固定式大规模储能的液流电池：钒液流电池及其在可再生能源中的应用

工程21（2023）42意见和评论用于固定式大规模储能的液流电池尹彦斌，李先锋中国科学院大连化学物理研究所储能研究室，大连116023能源脱碳是人类社会可持续发展的关键。未来可再生能源的大规模使用既能满足日益增长的能源需求，又能减少二氧化碳排放，因此变得越来越重要[1]。可再生能源（例如，风能和太阳能）具有不连续、不稳定和不可控的特点，因此不能直接接入电网[2]。采用储能装置进行调幅/调频、平滑输出、跟踪发电计划等是必不可少的，目前储能是可再生能源推广应用的关键瓶颈[3，4]。尽管非水锂离子电池主导动力和消费电池市场，并且非水钠离子和钾离子电池正在迅速发展，但在固定式大规模能量存储中使用有机电解质将不可避免地引入严重的安全风险[5液流电池的概念于1974年由美国国家航空航天局（NASA）克利夫兰刘易斯研究中心的Thaller提出[9]。液流电池通过可逆的氧化还原反应（即，价态的可逆变化）。液流电池，特别是钒液流电池，非常适合于电网储能，由于其灵活的功率和容量设计，高安全水平和长的充电/放电循环寿命的优点，吸引了越来越多的钒液流电池最早由Skyllas-Kazacos及其同事于1985年提出[11，12]。近年来，在钒液流电池电极[13，14]、电解质[15已经建立了数值建模方法来研究堆几何形状[24]、转移电流密度的均匀性[25]、质量传输[26]、钒离子交叉[27]、流场[28]等。此外，已成功引入机器学习算法来辅助流场设计[29]、成本预测和性能优化[30]。钒液流电池作为一种很有前途的储能解决方案，已经被越来越多的科学家和企业家所接受。在钒液流电池成功的刺激下，对各种其他液流电池系统（例如，zinc–iron flow batteries, zinc–bromine flow batteries,电池和液流电池在可再生能源发电中的大规模应用将大大降低风能和太阳能的废弃率以及化石燃料的消耗，从而有助于减少碳排放。在气候变化、市场需求迫切、政策支持力度大的背景下，液流电池来的正是时候。我们坚信，液流电池将在固定储能市场中发挥非常重要的在此，我们根据多年来在液流电池研究和应用方面的经验，从能量密度、成本、安全性和环境等方面简要分享我们对液流电池发展的看法我们对液流电池的看法的图示摘要显示在图中。1.一、1. 能量密度能量密度是指电池每单位质量或单位体积释放的能量，即质量比能量或体积比能量。根据液流电池的惯例，能量密度是基于电解质的体积计算坦率地说，与锂离子电池相比，液流电池的能量密度并不占然而，能量密度不应该是液流电池的主要关注点，Fig. 1. 我们对液流电池观点的图片摘要。P：泵。https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.10.0072095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engY.阴和X。李工程21（2023）4243···其在可靠性和稳定性方面的明显和不容置疑的优势此外，对于大规模固定能量存储技术，液流电池系统起基础结构的作用，而不是用作便携式消耗品。此外，大型储能项目通常建在低成本空间，这意味着使用液流电池占地成本并不高。优化液流电池的布局因此，与动力电池相比，质量和体积比能量对于固定能量存储不那么重要然而，更高的能量密度总是有利于节省空间，并将扩展电池基于电解质体积的能量密度可以用作帮助开发更先进的液流电池系统的指标。为了提高液流电池的能量密度，应尝试新的组合物或添加剂，以赋予高浓度电解质更好的物理和动力学性质。同时，必须进一步开发用于液流电池的新型氧化还原对，目的是增加浓度和更多的此外，电池正常工作的能耗也不容忽视。与其他类型的电池相比，例如锂离子电池、铅酸电池和为了减少电解液循环的能量消耗，可以设计具有低流体阻力和先进流动类型的堆叠结构。此外，利用适当的操作模式是降低能量消耗的更重要的方式。2. 成本产品成本是一项技术、经营模式和管理的综合指标，直接决定产品的例如，钒液流电池的高安全水平、高可靠性和超长寿命是无可争议的。根据我们的计算，当工作电流密度达到200 mA cm-2时，4 h能量/功率的锂液流电池系统的成本可达到223 USD（kW h）-1左右，而电压效率和电解液利用率分别保持在90%和80%以上[30]。如果成本大幅降低，将开辟更广阔的市场。液流电池行业的良性竞争、技术进步、规模化生产确实可以部分降低成本。然而，占整个系统很大比例的钒电解液的成本并不受这些因素的控制。事实上，钒电解质是可回收和可再循环的，这使得钒电池不同于其他储能系统。因此，钒电解质可以被视为金融资产，对冲钒液流电池的成本钒液流电池的电解液租赁是一种有前途的商业模式，可以大大减少投资，进一步降低运营成本。即使经过多年的重型使用，钒液流电池的电解液也可以完全回收，经过简单处理后再利用电解液租赁方案在资金和技术上都是可行的，值得推广。如果该模型成功，可以尝试将其应用于其他液流电池系统从市场的角度来看建立清晰合理的商业模式，将激发液流电池供应链各环节的积极性，有助于液流电池的可持续近年来，在能源政策的鼓励下，大量资本涌入储能行业。由于液流电池在安全性和可靠性方面的显著优势，其投资必然会增加。他们的上下游产业链应该迅速完善。原材料和元器件供应市场的竞争机制将迅速形成。毫无疑问，流量电池的成本将进一步降低，带来巨大的利润空间。对于投资者来说，这正是资本布局液流电池领域的合适时机。有意思的是，资本的合理使用可以吸引众多的人才，引进先进的设备，促进技术进步，提高市场竞争力，降低生产成本。在资本的推动下，下游液流电池产品将在短时间内成熟，催生整个行业的快速形成。合理引进和利用资金是降低成本、提高产品附加值、促进企业健康快速发展的关键液流电池3. 安全可再生能源需要非常安全可靠的储能解决方案，这对未来的智能电网也非常重要。安全性是任何先进电化学储能技术的先决条件。主流的液流电池通常使用水溶性电解质，赋予它们高度安全性的共同特征。与现有的各种其他有机电解质储能技术相比，液流电池更安全可靠。对生产安全、生命安全、财产安全的日益重视，正在激活液流电池--尤其是钒液流电池--在大容量储能技术领域的广阔市场空间。完善技术标准和检测认证体系，加强元器件和系统运行状态在线监测，推进安全技术标准和管理体系建设，强化安全管理，明确产业链各环节安全责任主体，将进一步促进液流电池安全运行，保障液流电池持续健康发展，快速发展。只要守住安全的底线，液流电池的市场竞争力将蓬勃发展，这将促成前所未有的市场爆发。4. 环境液流电池具有很强的环保优势。以钒液流电池为例，这些电池通常采用水性电解质，在电解质的制备、使用和后处理过程中不会对环境在电解液的操作和储存过程中不会释放有害物质然而，电池系统运行中可能存在的风险来自于电解液泄漏，这不仅会损坏电池系统的电路，使性能迅速衰减，而且会造成钒资源的浪费和环境污染。幸运的是，先进的液流电池系统制造技术、化学工业成熟的流体输送技术以及发达的检测/监控技术可以大大降低电解液泄漏和由此引发的事故的风险。重要的是，水性液流电池具有非常低的爆炸和火灾风险，这降低了电池系统中可燃物燃烧和释放有毒气体的可能性。此外，从结构的角度来看，液流电池的组件是独立的并且容易彼此分离退役液流电池的许多组件-包括高成本Y.阴和X。李工程21（2023）4244电解质-是可回收的。与锂离子电池相比，液流电池的回收可能更简单，资源回收率可能更高，经济性可能更好。也就是说，退役的液流电池不是废物，而是资源。近年来，世界各国相继实施了大量的流态电池示范工程，使流态电池的研究取得了但是，必须承认，目前的发展水平与大规模市场化还有一定的差距。扎实的技术支撑是液流电池投入和适应市场所需的基础。不断的技术进步和创新是更好地满足市场需求的有效途径，也是为液流电池注入无限活力的有效途径，无论其商业化阶段如何面对强大的市场需求和高质量标准，越来越多的研究机构和企业正在加大投入，提高液流电池的效率、功率密度、能量密度和高/低温稳定性。在液流电池的某些方面仍然需要增加努力（例如，电解质、电极/双极板、离子传导膜和堆系统技术），尽管已经取得了很大的进展。值得注意的是，降低液流电池系统的成本已成为近年来关注的焦点。建立或更新灵活的有竞争力的原材料供应体系，发展从原材料到液流电池电堆系统的高效标准化生产技术，是目前迫切需要的，也有利于提高液流电池的质量和竞争力。钒液流电池比其他液流电池系统更成熟即便如此，下一代液流电池技术仍需不断研发，以解决钒液流电池能量密度低、成本高的问题在这些电池系统中，水基锌基液流电池由于其低成本、高能量密度、环境友好和高安全水平而被预期具有很大的发展前景在本文中，我们分享了我们对液流电池的看法从四个方面，即能源密度、成本、安全和环境。我们坚信，随着研发的深入，钒液流电池的商业化进程将加快，这很可能推动其他液流电池系统的快速进步。固定式大规模电化学储能市场最终将选择液流电池技术。致谢作者感谢国家自然科学基金（21925804和U1808209）、中国科学院（CAS）战略性先导科技计划（A）（XDA 21070000）、中国科学院电化学储能工程实验室（KFJ-PTXM-027）、大连市高层次人才创新支持计划（2020 RD 05）和中国科学院青年创新促进会（2022184）的资助。引用[1] 贾X，刘春，Neale ZG，杨J，曹G.水溶液锌离子电池活性材料：合成、晶体结构、形貌与电化学。Chem Rev 2020;120（15）：7795-866。[2] 张 宏 ， 陆 伟 ， 李 翔 .液 流 电 池 技 术 的 进 展 与 展 望 。 Electrochem Energy Rev2019;2（3）：492[3] Kwabi DG，Ji Y，Aziz MJ. 水相有机氧化还原液流电池电解液寿命研 究 进展。Chem Rev 2020;120（14）：6467-89。[4] Yao Y，Lei J，Shi Y，Ai F，Lu YC.氧化还原液流电池的评估方法和性能指标。NatEnergy2021;6（6）：582-8.[5] 费格斯JW。用于锂离子电池的陶瓷和聚合物固体电解质。JPower Sources 2010;195（15）：4554-69.[6] KeC，Shao R，Zhang Y，Sun Z，Qi S，Zhang H，et al. 新型ZnS/Sn异质结构中异质界面和结构的协同工程原位封装在氮掺杂碳中，以实现高效的锂离子存储。高级功能材料2022;32（38）：2205635。[7] MaM，Zhang S，Wang L，Yao Yu，Shao R，Shen L，et al. 通过结构工程利用 MoS 3 阳 极 的 体 积 膨 胀 ， 以 实 现 超 越 锂 基 可 充 电 电 池 的 高 性 能 。 AdvMater2021;33（45）：2106232。[8] CaiM，Zhang H，Zhang Y，Xiao B，Wang L，Li M，et al. 通过在多孔碳球上设计用碳修饰的分级MoSSe纳米片来提高钾离子存储性能。北京科学通报2022;67（9）：933-45.[9] Thaller LH，发明人;美国国家航空航天局（NASA），受让人。可充电氧化还原液流电池。美国专利US 3996064。1976年12月7日[10] Dunn B ， Kamath H ， Tarascon JM. 电 网 的 电 能 存 储 ： 电 池 的 选 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