無(wú)膜的單液流電池，長(cháng)時(shí)儲能黑馬？

在液流電池領(lǐng)域，提到單液流電池，大多數人還比較陌生，這到底是一項什么技術(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(zhù)特點(diǎn)，能量主要載體是通過(guò)儲液罐及泵在電池內外循環(huán)的電解液，最大區別在于單液流電池不需要隔膜，只需要一個(gè)儲液罐，內部設計大大簡(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Pletcher教授及其研究課題小組在對傳統鉛酸電池進(jìn)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(jiǎn)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(shí)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(shí)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(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(kāi)端。

綠色鉛鹽單液流電池

由西安理工大學(xué)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，目前該電池系統已完成下線(xiàn)驗證組裝，正式向規?；a(chǎn)邁進(jìn)。

據了解，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(shí)也降低了系統的復雜性和成本，這一改變不會(huì )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(xué)院大連化學(xué)物理研究所的研究人員自主開(kāi)發(fā)的國內首套5kW/5kWh鋅溴單液流電池儲能示范系統在陜西省安康市華銀科技股份有限公司廠(chǎng)區內投入運行。

該鋅溴單液流電池儲能示范系統由一套電解液循環(huán)系統、4個(gè)獨立的千瓦級電堆，以及與其配套的電力控制模塊組成，經(jīng)現場(chǎng)測試，該系統在額定功率下運行時(shí)的能量轉換效率超過(guò)70%。其成功運行為鋅溴單液流電池系統的工程化和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)奠定了堅實(shí)的基礎。

據了解，鋅溴單液流電池有別于傳統的液流電池技術(shù)，其正負極采用相同的電解質(zhì)溶液，僅需一套電解液儲存及循環(huán)系統，具有結構簡(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別的分布式儲能系統。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的腐蝕問(wèn)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(gè)電解液罐、一個(gè)循環(huán)電解液的泵送系統、兩堆48個(gè)鈦電極(電池)、一個(gè)熱管理系統和一個(gè)電池管理系統組成，也擁有無(wú)膜、僅有一個(gè)電解液循環(huán)系統的單液流電池特性。

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(xué)院防化研究院研究員程杰、院士楊裕生共同開(kāi)發(fā)了鋅鎳單液流電池。

與鋅溴單液流電池結構類(lèi)似，鋅鎳單液流電池正負極采用同一種電解質(zhì)，無(wú)需離子交換膜，結構簡(jiǎn)單。

在產(chǎn)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(xué)和英國埃塞克斯大學(xué)分別在2009年和2016年進(jìn)行了該技術(shù)的開(kāi)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。

實(shí)驗室階段，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)格競爭力快速減弱，技術(shù)的開(kāi)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(cháng)壽命的問(wèn)題有待解決。

3.長(cháng)時(shí)儲能黑馬?

在液流電池技術(shù)體系中，全釩液流電池被認為是長(cháng)時(shí)儲能技術(shù)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(shù)發(fā)展上的一大阻力。

較傳統雙液液流電池而言，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復雜程度都有所降低。

據公開(kāi)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，轉化率目前可達81%。定位于中、大型儲能市場(chǎng)，秦源智科綠色鉛鹽單液流電池可廣泛的用于發(fā)電側新能源配儲、電網(wǎng)側調峰調谷，工商業(yè)用戶(hù)峰谷套利及穩定應急電源等方面。

自2007年鋅鎳單液流電池被提出到現在，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(jīng)研發(fā)出了三代規?；a(chǎn)品，據相關(guān)廠(chǎng)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的成本約2600~3500元/kWh。

據Primus Power官網(wǎng)介紹，Primus Power公司第二代鋅溴液流電池產(chǎn)品EnergyPod采用導電性更強、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(kāi)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)，結合了鋰離子技術(shù)的高能量密度和快速充電優(yōu)勢，同時(shí)保留了液流電池低存儲成本和長(cháng)壽命的優(yōu)勢，電池的能量密度可達到250Wh/L，循環(huán)次數超過(guò)7500次。

從誕生到現在，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?jì)α靠梢苑浅４蟆?/p>

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，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(jìn)一步研究。這也是單液液流電池規?；媾R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(cháng)時(shí)儲能市場(chǎng)站穩腳跟還很難說(shuō)。但隨著(zhù)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(huì )成為長(cháng)時(shí)儲能技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。