隨著世界各國邁向凈零排放的步伐加快，人們需要直面可再生能源的間歇性、波動性問題。

通常要達到4小時以上甚至跨周、跨季節(jié)的長時儲能技術(shù)，才能保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。通過長時儲能，我們可以以負擔得起、可靠和可持續(xù)的方式轉(zhuǎn)型到可再生能源，并能解決風電和太陽能發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性。

近年來，長時儲能市場越來越火。據(jù)咨詢機構(gòu)伍德麥肯茲統(tǒng)計，全球投運及在建的長時儲能項目，價值已超過300億美元。長時儲能委員會的最新研究估計，到 2030 年，長時儲能將成為一個價值 3.6 萬億美元的行業(yè)，裝機容量潛力將達到4-6太瓦。

面對廣闊的市場潛力，長時儲能技術(shù)的創(chuàng)新也層出不窮。近日，美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）團隊在一種新的電池設(shè)計中，創(chuàng)新性地將水處理設(shè)施中使用的一種常見化學品用于大規(guī)模儲能。該設(shè)計為通過地球上儲備豐富的材料造出安全、經(jīng)濟的水基液流電池開辟了新途徑。同時，這種新型鐵基液流電池為將風能和太陽能等間歇性能源接入電網(wǎng)提供了可能。

該研究成果發(fā)表在最新的《自然·通訊》上，研究人員表示，此次實驗室規(guī)模的新鐵基電池，在連續(xù)1000次充電循環(huán)中表現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，同時保持其最大容量的98.7%。相比之下，先前類似鐵基電池在更少的充電周期內(nèi)，充電容量會下降兩個數(shù)量級。

01 什么是液流電池？

通常，液流電池由兩個室組成，每個室填充不同的液體。電池通過電化學反應充電并以化學鍵儲存能量。當連接到外部電路時，它們會釋放能量，為電氣設(shè)備供電。

與其他傳統(tǒng)電池不同，液流電池具有兩個外部供應罐，液體不斷循環(huán)通過其提供電解液，充當電池系統(tǒng)的“血液供應”。電解液供應罐越大，液流電池能儲存的能量就越多。

通常情況下，液流電池的功率輸出取決于電極的表面積，而存儲持續(xù)時間取決于電解質(zhì)體積。因此，輸出不同外部罐體的功率和儲能容量相互獨立，可拓展性能良好，可以以任何規(guī)模建造，從實驗室規(guī)模到城市街區(qū)的規(guī)模。

而且，液流電池在充放電的過程中，不涉及物相的變化，因此循環(huán)壽命可達上萬次，整體使用壽命可以達到20年或者更長時間。另外，因其水系的特質(zhì)，一般不燃燒、不起火，安全性能突出，且環(huán)境友好。

02 新型鐵基液流電池有何特點？

專為大規(guī)模儲能而設(shè)計的鐵基液流電池自 20 世紀 80 年代以來就已出現(xiàn)，其中一些現(xiàn)已商用。

在運行過程中，水性鐵 (Fe) 氧化還原液流電池從可再生能源中捕獲電子 (e-) 形式的能量，并通過改變流動液體電解質(zhì)中鐵的電荷來存儲能量。當需要儲存的能量時，鐵可以釋放電荷，向電網(wǎng)提供能量（電子）。

本次新型鐵基液流電池的與眾不同之處在于，它以獨特的液體化學配方儲存能量，該配方將帶電鐵與中性pH值的磷酸鹽液體電解質(zhì)或能量載體結(jié)合在一起。至關(guān)重要的是，這種被稱為含氮三膦酸酯、次氮基三甲基膦酸（NTMPA）的化學物質(zhì)可以工業(yè)批量購買，因為它通常被水處理廠用于抑制腐蝕。

膦酸鹽（包括 NTMPA）是基于磷元素的廣泛化學家族。許多膦酸鹽在水中溶解良好，是用于肥料和洗滌劑等用途的無毒化學品。

論文作者、PNNL 電池材料和系統(tǒng)小組的團隊負責人 Aaron Hollas 說：“使用與我們在這里開發(fā)的化學物質(zhì)類似的電池儲能系統(tǒng)（BESS）設(shè)備將具有在中性pH 值的水中運行的優(yōu)勢。此外，我們的系統(tǒng)使用的試劑可以在市場上買到，以前還沒有研究將其用于液流電池。”

研究小組報告說，他們的初始設(shè)計的能量密度最高可以達到 9 瓦時/升（Wh/L）。相比之下，商業(yè)化的釩基系統(tǒng)的能量密度是其兩倍多，達到25 瓦時/升。能量密度較高的電池可以在較小的面積內(nèi)儲存更多的能量，但用地球上儲量豐富的材料構(gòu)建的新型鐵基液流電池，可輕松進行擴展以提供相同的能量輸出。

03 未來

液流電池可作為電網(wǎng)的備用發(fā)電機，將成為可再生能源儲能脫碳戰(zhàn)略的關(guān)鍵支柱之一。

負責可充電儲能設(shè)備的材料開發(fā)的PNNL 高級科學家李國勝（Guosheng Li）說：“我們的下一步是通過關(guān)注電壓輸出和電解質(zhì)濃度等方面來提高電池性能，這將有助于提高能量密度。目前，該電池的電壓輸出低于典型的釩液流電池輸出。我們正在研究改進這一點的方法?！?/p>

PNNL 研究人員計劃在 2024 年在 PNNL 開設(shè)的名為電網(wǎng)存儲發(fā)射臺 (GSL)的新設(shè)施中擴大這項技術(shù)和其他新電池技術(shù)的規(guī)模，這將有助于加速未來液流電池技術(shù)和策略的發(fā)展，使新能源存儲系統(tǒng)能夠安全部署。