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推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)可再生能源的規(guī)模發(fā)展和替代是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵?？稍偕茉窗l(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，大規(guī)模并網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全性、可靠性帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

儲(chǔ)能技術(shù)可有效地調(diào)控可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定供電。因此，儲(chǔ)能技術(shù)是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，液流電池儲(chǔ)能技術(shù)具有安全可靠、生命周期內(nèi)性價(jià)比高、環(huán)境友好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)正負(fù)極電解質(zhì)溶液中活性電對(duì)種類的不同，液流電池可分為鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、全鐵液流電池、全釩液流電池等。

01

鐵鉻液流電池研究進(jìn)展

1974年，美國(guó)航空航天局(NASA)的Thaller等提出了第一個(gè)真正意義上的液流電池體系：鐵鉻液流電池體系，采用Fe3+/Fe2+//Cr3+/Cr2+作為正、負(fù)極氧化還原電對(duì)，硫酸作為支持電解質(zhì)，電池電壓為1.18 V。

研究者對(duì)鐵鉻液流電池技術(shù)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究，如電極優(yōu)化及設(shè)計(jì)、電解液體系優(yōu)化、催化劑篩選、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化等，為鐵鉻液流電池的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

2019年，國(guó)家電投中央研究院自主研發(fā)的首個(gè)31.25kW鐵鉻液流電池電堆“容和一號(hào)”成功下線并通過(guò)了檢漏測(cè)試；由8臺(tái)31.25kW鐵鉻液流電池電堆構(gòu)成的國(guó)內(nèi)首個(gè)250kW鐵鉻液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目于2020年在沽源戰(zhàn)石溝光伏電站投入應(yīng)用，該系統(tǒng)具備6h儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)(1.5MWh)，可有效提高光伏電站能源利用效率，標(biāo)志著國(guó)家電投自主研發(fā)的儲(chǔ)能技術(shù)正式投入應(yīng)用。

長(zhǎng)期研究表明，Cr3+/Cr2+負(fù)極電對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢、析氫副反應(yīng)嚴(yán)重的兩大弱點(diǎn)難以完全克服，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，由于正、負(fù)極電解質(zhì)溶液中鐵離子和鉻離子的微量互串，容易引起正、負(fù)極電解質(zhì)溶液中活性離子交叉污染，造成儲(chǔ)能容量的衰減問(wèn)題。

02

全釩液流電池研究進(jìn)展

全釩液流電池技術(shù)最早由澳大利亞新南威爾士大學(xué)Skyllas-Kazacos提出，該體系最大的優(yōu)點(diǎn)是正負(fù)極氧化還原電對(duì)使用同種元素釩，電解液在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可再生，避免了交叉污染帶來(lái)的電池容量難以恢復(fù)的問(wèn)題。

全釩液流電池正負(fù)極氧化還原電對(duì)的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)良好，在無(wú)外加催化劑的情況下即可達(dá)到較高的功率密度。而且該電池在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)明顯析氫、析氧副反應(yīng)，具有優(yōu)良的可靠性。因此，全釩液流電池技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行和市場(chǎng)開(kāi)拓階段。

傳統(tǒng)全釩液流電池電堆使用的膜材料主要是商業(yè)化的全氟磺酸離子交換膜，其成本較高且離子選擇性相對(duì)較差；此外，全釩液流電池電堆內(nèi)部存在流體、濃度、溫度等多場(chǎng)協(xié)同作用下的分布均勻性問(wèn)題，限制了高功率密度全釩液流電池電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及集成；在高功率密度電堆測(cè)試過(guò)程中，電堆產(chǎn)熱量大，對(duì)電解液溫度適應(yīng)性提出了很高的要求。

針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，研究者通過(guò)關(guān)鍵材料、液流電池功率密度、可靠性、高效集成等方面的創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出新一代全釩液流電池電堆，不僅提高了電堆的可靠性，同時(shí)提高了電堆裝配的自動(dòng)化程度，減少密封材料的使用，也降低了電堆的成本。

03

鋅基液流電池研究進(jìn)展

目前，以全釩液流電池為代表的液流電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)處于產(chǎn)業(yè)化推廣階段。但相比其他電池技術(shù)，全釩液流電池存在成本相對(duì)較高、能量密度偏低的問(wèn)題。與全釩液流電池不同，以金屬鋅為負(fù)極活性組分的鋅基液流電池體系具有儲(chǔ)能活性物質(zhì)來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，在分布式儲(chǔ)能及用戶側(cè)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

在眾多種類的鋅基液流電池體系中，鋅溴液流電池和鋅碘液流電池是為數(shù)不多的兩類正、負(fù)極兩側(cè)電解液組分(溴化鋅或碘化鋅)完全一致的液流電池體系，不存在電解液的交叉污染，電解液再生簡(jiǎn)單。

其中，鋅溴液流電池電壓高達(dá)1.82V，電池活性物質(zhì)濃度高，理論能量密度高達(dá)430Wh/kg，相同容量的液流電池，鋅溴液流電池所需電解液體積更少，實(shí)際應(yīng)用中占地面積更小。鋅溴液流電池也是目前技術(shù)成熟度最高的一類鋅基液流電池體系，在國(guó)外獲得了較好的發(fā)展。

除鋅溴液流電池儲(chǔ)能技術(shù)外，堿性鋅鐵液流電池也是目前較為成熟的一類鋅基液流電池儲(chǔ)能技術(shù)。 

原標(biāo)題：液流電池儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展