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浅谈液流电池

来源:杭州高特电子设备有限公司      发帖时间:2015-08-13      浏览次数:690

2015年日内瓦国际车展上,nanoFlowcell公司展示了全新概念车型:QUANTiNO和QUANT F。QUANTiNO是一款电动跑车,最高时速达200公里/小时,续航里程约为1000公里。它的额定电压为48V,可输出最大输出功率105kW。QUANT F最大输出功率达到1075马力,百公里加速2.8 秒,极速 300 km/h 以上,续航800 km。QUANT系列车型采用的是一种新型液流电池,这种电池采用盐水作为存储能量的介质。盐水会通过两个水箱之间的隔膜形成电荷,电力被储存和分配给超级电容器。它的能量密度比锂电池大5倍。这是该公司公开的数据,如果上述数据属实,可以断定这是一款采用锂液流电池的概念电动车。

液流电池将电化学蓄电池以及燃料电池的各个方面相结合,相比为当今电动汽车提供动力的锂离子电池技术而言,其性能高出4倍。如果该电池技术能够达到商业应用水平,将给新能源汽车的大规模发展带来新的选择。液流电池到底是何种电池?液流电池技术至今已经发展到何种程度?我们有必要对该技术进行了解。

液流电池是一种新型化学储能装置,它将不同价态的活性物质溶液分别作为正负极的活性物质,分别储存在各自的电解液储罐中,通过外接泵将电解液泵入到电池堆体内,使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动。采用离子膜作为电池组的隔膜,电解液平行流过电极表面并发生电化学反应,将电解液中的化学能转化为电能,通过双极板收集和传导电流。液流电池目前已在储能中实现了较大规模应用,工作原理如下图所示,其中电池外接负载和电源。

液流电池根据参与反应的活性物质的不同,液流电池可以分为:全钒液流电池、锌溴液流电池、锂离子液流电池以及有机体系液流电池。虽然它们各自的电化学活性物质不同,但都具备电池的功率和容量相互独立,输出功率由电堆模块的大小和数量决定,储能容量由电解液的浓度和体积决定,可实现功率与容量的独立设计,具有能量转化效率高、启动速度快、且可深度放电等特点。下面分类介绍各类液流电池的特点及发展现状。

全钒液流电池采用不同价态的钒离子作为正负极活性物质,无活性物质的交叉污染,具有更安全、循环寿命更长的优势,是目前应用最广、技术最先进、最接近产业化的液流电池。在满充电状态下,电池开路电压为1. 6V左右。全钒液流电池的能量密度偏低,约为25Wh/L,比能量约为15~25Wh/kg,同等规模全钒液流电池的体积和重量较大。目前,全钒液流电池是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的液流电池,在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布式电站等领域有着极其良好的应用前景,并且通过示范己得到了应用领域的验证,在日本、加拿大、美国、澳大利亚等国家己开始取代铅酸电池。规模较大的生产全钒液流电池的公司主要是加拿大VRB Power Systems公司和日本住友电工株式会社,实际装机容量已经超过31.25MWh。我国从20世纪80年代末开始液流储能电池的基础研究工作,目前已在液流储能电池技术开发和应用示范中取得重要进展,总计装机容量约500kWh。

锌溴液流电池的研究始于20世纪70年代末和80年代初,电池以ZnBr2为电解质,充电后能量主要存储于电解液中,锌溴液流电池有很高的能量密度。锌溴液流电池充电过程中负极中锌离子以金属形态沉积在电极表面,正极生成的溴被络合剂络合形成油状物,贮存于正极槽的底部。锌溴液流电池理论开路电压为1.83V,总效率为75%,理论能量密度为430Wh/kg,实际能量密度可达到70 Wh/kg电池可以100%深度放电几千次。锌溴液流电池最大的优点就是成本低,深度放电性能好的电池对于储能和电动车两者而言都是一项引人注目的技术。目前锌溴液流电池技术领先的公司主要有ZBB Enemy, RedFlow以及Premium Power公司。ZBB公司在加州构建了2MWh的储能模块。RedFlow公司也开发出了5kW的电池模块用于示范项目。国内的锌溴液流电池研究是大连化学物理研究所于2009年开始的,在2010年研制成功1kW电池模块。

锂离子液流电池始于2009年麻省理工学院Chiang Y M等人提出的半固体锂离子液流概念。该团队采用钴酸锂作为正极材料、石墨作为负极材料,研究了在连续流动模式与间歇流动模式下电池的充放电性能,在连续流动模式下获得电池的充/放电容量分别可达146 mAh/g和127 mAh/g。间歇流动模式下的充放电容量分别可达145 mAh/g和118 mAh/g。该团队还提出了一种圆柱体形的锂离子离子液流电池结构体系,通过改变集流体的形状、增加集流体的表面积来提高电池的性能,通过在悬浮液中加入气泡的方式来提高悬浮液的流动性,初步探索了电池的串、并联结构问题。据估计,锂离子液流电池系统的能量密度可以达到300~500 Wh/L(约为130~250 Wh/kg),能够满足各种类型电动汽车的性能要求。若采用能量密度更高的电极材料,还可以进一步提高电池性能。同时,与传统的锂离子电池相比,锂离子液流电池的材料和制造成本更低(40~80美元/kWh),远远低于电动汽车动力系统(250美元/kWh)和电网储能系统(100美元/kWh)的成本要求,具有非常诱人的应用前景。中科院电工所于2010年底开始了锂离子液流电池研究。目前锂离子液流电池技术实际上仍处于研究阶段。

有机体系液流电池是哈佛大学Brian Huskinson研究小组于2014年研发出一种基于有机分子-苯醌的无金属液流电池,且己经完成了对醌基电池100次的充放电循环;目前的研究工作还在初级阶段,还是在厘米大小的小型电池上进行。醌基电池原料来源丰富,自然界存在着大量廉价的有机材料醌分子,它与动植物的储能物质相似。据称这种新电池储电能力己可以与钒电池匹敌,不但蓄电能力毫不逊色,且成本低廉,成本可下降到27美元/kWh,几乎是钒电池的三分之一,具有良好的经济与商业前景,但醌基电池的设计还需要克服分子过大、电压较低(低于1V)的不足,会导致其能量密度和功率密度较低,还远达不到市场应用水平。

从目前的电池技术发展来看,锂离子电池、燃料电池、液流电池、金属-空气电池等新技术不断进步,谁能最终占领市场还未可知。液流电池技术是一种很有应用前景的电池技术,如果能取得关键技术突破,有望在储能市场和电动汽车市场占据一席之地。

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