在液流電池領(lǐng)域，提到單液流電池，大多數(shù)人還比較陌生，這到底是一項(xiàng)什么技術(shù)?

1.什么是單液流電池?

液流電池可分為雙液流電池和單液流電池。商業(yè)化程度最高、技術(shù)最為成熟的全釩液流電池屬于雙液流電池。

單液流電池具有液流電池的顯著特點(diǎn)，能量主要載體是通過(guò)儲(chǔ)液罐及泵在電池內(nèi)外循環(huán)的電解液，最大區(qū)別在于單液流電池不需要隔膜，只需要一個(gè)儲(chǔ)液罐，內(nèi)部設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。

在質(zhì)子交換膜很大程度上決定液流電池性能與成本的當(dāng)下，無(wú)需隔膜的單液流電池帶來(lái)了一種新的解法。此外，與雙液流電池相比，單液流電池使用單一電解液、無(wú)隔膜的先天優(yōu)勢(shì)有效避免了雙液流電池存在的溶液交叉污染等問(wèn)題。

2.單液流電池家族鉛酸單液流電池

為避免雙液流電池的諸多缺點(diǎn)，英國(guó)Pletcher教授及其研究課題小組在對(duì)傳統(tǒng)鉛酸電池進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，于2004年提出了一種全沉積型的單液流電池體系，該電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，正負(fù)極處于同一反應(yīng)池中，采用酸性甲基磺酸鉛溶液作為電解液，正負(fù)極均采用惰性導(dǎo)電材料(碳材料)作為電極基底。充電時(shí)電解液中的Pb²?在負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)生成金屬Pb并沉積在負(fù)極基底上;同時(shí)Pb²?也在正極發(fā)生氧化反應(yīng)生成PbO?并沉積在正極基底上。

由于在一定的溫度范圍內(nèi)，電沉積生成的活性物質(zhì)Pb和PbO?均不溶于甲基磺酸溶液，因此該液流電池體系不存在正負(fù)極活性物質(zhì)相互接觸的問(wèn)題，所以不需要使用離子交換膜，甚至連單沉積液流電池中的通透性隔膜也不需要，所以也不存在使用兩套電解液循環(huán)系統(tǒng)的問(wèn)題。這些都大大降低了液流電池的成本。

Pletcher教授研發(fā)的鉛酸單液流電池也被視為單液流電池體系的開端。

綠色鉛鹽單液流電池

由西安理工大學(xué)劉政及其團(tuán)隊(duì)研制的綠色鉛鹽單液流電池正是建立在Pletcher教授鉛酸單液流電池基礎(chǔ)之上。

2022年，劉政參與創(chuàng)辦的西安秦源智科儲(chǔ)能科技有限公司成立，目前該電池系統(tǒng)已完成下線驗(yàn)證組裝，正式向規(guī)?；a(chǎn)邁進(jìn)。

據(jù)了解，綠色鉛鹽單液流電池成本與鋰電池價(jià)格持平，降低成本的關(guān)鍵在于消除了電堆中的一層隔膜，在正極和負(fù)極之間以高分子聚合物銜接，雙極性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有更高的能量密度和功率密度，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，這一改變不會(huì)影響電流效率，目前可達(dá)到81%的轉(zhuǎn)化率。

鋅溴單液流電池

2017年，由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的研究人員自主開發(fā)的國(guó)內(nèi)首套5kW/5kWh鋅溴單液流電池儲(chǔ)能示范系統(tǒng)在陜西省安康市華銀科技股份有限公司廠區(qū)內(nèi)投入運(yùn)行。

該鋅溴單液流電池儲(chǔ)能示范系統(tǒng)由一套電解液循環(huán)系統(tǒng)、4個(gè)獨(dú)立的千瓦級(jí)電堆，以及與其配套的電力控制模塊組成，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該系統(tǒng)在額定功率下運(yùn)行時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)70%。其成功運(yùn)行為鋅溴單液流電池系統(tǒng)的工程化和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

據(jù)了解，鋅溴單液流電池有別于傳統(tǒng)的液流電池技術(shù)，其正負(fù)極采用相同的電解質(zhì)溶液，僅需一套電解液儲(chǔ)存及循環(huán)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于百千瓦及以下級(jí)別的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。此外，其單液流的結(jié)構(gòu)將溴封閉于正極內(nèi)，解決了溴對(duì)管路系統(tǒng)的腐蝕問(wèn)題。

此外，美國(guó)加州的鋅溴液流電池企業(yè)Primus Power設(shè)計(jì)的鋅溴液流電池Energy Pod由一個(gè)電解液罐、一個(gè)循環(huán)電解液的泵送系統(tǒng)、兩堆48個(gè)鈦電極(電池)、一個(gè)熱管理系統(tǒng)和一個(gè)電池管理系統(tǒng)組成，也擁有無(wú)膜、僅有一個(gè)電解液循環(huán)系統(tǒng)的單液流電池特性。

鋅鎳單液流電池

結(jié)合鋅鎳二次電池與液流電池優(yōu)勢(shì)，2007年，解放軍軍事科學(xué)院防化研究院研究員程杰、院士楊裕生共同開發(fā)了鋅鎳單液流電池。

與鋅溴單液流電池結(jié)構(gòu)類似，鋅鎳單液流電池正負(fù)極采用同一種電解質(zhì)，無(wú)需離子交換膜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

在產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)內(nèi)主要有超威集團(tuán)、張家港智電芳華公司和大連化物所，國(guó)外的美國(guó)紐約城市大學(xué)和英國(guó)埃塞克斯大學(xué)分別在2009年和2016年進(jìn)行了該技術(shù)的開發(fā)。

在應(yīng)用方面，鋅鎳液流電池目前仍處于商業(yè)示范階段，尚未有商業(yè)化項(xiàng)目出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)室階段，鋅鎳液流電池的綜合性能較佳，也進(jìn)行了初步的應(yīng)用示范，但由于鎳價(jià)快速上漲，鋅鎳單液流電池的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力快速減弱，技術(shù)的開發(fā)和部署處于較為停滯的階段。

在技術(shù)層面，鋅枝晶與積累導(dǎo)致的電池短路以及壽命降低問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究，鋅鎳單液流電池的正負(fù)極面積容量低且功率與容量不能完全解耦，以及電池正極需要高成本燒結(jié)鎳才能保障較長(zhǎng)壽命的問(wèn)題有待解決。

3.長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能黑馬?

在液流電池技術(shù)體系中，全釩液流電池被認(rèn)為是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)非常有力的競(jìng)爭(zhēng)者。但初始投資成本較高依舊是全釩液流電池技術(shù)發(fā)展上的一大阻力。

較傳統(tǒng)雙液液流電池而言，無(wú)需隔膜的單液液流電池，無(wú)論是成本抑或是電池系統(tǒng)復(fù)雜程度都有所降低。

據(jù)公開信息，秦源智科綠色鉛鹽單液流電池的成本僅需1.3元/Wh，基本和鋰電池價(jià)格持平，轉(zhuǎn)化率目前可達(dá)81%。定位于中、大型儲(chǔ)能市場(chǎng)，秦源智科綠色鉛鹽單液流電池可廣泛的用于發(fā)電側(cè)新能源配儲(chǔ)、電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰調(diào)谷，工商業(yè)用戶峰谷套利及穩(wěn)定應(yīng)急電源等方面。

自2007年鋅鎳單液流電池被提出到現(xiàn)在，鋅鎳單液流電池在電池結(jié)構(gòu)、電極材料等方面的性能都有所提升，電堆的結(jié)構(gòu)和尺寸、容量以及能量效率不斷得到優(yōu)化。

目前，單液流鋅鎳電池已經(jīng)研發(fā)出了三代規(guī)?；a(chǎn)品，據(jù)相關(guān)廠商資料，鋅鎳單液流電池的循環(huán)壽命可達(dá)10000次以上，能量效率可達(dá)80%。鋅鎳單液流電池系統(tǒng)的成本約2600~3500元/kWh。

據(jù)Primus Power官網(wǎng)介紹，Primus Power公司第二代鋅溴液流電池產(chǎn)品EnergyPod采用導(dǎo)電性更強(qiáng)、能夠產(chǎn)生更多電能的金屬作為電極，功率為25KW/125KWh，效率可達(dá)70%。

此外，英國(guó)初創(chuàng)公司Stor Tera創(chuàng)新發(fā)明的SLIQ液流電池，采用開創(chuàng)性的鋰硫單液體化學(xué)、低成本材料和創(chuàng)新納米技術(shù)，結(jié)合了鋰離子技術(shù)的高能量密度和快速充電優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保留了液流電池低存儲(chǔ)成本和長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)，電池的能量密度可達(dá)到250Wh/L，循環(huán)次數(shù)超過(guò)7500次。

從誕生到現(xiàn)在，雙液流電池已經(jīng)歷了近40年的歷史，與之相比，單液液流電池還顯稚嫩。

值得注意的是，雙液液流電池一般為無(wú)沉積或半沉積型，能量載體只有電解液，所以理論上的能量?jī)?chǔ)量可以非常大。

目前的單液液流電池均為全沉積型液流電池，電池中至少有一個(gè)電極參加反應(yīng)，所以電池的容量取決于電解液和電極兩方面。由于固體電極主要的反應(yīng)在固液界面，電池的能量總量一般就不如雙液液流電池，且反應(yīng)的機(jī)理也較雙液液流電池復(fù)雜，尚待進(jìn)一步研究。這也是單液液流電池規(guī)模化面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

未來(lái)單液流電池能否在愈發(fā)火熱的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟還很難說(shuō)。但隨著性能的提升及商業(yè)化應(yīng)用的擴(kuò)大，目前尚顯小眾的單液流電池，未嘗不會(huì)成為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

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