液流电池的工作原理

根据现在的科学技术发展，从太阳获取能量只是问题的一半——需要储存在某处以备日后使用。在流动电池的情况下，储存被视为一个大的桶液体。现在，由美国科学家团队领导的一个国际科研项目队伍发明了一种高效持久的新型太阳能流电池。

为生产这种设备，他们融合了好几种技术。这种带有氧化还原流电池的硅/过氧化氢联系太阳能电池，研究小组称这种电池将使我们可以在同个设备中收集和储存可再生能源。它不仅高效，而且便宜，简单，并且可以推广到家庭。

该方程式的能量收集部分将长期以来行业领先的材料硅与有希望的新兴过氧化物材料结合在一起。这些太阳能电池被证明比目前为止任何一种材料都要好，因为它们能捕捉不同波长的光。在电池组的液体流动，传统上这些设备包含两种液体，都被放在单独的槽中，作为电解液。来自太阳能电池的电为液体之一充电，因此可以无限期地将其留在其中，当两个容器中的化学反应产生电时，两个液体就会相互作用。

同时，他们也使用建模来确定什么材料将在理想标准下工作以最大化效率。他们确定了两种溶解在海水中的有机化合物，并用最终的物理设备对其进行了测试，事实证明这是很好的匹配。在实验中记录到20%的效率，这与最佳效率一致。这个装置可在将近一百小时内保持高效率和大容量的电量循环。这便让它的寿命比其他流动电池长得多，后者容易被酸性电解质腐蚀。

值得高兴的是，这项技术仍在继续改进和开发，从而使其提高更高的效率，同时降低成本，让大规模推广创造条件，以造福人类。

锌碘液流电池工作原理是聚烯烃多孔结构中充满的氧化态电解液可以溶解充放电过程中产生的锌枝晶，实现自恢复。大规模储能技术是实现可再生能源大规模利用的关键技术，液流电池因具有安全性高、循环寿命长、效率高等特点，是大规模储能的首选技术之一。

锌碘液流电池的发展

锌碘液流电池是液流电池技术的一种，因具有较高能量密度和环境友好等优势，近年来受到越来越多的关注。在前期研究中，科研团队通过优化电解液组成和膜材料，提高了锌碘液流电池的循环寿命和功率密度，但是，电解质利用率相对较低问题仍待解决。

科研团队提出了锌碘单液流电池的概念，与传统锌碘液流电池不同，锌碘单液流电池只有负极一侧具有流动循环系统，正极为固体。因此碘离子可以充电到固态碘单质，使得电解质的利用率接近100%，大幅提高了电池的能量密度，并同时提高了锌碘单液流电池的功率密度。

液流电池根据电极活性物质的不同，可以分为全钒液流电池、锂离子液流电池和铅酸液流电池等。

全钒液流电池是一种新型蓄电储能设备，不仅可以用作太阳能、风能发电过程配套的储能装置，还可以用于电网调峰，提高电网稳定性，保障电网安全。

仅供参考

电池是我们每个人都不陌生的一类储存并提供能源的装置，从一次性使用的干电池到汽车上的铅酸电池、电脑和手机上的锂离子电池等可反复充放电的蓄电池。电池保证了我们在远离电网时也可以随心所欲地用电，给生活带来了极大的便利。不过有一种电池，相信许多朋友比较陌生，它的名字叫液流电池 (flow battery)。那么液流电池是怎样的一种电池，与传统的电池相比又有哪些优点？要回答这些问题，我们首先要从目前如火如荼的新能源开发说起。

一位记者走过位于日本的一台液流电池装置

随着煤、石油、天然气等化石燃料的储量逐渐减少，以及燃烧化石燃料造成的温室效应问题日趋严重，各国政府都把开发利用新能源提到重要的议事日程上来。随着人们重视程度的提高以及相关技术的进步，太阳能、风能等可再生能源在电力供应中所占的比例越来越高。

然而与传统的火力发电相比，这些新能源形式有一个内在缺陷，那就是它们的正常运转受到自然条件的限制，造成电能的输出与用户的需求往往不能很好地匹配。例如用太阳能给一个住宅区供电，白天居民大多不在家，太阳能电池产生的电能供大于求，白白浪费掉；到了晚上居民下班回家，用电量激增，太阳能电池此时却又无法正常供电。

为了解决新能源不稳定的问题，我们通常需要提供一定的储能系统与之配合，在发电能力超过实际需要时将多余的电能转化为其它形式的能量储存起来，而发电能力不能满足需要的时候又可以将储存的能量重新转化为电能。可以说，开发与新能源配套的储能技术的重要性并不亚于开发新能源技术本身。

那么如何将多余的电力供应储存起来？我们可以通过修建抽水蓄能电站的办法，在电能过剩的时候用多余的电能将水从低处移动到高处，也就是将电能转化为水的重力势能，当供电能力不足时再让水从高处落下将水的势能转化为电能。我们还可以用多余的电能压缩空气，等到电能供不应求时释放被压缩的空气，使其推动发电机发电。

不过这些技术虽然可以将电能转化为其它形式的能量储存起来，在实际应用中仍然存在一定的局限，例如抽水蓄能电站的修建通常必须依赖于一定的地形。因此人们更希望用电池来完成这一任务，也就是将电能转化为化学能储存起来。尤其是可以反复充放电的二次电池，也就是俗称的蓄电池，更是辅助新能源的不二选择。

然而实践起来人们却发现，“老革命”遇到了新问题，许多业已成熟的电池技术却力不从心了。那么究竟是为什么呢？这要从常见电池的结构说起。

以经常用于汽车的铅酸蓄电池为例，它的基本结构是将二氧化铅和金属铅制成的电极插入到稀硫酸溶液中。当电路接通时，正极的二氧化铅得到电子变成硫酸铅，而负极的铅失去电子，也变成硫酸铅。当铅和二氧化铅的固体都变成硫酸铅后，我们就会发现，电池没电了。

如果这个时候我们将两边的硫酸铅分别与外加电源相连，在电流的作用下，连接电源正极的硫酸铅失去电子变成二氧化铅，而连接电源负极的硫酸铅得到电子变成铅。如果将外加电源撤去，铅与二氧化铅又可以发生化学反应并释放出电能，也就是说，电池的电量又重新被充满了。

除了铅酸电池，常见的镍镉电池、锂离子电池等蓄电池和碳锌电池（干电池）等一次性的电池，构成正负电极的材料也不仅仅是作为导体传递电流，而是同时参与电化学反应。也就是说，固体电极构成了电池储能的载体。这样的好处是很明显的：电池可以被设计得小巧紧凑，非常适合于“寸土寸金”的便携式设备。

然而将传统的蓄电池应用于新能源的储能却遇到了一个很大的麻烦：新能源供电的不稳定性意味着与之配套的储能设备需要能够很灵活地调节要储存能量的总量以及提供能量的功率。然而对于依靠固体电极的传统电池，一块电池能够储存多少电能，这些电能能够以多大的功率被释放出来，在它被封装好离开流水线的那一刻就已经被固定下来，使用者很难再去根据需要进行调节。

那么如何克服这个缺陷？解决的办法就是让固体电极只负责传递电流，储存电能的任务改由液态的反应物来承担，这也就是液流电池的基本原理。例如目前发展较为成熟的全钒液流电池，其基本构造是一个被选择性渗透膜隔开的腔体，腔体的两侧各有一个固体电极。如果我们在腔体的两侧分别加入含有两种不同钒离子的酸溶液，那么在电池放电时，两级分别会发生这样的反应：

总的结果是两种含有钒的化合物变成了另外两种钒的化合物，而反应中产生的电能就通过电极源源不断地输出到外部电路中。而电池充电时，上面这个反应又反过来进行。

液流电池的基本原理：在电池内部，正负极的反应物被半透膜隔开。无论充电还是放电，所有的化学反应都在溶液中进行，反应结束后溶液可以通过泵从电池中抽走，同时新的待反应的溶液从储料罐中被注入到电池内部。图片引自参考文献[1]

无论是充电还是放电，只要反应进行完全，那么能量的转化也就宣告结束。但与传统电池不同的是，对于液流电池，我们可以用泵将已经转化好的溶液从电池中抽走，再将尚未反应过的溶液注入到电池中，那么充电或者放电过程就可以继续进行。这种电池的能量转化不再依赖于固体电极，而是流动的液体，因此得名液流电池。

相比于使用固体电极的传统电池，液流电池有一个明显的好处就是赋予了使用者更大的自由来调节电池的性能。如果我们需要增加电池的储能容量，不需要改变电池的构造，只要把更多存有钒离子溶液的储料罐与电池相连，或者提高溶液中钒离子的浓度就可以了。如果需要提高电池的输出功率呢？也不难做到，只需要将几个相同的电池连接起来，增大两种溶液互相接触的面积，让单位时间内有更多的溶液发生化学反应。使用上的灵活性，让液流电池能够更好地发挥能量存储的功能。

与太阳能电池联用的全钒液流电池

与传统蓄电池相比，液流电池还有一个显著的优点就是电池变得更加容易维护。在前面我们提到，传统的蓄电池构成固体电极的材料总是在放电时转化为另一种物质，而充电时又变回到原先的物质，例如铅酸蓄电池中铅与硫酸铅之间的转化、镍镉电池中金属镉与氢氧化镉之间的转化等等。然而在实际操作中所发生的往往并不像写在化学反应式中的那么简单。例如构成电极的固体材料经过一个放电-充电循环，虽然回到了最初的化学组成，但是它的结构可能已经发生了改变，而这就不可避免地影响到电池的性能，甚至有可能造成安全事故。相反，在液流电池中，化学反应在溶液中进行，固体电极只是负责传输电流，较少受到各种副反应的干扰。因此，液流电池往往可以比传统的蓄电池经受更多的充放电循环而保持性能基本不受影响。

说了这么多液流电池的优点，我们也要谈谈它的局限性。由于不再像传统蓄电池那样将能量储存在固体材料中，液流电池难以避免的一个缺点是单位质量能够提供的电能要大打折扣，因为溶液的浓度再高，仍然会有大量的溶剂对于对电能的存储毫无贡献。这就好比同样大小的钱包，一个人将它塞满了钞票，另一个人却除了钞票还要放进草纸，两个人一起上街，谁能买到更多的东西自然不言而喻。例如前面提及的全钒液流电池，单位质量能提供的能量只有锂离子电池的20%左右[1]。即便液流电池并不用于便携式设备，人们仍然希望它们越小越好。另外，如何通过使用更为低廉的材料降低液流电池的成本也是目前研究人员努力的一大方向。

当然，有缺点并不可怕，关键是我们如何通过技术的进步来逐渐克服这些缺点。事实上，液流电池技术实际上早在上世纪70年代就已经出现，但直到近些年来人们才意识到它的价值。目前关于液流电池的研究已经成为相当热门的一个领域。相信在不久的将来，这种独特的电池技术能够为解决人类的能源问题发挥更大的作用。

参考文献

[1] Bruce Dunn, Haresh Kamath, Jean-Marie Tarascon, “Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices”, Science, 2011, 334, 928

（作者：魏昕宇）

1、SOFC

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量转换装置,具有一般燃料电池的结构。

2、RFC

氢燃料电池以氢气为燃料,与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。氢和氧反应生成水,不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,无污染,发电效益高。

3、DMFC

直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。膜电极主要由甲醇阳极、氧气阴极和质子交换膜(PEM)构成。阳极和阴极分别由不锈钢板、塑料薄膜、铜质电流收集板、石墨、气体扩散层和多孔结构的催化层组成。

1.应用范围广

可用于风电市场、国家电网调峰、新能源电动汽车电源、ups电源和EpS应急电源、配电、特种蓄电池和光伏发电。

2.灵活的设计理念，良好的充放电性能和高容量。

钒电池的功能非常灵活，功率和体积都可以独立设计。额定功率的关键在于电堆，可以通过改变单电池数量或电极面积来提高。体积的重要关键是钒离子的量，可以通过提高电解液的体积和钒离子的浓度来构建。

3.该系统可全自动封闭运行，制造成本低，环保无污染。

对环境具有高自然适应性的电池的性能受环境温度的影响较小。当环境温度完全恢复时，电池容量也可以完全恢复。该系统可在全自动封闭模式下工作，不会产生有机气体和废电解液。

4.不像锂离子电池那么容易引起爆炸，安全性高。

戒备森严。由于其活性物质存在于电解液中，不会引起图像变化，可以深度放电，不影响电池寿命。此外，反应过程中不会产生H2等气体，不存在爆炸危险和短路故障。

5.高能效、高性价比、长寿命

长寿。深度放电循环性能强，过放电后再充电即可轻松完全恢复容量，超深度放电不会对电池造成不可逆的损伤。

缺点:1.储能技术成本太高，难以大规模应用。

全钒氧化还原液流电池储能技术成本还是比较高的。这给大规模应用带来了困难。

2.技术生产工艺不稳定，漏技术没有攻克。

钒液流电池还受到电解液、离子交换膜等重要材料的制约。最终会有多大的进步取决于技术和市场。

全钒液流电池的发展前景作为储能领域的新秀，为什么全钒氧化还原液流电池会受到如此多的关注？全钒氧化还原液流电池未来发展前景如何？为此，记者采访了多位业内人士。

安全性和可回收利用的优势显而易见。

全钒氧化还原液流电池通过不同价态的钒离子的相互转化，实现储存和释放化学能的充放电过程。不同于目前储能电站的主流电池——采用非水电解液的锂离子电池，由于全钒液流电池的电解液离子存在于水溶液中，过热爆炸的可能性大大降低，液流电池的安全性能使其在电池领域脱颖而出。

“坦率地说，锂离子电池仍然面临着安全问题的挑战。锂离子引发的爆炸事故不仅仅是经济损失的问题，更是严重的人身伤害。”中科院大连化物所清洁能源国家实验室储能技术研究部主任张华敏说，“但全钒电池是稀硫酸和钒的水溶液，只要管理得当，不存在爆炸的危险。”

北京普能世纪科技有限公司在全国多地建设了全钒液流电池储能项目。该公司亚太区经理邝振仁告诉记者，“与锂离子电池相比，全钒氧化还原液流电池具有突出的特点。最大的特点就是安全。全钒氧化还原液流电池可以做到兆瓦级和百兆瓦级。做电动车规模的锂离子电池更合适，但是做大了就没那么安全了。”

同时，张华敏指出，全钒氧化还原液流电池的另一个优势是其电解液在废物回收后可以重复使用。近年来，随着电动汽车产业的扩大，大量废弃的锂离子电池因重金属镍和钴而不得不进行大规模回收，这已成为行业内亟待解决的问题。而全钒氧化还原液流电池的充放电主要是由于钒离子价态的变化。张华敏指出，“电解液在充放电过程中不会产生杂质和环境污染物，回收的电解液经过处理后仍具有使用价值，相当于一种可以保值的‘半永久’产品。”

值得一提的是，全钒氧化还原液流电池除了具有安全、可循环利用的优势外，寿命周期相对更长，目前建设的储能电站使用寿命可达15年左右。“全钒氧化还原液流电池储能电站建设成本较高，但千瓦时电成本可能低于锂离子电池。”匡仁说。原材料成本波动。虽然全钒液流电池具有突出的优势，但作为稀有金属，钒的原料成本是限制全钒液流电池发展的重要因素。据了解，钒通常以化合物的形式存在于地壳中，其重要分布区域为中国、俄罗斯和南非，其中中国的钒资源约占全球总量的1/3。“在材料掌握上，全钒液流电池的关键材料钒在国内具有矿山产区优势，因此具有开发价值。”咨询公司EnergyTrend的研究经理卢说。事实上，钒的用途非常广泛，最重要的应用是在钢铁工业中。作为铁的合金元素，钒可以提高钢的硬度。早在2012年，国家发改委就发布了《钒钛资源综合利用及产业发展“十二五”规划》，提出了提高资源利用水平、淘汰落后产能的要求。“2018年钒的表现非常突出，一度涨到2017年价格的5、6倍。”匡仁说。之所以出现如此大幅的上涨，业内分析认为，一是因为2018年国家提高钢标，使得原料钒的需求大幅增加；二是由于国家环保政策“一刀切”，部分钒矿因环保不达标而关停，导致钒供应量减少。据记者了解，目前全钒液流电池储能电站的成本中，钒电解液的成本占到60%以上。“如果钒的价格能回到正常水平，降低成本将非常重要。”不过，钒的价格上涨也带动了钒矿开发商的热情。从市场来看，钒的供应近期有所回暖。邝振仁说，“从2018年底开始，钒的价格下降了。预测2019年钒价将继续下行，但未来仍要看政策和市场的综合表现。”产业链的形成还需要时间。资料显示，近年来全钒氧化还原液流电池的电成本大幅下降。2015年全钒液流电池储能电站电费约4500元。据预测，到2020年，电费将降至2000元。随着电池成本降低，技术优势明显，全钒液流电池离规模化发展还有多远？“全钒氧化还原液流电池研发时间比较短。目前国家对氧化还原液流电池的支持力度比较小。从科研经费和产业支持来看，国家对全钒液流电池的投入远远小于对锂离子电池的投入。像锂离子电池这种从材料到应用的完整产业链的形成还需要时间。”张华敏坦率地说。此外，记者了解到，由于钒在水中的溶解性，全钒氧化还原液流电池与锂离子电池和另一种储能“热点”全固态电池相比，始终存在能量密度低的缺点。电解质溶液导致相对较大的电池体积，这需要复杂的管道系统。所以液流电池不适合电动车等移动设备，仅限于固定储能。虽然它的应用仍然有限，但许多行业专家都对它表示了信心。“如果加大投入，全钒氧化还原液流电池在性能和成本控制上还有很大的发展空间，远没有触及‘天花板’。”张华敏说。鲁也认为，全钒氧化还原液流电池在低温或极端高温环境下会比锂离子电池、铅酸电池更安全可靠，仍有其特定的市场需求。

储能发展可以说是实现双碳的必由之路。储能，简单来说就是将能量储存起来，以便在需要的时候释放使用的过程。为了实现“30·60”碳达峰、碳中和目标，我国决定将逐步建立新能源为基础的新型电力系统。近年来我国的可再生能源发电的发展迅速，装机占比已经从2011年27.7%提升至2021年45.4%。根据国家能源局的目标，到2025年我国新能源装机占比将进一步提升至50%以上，新能源发电的地位越发重要。

一方面，通过配置储能可以实现可再生能源发电的削峰填谷，即将风光发电高峰时段的电量储存后再移到用电高峰释放，从而可以减少弃风弃光率；另一方面，储能系统可以对随机性、间歇性和波动性的可再生能源发电出力进行平滑控制，从源头降低波动性，满足可再生能源并网要求，为未来大规模发展应用打好基础。

那么储能的应用场景还包括电网侧、用户侧，随着电网灵活性需求的增加和商业模式逐渐理顺，也将一同驱动储能的规模化发展。在电网侧，储能电站目前主要用于提供电力市场辅助服务，比如系统调频。由于电网频率的变化会对电力设备的安全高效运行以及寿命产生影响，储能、尤其是电化学储能的调频效率较高，能在电网侧发挥重要保障作用。除了提供辅助服务以外，储能设备还可以缓解电网阻塞、提高电网输配电能力从而延缓设备升级扩容等。

智能风电解决方案

为了使风力发电得到集中化管控，提升用户企业数字化、智能化水平，实现数据可视化管理，打造一套适配新能源的三维可视化集中管理模块就成了新的主流趋势。Hightopo实现可交互式的 Web 风力发电数字孪生三维场景。可根据时间和天气接口实现白天、黑夜、晴、阴、雨的切换，呈现出与现实世界一致的时空状态。

1、升压站监测

风电场升压站是指将风电机组的输出电压升高到更高等级电压并送出的设施。由于风机大多为异步发电机，风电场在发出有功功率的同时会吸收无功功率，且风电机组大多不能进行持续有效的有功、无功调节，如不采取相应的控制措施，可能对电网的无功、电压稳定性造成影响，或者增加电网的网络损耗。

为解决大规模风电场并网运行时带来的送出系统电压稳定问题，风电场汇集升压站内无功补偿方式一般采用静止无功发生器（SVG）和并联电容器组联合运行的方式。点击升压站三维模型可跳转至升压站视角，展示站内主要观测数据，如环境信息、负荷统计、风功率预测、消防检查信息、巡检车信息等。

2、环境信息

图扑软件数字孪生三维可视化系统中的升压站环境信息监测主要整合了整个风电基地的天气、平均温度、主要风向、平均风速数据，方便实施把控风场大环境信息。

3、风功率预测

用图扑软件丰富得可视化图表组件，双曲线图的形式展现风电基地整体实时功率与预测功率，方便管理人员随时进行决策分析，有效进行节能减排。

4、配电室

点击 Hightopo 智慧风电监管平台的 3D 升压站内配电室建筑模型，可跳转至配电室内部，主场景采用写实风格还原配电室的内部布局，点击相应配电柜可显示不同主变高压侧测控的数据。

5、生产监测

风力发电机因风量不稳定，且对电力系统运行的支撑能力不如其他发电领域，所以对风电基地设施的监测数据更需要具备时效性。将风电场的关键生产数据集中于界面的左右两侧，为管理人员提供直观的数据展示，及时掌控。

图扑软件三维可视化技术采用 B/S 架构，页面自适应多种分辨率，用户可通过 PC 、 PAD 或是智能手机，只要打开浏览器可随时随地访问三维可视化系统，实现远程监查和管控。

利用图扑软件的可视化场景将智能设备的实时运行参数接入两侧的 2D 面板，将项目概况、实时指标、机组状态、环境参数、发电统计、节能减排等复杂、抽象的数据以丰富的图表、图形和设计元素展现，实现集中管控。通过对历史数据的融合分析，管理者可实现资源的优化配置，构建智慧风电管理系统。

6、实时指标

通过图扑软件 HT 2D 面板可以实时观测整个风电场总的风电负荷，从“风机预警处理率”以及“未处理风机数”可及时进行事件决策与处理。

7、环境参数

风速及风向的变化对大型风力发电机的发电量有较大的影响，可将环境监测系统接入图扑软件的可视化场景，完成对能见度、降水量、风速、温度的实时监测，在恶劣天气来临前做好应对措施。

8、发电统计

发电量是生产监测模块管理人员最关注的数据，面板中展示了当日发电量、当月发电量以及累计发电量；用柱状图的形式展现了所有风力发电机日发电量排行情况。

9、节能减排

通过图扑软件的可视化系统远程监测风电基地氮氧化合物的排放数据并作统计，可遵循规律达到节能减排的最优解。

10、机组状态数量

运用图扑软件的多样化图表形式，显示正常发电、带病发电、待机、自身限功率、计划停机、通讯中断的风力发电机数量，方便实时获取全场风机的运行状态。

短期来看，政策是我国储能装机发展的主要驱动力，而系统经济性的提升才能打开中长期规模化发展的空间。因而，随着市场机制的逐步改善。储能系统经济性的拐点也在“渐行渐远”。

新能源长期稳定提供电力保障的能力较差，且受气象数据滚动更新影响，新能源功率预测仍然与实际结果存在偏差。新能源大规模接入使既有常规电源和抽蓄调节能力消耗殆尽，“源随荷动”的平衡模式难以为继，系统平衡调节能力亟待提升，需加快构建“源网荷储”互动的新型电力系统。