什么是液流電池？

液流電池是由Thaller于1974年提出的一種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，是一種新的蓄電池。液流電池由電堆單元、電解液、電解液存儲(chǔ)供給單元以及管理控制單元等部分構(gòu)成，是利用正負(fù)極電解液分開，各自循環(huán)的一種高性能蓄電池，具有容量高、使用領(lǐng)域（環(huán)境）廣、循環(huán)使用壽命長的特點(diǎn)，是一種新能源產(chǎn)品。

液流電池主要由三部分組成，外部電解液儲(chǔ)罐以及內(nèi)部的電極和離子傳導(dǎo)膜。電解液置于電堆外部的儲(chǔ)罐中，在循環(huán)泵的推動(dòng)下流經(jīng)電堆，并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換。

液流電池示意圖

液流電池工作原理

液流電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)之一，最早由L.H.Thaller在1974年提出。該電池技術(shù)將陰陽極電解液分別通過管路推入電堆中，通過活性元素的價(jià)態(tài)變化，在電能和化學(xué)能之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)充放電。與其他傳統(tǒng)離子蓄電池不同的地方是，液流電池屬于一種活性化學(xué)物質(zhì)，儲(chǔ)存在液態(tài)化電解液中的二次儲(chǔ)能電池處理技術(shù)，不僅電池結(jié)構(gòu)上存在差異，而且正、負(fù)極電解液中是儲(chǔ)存能量的。

液流電池工作原理圖

液流電池電堆中的單元電池通常由緊固件、端板、集流板、電極框、雙極板、電極和離子傳導(dǎo)膜組成，電堆則是由若干個(gè)單元電池串聯(lián)起來通過壓濾機(jī)的疊合方式裝配而成。

液流電池電堆

液流電池的分類

按照電解質(zhì)不同形態(tài)，液流電池可分為四類：水系液流電池、非水系液流電池、混合液流電池和半固態(tài)液流電池。其中水系液流電池已經(jīng)取得了一定進(jìn)步，最具代表性的是目前發(fā)展較為完善的全釩液流電池和鐵/鉻液流電池。

水系液流電池：在這種類型的液流電池中，氧化還原活性物質(zhì)溶解在水溶液里。由于水系液流電池受到水分解的影響，其工作電位窗口一般較窄（小于2V），因此其電壓很難達(dá)到2V。水系液流電池的研究歷史較長，世界范圍內(nèi)有許多大型示范性電池系統(tǒng)，包括鐵/鉻液流電池、全釩液流電池、溴/多硫化物液流電池以及溴/醌液流電池等。

非水系液流電池：由于水系液流電池的電壓限制，非水系液流電池在最近幾年得到了廣泛研究。這類電池利用非水溶劑，如乙腈，作為溶劑，可以達(dá)到較高的電壓，如2.60V。非水系液流電池的研究在最近幾年取得了顯著進(jìn)展，特別是在過去5年間，許多有機(jī)金屬配合物被用作活性物質(zhì)。

混合液流電池：這類電池結(jié)合了水系和非水系的特性，以適應(yīng)特定的應(yīng)用需求?；旌弦毫麟姵氐脑O(shè)計(jì)旨在平衡性能、成本和實(shí)用性，以滿足不同領(lǐng)域的需求。

半固態(tài)流體電池：作為一種新型的液流電池類型，它具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，可能在特定的應(yīng)用場景中展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。半固態(tài)流體電池的研究相對(duì)較少，但其潛力和應(yīng)用正在被探索中。

根據(jù)反應(yīng)活性物質(zhì)分可分為：全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、全鐵液流電池、多硫化鈉溴液流電池等。

全釩液流電池是液流電池中成熟度最高、商業(yè)化進(jìn)程最快的類型。它具有高性能蓄電池的特點(diǎn)，如容量高、使用領(lǐng)域廣、循環(huán)使用壽命長等。

鐵鉻液流電池是另一種常見的液流電池類型，它與全釩液流電池一樣，具有安全可靠、壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，成為規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一。

鋅溴液流電池以其獨(dú)特的性能，如可重復(fù)進(jìn)行100%深度放電，適用于大型儲(chǔ)能系統(tǒng)，也是液流電池技術(shù)中的重要分支。

全鐵液流電池則是另一種類型的液流電池，盡管具體信息較少，但它與其他類型的液流電池一樣，具有高性能蓄電池的特點(diǎn)，是新能源產(chǎn)品的一種。

液流電池各技術(shù)路線對(duì)比

經(jīng)過技術(shù)迭代，目前全釩液流電池和鋅溴液流電池發(fā)展速度較快，主要源于其正負(fù)極電解液不存在交叉污染問題。其中全釩液流電池正在逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入工程應(yīng)用和商業(yè)擴(kuò)張階段；鋅溴液流電池也進(jìn)入應(yīng)用示范階段，而其他類別液流電池現(xiàn)階段應(yīng)用案例仍然較少。

液流電池的優(yōu)勢(shì)

在眾多儲(chǔ)能電池中，液流電池是一種越來越受到人們關(guān)注的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，被廣泛研究認(rèn)為是現(xiàn)階段發(fā)展前景最大的儲(chǔ)能技術(shù)之一。相比于其他儲(chǔ)能系統(tǒng)，液流儲(chǔ)能電池具有更多在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

極安全：不燃不爆，適應(yīng)各種工作環(huán)境

經(jīng)濟(jì)性：全生命周期的度電成本友好

服務(wù)壽命長：萬次以上的充放電循環(huán)

靈活性：極易部署，按需配置，在線升級(jí)

大容量：輕松滿足兆瓦級(jí)電力應(yīng)用場景

液流電池發(fā)展歷程

液流電池的演化歷程可以分為三個(gè)階段：1971-1988的實(shí)驗(yàn)室階段，1988-2001的工業(yè)化研發(fā)期，2001年至今的商業(yè)化發(fā)展期。

液流電池生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)液流電池的工藝流程主要包括以下幾個(gè)步驟:

1.原材料的選擇與處理

液流電池的生產(chǎn)首先需要選擇合適的正負(fù)極材料、電解液以及隔膜等關(guān)鍵原材料。正負(fù)極材料通常需要具有較高的電化學(xué)活性、穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。電解液要求具有良好的離子傳輸性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。隔膜則需要具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和離子傳輸性能。對(duì)這些原材料進(jìn)行處理，如干燥、研磨等，以滿足后續(xù)生產(chǎn)工藝的要求。

2.電解液的配制

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將電解液成分按比例混合，攪拌均勻，確保電解液的性能穩(wěn)定。電解液的配制需要在無水無氧的環(huán)境中進(jìn)行，避免水分和氧氣對(duì)電解液性能的影響。

3.電極片的制備

將處理好的正負(fù)極材料分別涂覆在金屬集流體(如鋁箔、銅箔等)上，形成電極片。涂夏過程可以通過滾涂、刷涂、噴涂等方法進(jìn)行。為了保證電極片的性能，需要控制涂的厚度、均性等參數(shù)。

4.電極片的干燥與固化

涂夏后的電極片需要進(jìn)行干燥與固化處理，以去除溶劑和多余的電解液，使電極材料牢固地附著在集流體上。干燥與固化過程可以在烘箱中進(jìn)行，溫度和時(shí)間的控制非常重要，以防止電極材料燒結(jié)或損壞

5.隔膜的制備與組裝

將處理好的隔膜與金屬集流體進(jìn)行組裝，形成電池單元。隔膜的組裝需要確保其與集流體的良好接觸，以保證電池內(nèi)離子傳輸?shù)男省?/p>

6.電池模塊的組裝

將多個(gè)電池單元串聯(lián)或并聯(lián)，形成電池模塊。電池模塊的組裝需要考慮電池的容量、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)，以滿足特走應(yīng)用需求。

7.電池系統(tǒng)的組裝

將電池模塊與電池管理系統(tǒng)(BMS)等其他部件組裝在一起，形成完整的液流電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮安全、穩(wěn)走、可靠等因素。

8.性能測試與檢驗(yàn)

對(duì)完成的液流電池系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，如充放電測試、循環(huán)壽命測試、安全性測試等。測試結(jié)果用于評(píng)估電池系統(tǒng)的性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

9.封裝與包裝

根據(jù)市場需求，對(duì)液流電池系統(tǒng)進(jìn)行封裝與包裝。封裝方式可以采用金屬殼體、塑料殼體等，以保護(hù)電池系統(tǒng)免受外部環(huán)境的影響。

液流電池產(chǎn)業(yè)鏈

液流電池在國內(nèi)起步較晚，生產(chǎn)廠家有限，目前仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，仍有待于解決技術(shù)難題和完善產(chǎn)業(yè)鏈。全釩液流電池作為目前液流電池行業(yè)中成熟度相對(duì)領(lǐng)先的技術(shù)路線，其產(chǎn)業(yè)鏈圖如下所示。上游主要包括五氧化二釩、雙極板、離子交換膜、電極、碳?xì)值?，相關(guān)公司為釩鈦股份、河鋼股份等。中游包括電解液、電堆、循環(huán)模塊、控制系統(tǒng)等，主要相關(guān)公司為湖南銀峰、北京普能、大連融科等。下游主要應(yīng)用場景涉及電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、發(fā)電側(cè)、新能源配套等領(lǐng)域。

液流電池相關(guān)公司

1、釩鈦股份

公司擁有以五氧化二釩、高釩鐵、釩氮合金、釩鋁合金、釩電解液等為代表的釩系列產(chǎn)品，以鈦白粉、鈦渣等為代表的鈦系列產(chǎn)品，具備年經(jīng)營鈦精礦175萬噸和年產(chǎn)釩制品4.42萬噸、鈦白粉30萬噸、鈦渣24萬噸的綜合生產(chǎn)能力，是世界主要的釩制品供應(yīng)商，中國主要的鈦原料供應(yīng)商，中國重要的鈦渣生產(chǎn)企業(yè)，中國重要的硫酸法、氯化法鈦白粉生產(chǎn)企業(yè)。公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)、電子工業(yè)、有色金屬及涂料油墨等領(lǐng)域，暢銷國內(nèi)外市場。

2、北京普能

作為全釩液流電池領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，普能公司在高性能離子交換膜技術(shù)、長壽命電解液配方、高性能雙極板、創(chuàng)新電堆內(nèi)部流場設(shè)計(jì)、無o圈密封電堆生產(chǎn)制造獨(dú)家技術(shù)等具有成本優(yōu)勢(shì)。公司開發(fā)的第三代兆瓦級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)Gen 3 VRB MW-ESS的核心部件電堆可實(shí)現(xiàn)最大功率75kW，超出“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)要求，已率先完成中國電力科學(xué)研究院第三方檢測，并順利通過UL 1973標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)安全測試，獲得CSA頒發(fā)的ANSI/CAN/UL 1973認(rèn)證證書。同時(shí)，公司的第三代儲(chǔ)能系統(tǒng)也獲得了CSA頒發(fā)的ANSI/CAN/UL 1973認(rèn)證證書，這對(duì)北京普能向用戶提供穩(wěn)定、可靠、安全的兆瓦級(jí)產(chǎn)品打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供了有力的保障。

3、緯景儲(chǔ)能

成立于2018年，是一家以高科技驅(qū)動(dòng)的液流電池研發(fā)和智能制造公司，致力于新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和儲(chǔ)能電池的智能制造，其核心產(chǎn)品鋅鐵液流電池具備本征安全、超低度電成本、可長時(shí)儲(chǔ)能等優(yōu)勢(shì)。

4、液流儲(chǔ)能

液流儲(chǔ)能科技有限公司，是全球領(lǐng)先的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案提供商。公司始終專注于液流電池關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，為電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)客戶提供安全、長時(shí)、耐用、綠色的一站式新型儲(chǔ)能解決方案;主營業(yè)務(wù)涵蓋液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)維，系統(tǒng)回收及融資租賃等。目前，公司投資建設(shè)的多個(gè)兆瓦級(jí)項(xiàng)目已經(jīng)順利運(yùn)行。作為全球液流儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)跑者，波流儲(chǔ)能是國內(nèi)唯一同時(shí)掌握全釩和鐵鉻兩大液流電池關(guān)鍵技術(shù)的企業(yè);在美國硅谷、中國濰坊等地設(shè)立研發(fā)中心，已獲得數(shù)十項(xiàng)核心發(fā)明專利:在山東、內(nèi)蒙古、新疆、青海、甘肅、河北等地，構(gòu)建起集電堆、電解液和系統(tǒng)集成為一體的全產(chǎn)業(yè)鏈布局;已與中國電氣裝備集團(tuán)、山東海化、亞星化學(xué)等中央企業(yè)和上市公司建立牢固的戰(zhàn)略合作關(guān)系。

液流電池發(fā)展前景

與新能源發(fā)電配合：目前風(fēng)能、水能、太陽能等新能源發(fā)電具有很強(qiáng)的波動(dòng)性和間歇性，因此需要?jiǎng)討B(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)加以調(diào)節(jié)。如果想發(fā)展大規(guī)模發(fā)電也需要相應(yīng)的大規(guī)模的儲(chǔ)能裝置，因此液流電池特別適用。

發(fā)展新型動(dòng)力汽車：液流電池充放電能力很強(qiáng)，可以進(jìn)行大電流放電和深度放電，作為動(dòng)力汽車的電池很方便實(shí)用，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)電或備用能源裝置：海島、偏遠(yuǎn)地區(qū)，如果建設(shè)常規(guī)電站或架設(shè)輸電線路則造價(jià)太高，使用液流電池并配以太陽能、風(fēng)能等發(fā)電裝置，可保障這些地區(qū)的穩(wěn)定電力供應(yīng)。此外，發(fā)生突發(fā)情況導(dǎo)致停電時(shí)，也可以使用液流電池當(dāng)作應(yīng)急能源。

參考資料：

生產(chǎn)液流電池的工藝流程、百度文庫

來源：百度百科、緯景儲(chǔ)能、長城證券、儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)、材料人、網(wǎng)絡(luò)等