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淺談液流電池
作者:    發布于:2015-09-01 05:30:21    文字:【】【】【

2015年日內瓦國際車展上,nanoFlowcell公司展示了全新概念車型:QUANTiNOQUANT F。QUANTiNO是一款電動跑車,最高時速達200公里/小時,續航里程約為1000公里。它的額定電壓為48V,可輸出最大輸出功率105kW。QUANT F最大輸出功率達到1075馬力,百公里加速2.8 秒,極速 300 km/h 以上,續航800 km。QUANT系列車型采用的是一種新型液流電池,這種電池采用鹽水作為存儲能量的介質。鹽水會通過兩個水箱之間的隔膜形成電荷,電力被儲存和分配給超級電容器。它的能量密度比鋰電池大5倍。這是該公司公開的數據,如果上述數據屬實,可以斷定這是一款采用鋰液流電池的概念電動車。

液流電池將電化學蓄電池以及燃料電池的各個方面相結合,相比為當今電動汽車提供動力的鋰離子電池技術而言,其性能高出4倍。如果該電池技術能夠達到商業應用水平,將給新能源汽車的大規模發展帶來新的選擇。液流電池到底是何種電池?液流電池技術至今已經發展到何種程度?我們有必要對該技術進行了解。

液流電池是一種新型化學儲能裝置,它將不同價態的活性物質溶液分別作為正負極的活性物質,分別儲存在各自的電解液儲罐中,通過外接泵將電解液泵入到電池堆體內,使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環流動。采用離子膜作為電池組的隔膜,電解液平行流過電極表面并發生電化學反應,將電解液中的化學能轉化為電能,通過雙極板收集和傳導電流。液流電池目前已在儲能中實現了較大規模應用,工作原理如下圖所示,其中電池外接負載和電源。

液流電池根據參與反應的活性物質的不同,液流電池可以分為:全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋰離子液流電池以及有機體系液流電池。雖然它們各自的電化學活性物質不同,但都具備電池的功率和容量相互獨立,輸出功率由電堆模塊的大小和數量決定,儲能容量由電解液的濃度和體積決定,可實現功率與容量的獨立設計,具有能量轉化效率高、啟動速度快、且可深度放電等特點。下面分類介紹各類液流電池的特點及發展現狀。

全釩液流電池采用不同價態的釩離子作為正負極活性物質,無活性物質的交叉污染,具有更安全、循環壽命更長的優勢,是目前應用最廣、技術最先進、最接近產業化的液流電池。在滿充電狀態下,電池開路電壓為1. 6V左右。全釩液流電池的能量密度偏低,約為25Wh/L,比能量約為1525Wh/kg,同等規模全釩液流電池的體積和重量較大。目前,全釩液流電池是當今世界上規模最大、技術最先進、最接近產業化的液流電池,在風力發電、光伏發電、電網調峰、分布式電站等領域有著極其良好的應用前景,并且通過示范己得到了應用領域的驗證,在日本、加拿大、美國、澳大利亞等國家己開始取代鉛酸電池。規模較大的生產全釩液流電池的公司主要是加拿大VRB Power Systems公司和日本住友電工株式會社,實際裝機容量已經超過31.25MWh。我國從20世紀80年代末開始液流儲能電池的基礎研究工作,目前已在液流儲能電池技術開發和應用示范中取得重要進展,總計裝機容量約500kWh。

鋅溴液流電池的研究始于20世紀70年代末和80年代初,電池以ZnBr2為電解質,充電后能量主要存儲于電解液中,鋅溴液流電池有很高的能量密度。鋅溴液流電池充電過程中負極中鋅離子以金屬形態沉積在電極表面,正極生成的溴被絡合劑絡合形成油狀物,貯存于正極槽的底部。鋅溴液流電池理論開路電壓為1.83V,總效率為75%,理論能量密度為430Wh/kg,實際能量密度可達到70 Wh/kg電池可以100%深度放電幾千次。鋅溴液流電池最大的優點就是成本低,深度放電性能好的電池對于儲能和電動車兩者而言都是一項引人注目的技術。目前鋅溴液流電池技術領先的公司主要有ZBB Enemy, RedFlow以及Premium Power公司。ZBB公司在加州構建了2MWh的儲能模塊。RedFlow公司也開發出了5kW的電池模塊用于示范項目。國內的鋅溴液流電池研究是大連化學物理研究所于2009年開始的,在2010年研制成功1kW電池模塊。

鋰離子液流電池始于2009年麻省理工學院Chiang Y M等人提出的半固體鋰離子液流概念。該團隊采用鈷酸鋰作為正極材料、石墨作為負極材料,研究了在連續流動模式與間歇流動模式下電池的充放電性能,在連續流動模式下獲得電池的充/放電容量分別可達146 mAh/g127 mAh/g。間歇流動模式下的充放電容量分別可達145 mAh/g118 mAh/g。該團隊還提出了一種圓柱體形的鋰離子離子液流電池結構體系,通過改變集流體的形狀、增加集流體的表面積來提高電池的性能,通過在懸浮液中加入氣泡的方式來提高懸浮液的流動性,初步探索了電池的串、并聯結構問題。據估計,鋰離子液流電池系統的能量密度可以達到300500 Wh/L(約為130250 Wh/kg),能夠滿足各種類型電動汽車的性能要求。若采用能量密度更高的電極材料,還可以進一步提高電池性能。同時,與傳統的鋰離子電池相比,鋰離子液流電池的材料和制造成本更低(4080美元/kWh),遠遠低于電動汽車動力系統(250美元/kWh)和電網儲能系統(100美元/kWh)的成本要求,具有非常誘人的應用前景。中科院電工所于2010年底開始了鋰離子液流電池研究。目前鋰離子液流電池技術實際上仍處于研究階段。

有機體系液流電池是哈佛大學Brian Huskinson研究小組于2014年研發出一種基于有機分子-苯醌的無金屬液流電池,且己經完成了對醌基電池100次的充放電循環;目前的研究工作還在初級階段,還是在厘米大小的小型電池上進行。醌基電池原料來源豐富,自然界存在著大量廉價的有機材料醌分子,它與動植物的儲能物質相似。據稱這種新電池儲電能力己可以與釩電池匹敵,不但蓄電能力毫不遜色,且成本低廉,成本可下降到27美元/kWh,幾乎是釩電池的三分之一,具有良好的經濟與商業前景,但醌基電池的設計還需要克服分子過大、電壓較低(低于1V)的不足,會導致其能量密度和功率密度較低,還遠達不到市場應用水平。

從目前的電池技術發展來看,鋰離子電池、燃料電池、液流電池、金屬-空氣電池等新技術不斷進步,誰能最終占領市場還未可知。液流電池技術是一種很有應用前景的電池技術,如果能取得關鍵技術突破,有望在儲能市場和電動汽車市場占據一席之地。

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