鉅大LARGE | 點擊量：723次 | 2021年10月27日
打造可再生能源“后備軍”：聚焦液流電池商用之路
近年來清潔能源逐漸興起，能源公司也迎來了新問題：當太陽落山、風不再吹時，如何保障電網繼續供電？液流電池（FlowBattery）或許就是答案。液流電池擁有巨大的裝備體積，其電解液儲能罐可留存足夠的電力，甚至為成百上千戶的家庭供電數小時。
但大部分液流電池目前仍有短板，比如依賴于稀有貴金屬釩的全釩液流電池，或是電解質壽命較短、含有毒性等。目前來說，似乎仍沒有哪一種液流電池能滿足所有供電需求。
尋找替代品、優化解決方法成了研究者的頭等要務。美國猶他州立大學化學與生物化學系助理教授劉天驃對《我國科學報》表示，目前對大規模儲能電池有3個基本要求：安全性高、性價比高以及環境友好。
的確有科學家做到了。“目前，液流電池領域新成果頻出。”德國耶拿大學的化學家UlrichSchubert表示。
商業化“寵兒“：全釩電池
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
早在上世紀80年代，澳大利亞新南威爾士大學的研究者就發明出全釩液流電池——釩離子價態發生變化從而出現化學能和電能之間的循環。
經過20余年的發展，全釩液流電池的商用化漸成規模，業界因其在穩定性與儲能容量等方面的優勢紛紛表示看好。
小到特斯拉汽車，大到辦公園區，鋰離子電池在規模化供電中承擔著重要角色。但在大規模、集中化的儲能需求方面，鋰離子電池的擴展性并不理想。而全釩電池的表現更出彩，其壽命比鋰離子電池更長，且電解液更易回收，含有釩的電解液能夠經受多次充放電循環，可為太陽能電網、城鎮等更大規模的單元供能。
在我國，世界上最大的釩液流電池計劃于2020年投入使用，這一由大連融科儲能公司建設的儲能系統可存儲800兆瓦的容量。
唯一的問題是釩的資源有限，價格存在波動。釩是一種稀有貴金屬，以釩鈦磁鐵礦為主。在世界范圍內，俄羅斯、南非和我國占據了大部分產量，其中我國的產量可占近五成。除了用于電池儲能，其在冶金化工領域也有廣泛應用。
而且全釩電池還要定期維護，因為是酸性電解質，一些化學反應過程要專人維護，其應用規模、范圍也相對固定。這意味著在資源總量有限的情況下，若對釩的需求爆發，價格則會進一步攀升，留給全釩電池的發展空間也將有限。
不過，“全釩電池仍是液流電池中商業化程度最高的一種，未來在原材料價格平穩的前提下，全釩電池依舊有不錯的市場空間”。中科院大連化學物理研究所研究員、儲能技術研究部部長李先鋒告訴《我國科學報》。
電解液新形態
液流電池可分為水系和非水系兩大類，即電解液是水溶液或有機溶劑。原理是將正負極活性物質分別溶解在陰極和陽極的電解液內，因此要求活性物質具有較好的化學穩定性。此外，電池的體積能量密度、功率密度與電解液的電化學穩定性、活性物質濃度以及導電率息息相關，因此要針對電堆特性，采用不同酸堿性的電解液。
找到釩的替代品成了新的任務。從前以無機鹽為基礎的液流電池結構簡單、可調控性不強，但若能利用合成化學生成可調控的有機儲能物，則更加有望滿足多種多樣的儲能需求。
以往的液流電池的電解質大多為強酸性或堿性，劉天驃團隊近期在《焦耳》期刊上發表的研究則報告了一種可在中性環境下工作的液流電池。與以往要溶解在含有鈉鹽或鉀鹽水溶液中的亞鐵氰化物不同，研究團隊找到了替代鈉鹽或鉀鹽的氮基化合物——銨，從而提升了亞鐵氰化物的溶解量，可讓電池存儲更多電量。同時，在中性條件下，亞鐵氰銨正極電解液和紫精負極電解液結合的有機液流電池表現出了非常穩定的電池循環性能。
“我們想彌補全釩電池不能滿足的市場需求，比如分散的、非集中性的儲能。”劉天驃作為研究團隊負責人，向記者解釋了研發的初衷。“通過理論計算調控設計出有機分子，我們可以找到與先前完全不同的可用于液流電池的活性物質，甚至有希望找到最有潛力的儲能分子。”他說。
尋找替代品的腳步從未停止。2018年七月，來自哈佛大學的研究團隊將有機化合物醌作為金屬釩的替代品，通過在醌中添加羧酸基團使其更易溶于堿性溶液以減少電解質損耗。這樣一來，醌的壽命新增、電解質的成本降低。雖然該方法并不能迅速商用，但相較以往研究，已經向前邁出了一大步。
仍有創新空間
依賴有限的貴金屬資源、不夠穩定、不夠環境友好、成本過高……目前的液流電池電解質組成種類多樣，但總會或多或少地存在缺陷。或許只用一種液流電池滿足所有需求場景的設想有些苛刻。
“任何儲能技術都有自己的應用優勢。不僅是液流電池，鋰離子電池、鉛酸電池都不能滿足所有需求。不同應用場景的儲能或電力系統對電池的需求也不同。”李先鋒表示。
因此找準使用場景對液流電池來說至關重要。比如全釩電池安全性高、壽命長，適用于大規模集中式的儲能，而成本低、電壓和體積能量密度高的鋅基液流電池對分散的用戶需求更為友好。
李先鋒表示，其研究團隊不僅致力于全釩液流電池的研發，還在鋅基液流電池領域不斷開拓新技術，如鋅碘液流電池是目前團隊部署的研發新方向。
談及液流電池的商用之路，李先鋒表示，實現在大規模系統中的市場應用是“最終目標”。“要解決好兩方面問題：既要技術可靠，也要有較低的成本。這樣才能形成盈利模式。這也要研究單位、相關公司等多方努力。”他表示。
