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

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，能量主要載體是通過儲液罐及泵在電池內外循環(huán)的電解液，最大區(qū)別在于單液流電池不需要隔膜，只需要一個儲液罐，內部設計大大簡化。

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

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，英國Pletcher教授及其研究課題小組在對傳統(tǒng)鉛酸電池進行深入認識的基礎上，于2004年提出了一種全沉積型的單液流電池體系，該電池結構簡單，正負極處于同一反應池中，采用酸性甲基磺酸鉛溶液作為電解液，正負極均采用惰性導電材料(碳材料)作為電極基底。充電時電解液中的Pb²?在負極發(fā)生還原反應生成金屬Pb并沉積在負極基底上;同時Pb²?也在正極發(fā)生氧化反應生成PbO?并沉積在正極基底上。

由于在一定的溫度范圍內，電沉積生成的活性物質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極活性物質相互接觸的問題，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

由西安理工大學劉政及其團隊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之上。

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

據(jù)了解，綠色鉛鹽單液流電池成本與鋰電池價格持平，降低成本的關鍵在于消除了電堆中的一層隔膜，在正極和負極之間以高分子聚合物銜接，雙極性結構設計使其具有更高的能量密度和功率密度，同時也降低了系統(tǒng)的復雜性和成本，這一改變不會影響電流效率，目前可達到81%的轉化率。

鋅溴單液流電池

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

該鋅溴單液流電池儲能示范系統(tǒng)由一套電解液循環(huán)系統(tǒng)、4個獨立的千瓦級電堆，以及與其配套的電力控制模塊組成，經現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)在額定功率下運行時的能量轉換效率超過70%。其成功運行為鋅溴單液流電池系統(tǒng)的工程化和產業(yè)化開發(fā)奠定了堅實的基礎。

據(jù)了解，鋅溴單液流電池有別于傳統(tǒng)的液流電池技術，其正負極采用相同的電解質溶液，僅需一套電解液儲存及循環(huán)系統(tǒng)，具有結構簡單、能量密度高、成本低等優(yōu)點，適用于百千瓦及以下級別的分布式儲能系統(tǒng)。此外，其單液流的結構將溴封閉于正極內，解決了溴對管路系統(tǒng)的腐蝕問題。

此外，美國加州的鋅溴液流電池企業(yè)Primus Power設計的鋅溴液流電池Energy Pod由一個電解液罐、一個循環(huán)電解液的泵送系統(tǒng)、兩堆48個鈦電極(電池)、一個熱管理系統(tǒng)和一個電池管理系統(tǒng)組成，也擁有無膜、僅有一個電解液循環(huán)系統(tǒng)的單液流電池特性。

鋅鎳單液流電池

結合鋅鎳二次電池與液流電池優(yōu)勢，2007年，解放軍軍事科學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構類似，鋅鎳單液流電池正負極采用同一種電解質，無需離子交換膜，結構簡單。

在產業(yè)化方面，國內主要有超威集團、張家港智電芳華公司和大連化物所，國外的美國紐約城市大學和英國埃塞克斯大學分別在2009年和2016年進行了該技術的開發(fā)。

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

實驗室階段，鋅鎳液流電池的綜合性能較佳，也進行了初步的應用示范，但由于鎳價快速上漲，鋅鎳單液流電池的價格競爭力快速減弱，技術的開發(fā)和部署處于較為停滯的階段。

在技術層面，鋅枝晶與積累導致的電池短路以及壽命降低問題還需要進一步研究，鋅鎳單液流電池的正負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鎳才能保障較長壽命的問題有待解決。

3.長時儲能黑馬?

在液流電池技術體系中，全釩液流電池被認為是長時儲能技術非常有力的競爭者。但初始投資成本較高依舊是全釩液流電池技術發(fā)展上的一大阻力。

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

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，基本和鋰電池價格持平，轉化率目前可達81%。定位于中、大型儲能市場，秦源智科綠色鉛鹽單液流電池可廣泛的用于發(fā)電側新能源配儲、電網側調峰調谷，工商業(yè)用戶峰谷套利及穩(wěn)定應急電源等方面。

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構、電極材料等方面的性能都有所提升，電堆的結構和尺寸、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研發(fā)出了三代規(guī)模化產品，據(jù)相關廠商資料，鋅鎳單液流電池的循環(huán)壽命可達10000次以上，能量效率可達80%。鋅鎳單液流電池系統(tǒng)的成本約2600~3500元/kWh。

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

此外，英國初創(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、低成本材料和創(chuàng)新納米技術，結合了鋰離子技術的高能量密度和快速充電優(yōu)勢，同時保留了液流電池低存儲成本和長壽命的優(yōu)勢，電池的能量密度可達到250Wh/L，循環(huán)次數(shù)超過7500次。

從誕生到現(xiàn)在，雙液流電池已經歷了近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沉積或半沉積型，能量載體只有電解液，所以理論上的能量儲量可以非常大。

目前的單液液流電池均為全沉積型液流電池，電池中至少有一個電極參加反應，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，且反應的機理也較雙液液流電池復雜，尚待進一步研究。這也是單液液流電池規(guī)模化面臨的一個重要問題。

未來單液流電池能否在愈發(fā)火熱的長時儲能市場站穩(wěn)腳跟還很難說。但隨著性能的提升及商業(yè)化應用的擴大，目前尚顯小眾的單液流電池，未嘗不會成為長時儲能技術的一個重要發(fā)展方向。

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