(shù)。
