当前位置：文档之家 › 液流电池研究进展

液流电池研究进展

  • 格式：pdf
  • 大小：334.72 KB
  • 文档页数：7

第11卷　第3期2005年8月电化学

ELECTROCHEMISTRYVol.11　No.3Aug.2005

文章编号:100623471(2005)0320237207

收稿日期:2005202229,修订日期:2005205213　3通讯联系人,Tel:(862592)22185905,Email:qfdong@xmu.edu.cn

973项目(2002CB211800),国家自然科学基金(20373058),福建省科技项目(2003H044)资助液流电池研究进展

董全峰31,张华民2,金明钢1,郑明森1,詹亚丁1,孙世刚1,林祖赓1

(1.厦门大学化学系,厦门大学宝龙电池研究所,固体表面物理化学国家重点实验室,福建厦门361005;

2.中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心,辽宁大连116023)

摘要:　和通常熟悉的以固体或气体材料作电极的化学电源不同,液流电池的活性物质是流动着的电解质

溶液,是一种可实现规模化储能的电化学装置.本文简要综述液流电池的发展历史及其研究现状,瞻望发展

前景,并提出它存在的主要问题.

关键词:　液流电池;氧化还原电对;电解质溶液;离子交换膜

中图分类号:　O646;TM911 文献标识码:　A

资源和环境将是最终制约人类社会发展的决

定因素.为了整个社会的可持续发展,充分开发和

利用可再生能源已成为十分迫切的要求,而与之

配套的具有一定规模的电化学储能装置则是实现

可再生能源发电的重要途径.到目前为止,人们已

提出和开发了多种储能技术,主要可分为物理储能

和化学储能两大类.物理储能主要包括扬水储能

和压缩空气储能.这两种储能系统虽然具有规模

大、能量转换效率高、循环寿命长和运行费用低的

优点,但需要特殊的地理条件和场地,建设的局限

性较大,且一次性投资费用也较高.化学储能,主

要包括各种蓄电池和电解水制氢2储氢2燃料电池

发电.由于大规模储氢目前尚难以实现,且燃料电

池价格高,能量循环转换净效率低,故这种燃料电

池用于规模储能也不现实.蓄电池中的锂离子电

池、钠硫熔融电池、铬镍电池及超级电容器等也不

适于用作大规模的蓄电技术.纵观不同类型的化

学蓄电池,液流电池将会以其自身的显著特点而成

为规模蓄电的最佳选择.液流电池从提出到现在

已有30余年的历史,其发展过程不像某些化学电

源(如锂离子电池)那样,在一个时期内集中了大

批的研究者而迅速地成长起来,这与整个社会的需

求和人们的认识息息相关.如今,随着可再生能源

的不断应用,大规模高效蓄能技术的研究开发会成为国际上能源领域的热点.在强大的社会发展需

求和巨大的潜在市场的推动下,大规模、高效率、长

寿命、低成本、无污染的液流蓄电池将迎来一个蓬

勃发展的新时期.本文简要综述液流电池的研究

概况,提出了目前还需深入研究的一些问题,并展

望其今后可能的发展前景.

1　研究液流电池的意义

作为一种较大型蓄电设施,液流电池的储能规

模介于电网和各种便携式电池之间,正好可填补大

型电网和小型电池间的空白.因而在很多领域可

发挥其独特的作用.如液流电池可实现区域供电,

在一个独立的地域空间自行配备稳定供电设施并

离网运行;液流电池也可用于电网调峰.电网的用

电负荷,在白昼是一个用电高“峰”,在夜间则是一

个用电低“谷”.“谷”期的负荷甚至不及“峰”期的

一半.在电力紧张时,“峰”期须拉闸限电,影响正

常的生产和生活.而在“谷”期,电站则要降低发电

机的功率.降低发电机的功率,对于水力发电和火

力发电而言,在一定程度上可以做到,但这等于闲

置了很大规模的发电机组,使得发电的成本增高.

核电站适宜恒定功率运行,很难调低发电机的功

率,因此更需加强电网的“峰谷”调节功能;液流电池还可用作重要军事设施的应急电源和重要部门非常时期的备用电站.现代战争某种意义上讲是数字化、信息化战争,军事基地和指挥部门等不能

有须臾断电,因此应急备用电源是军事设施必要的

装备之一.目前使用的柴油机发电,噪音大、红外

辐射强,不利于隐蔽.常规潜艇所用铅酸电池的比

能量低限制了潜行航程,充放电循环寿命短降低了

潜艇的作战能力.目前,国际工业发达国家均将大

规模高效蓄电技术的研究作为其政府高科技研究

计划的主要内容之一[1].例如日本的“新阳光计

划”、美国的“DOE项目计划”及欧盟的“框架计

划”都将储能技术作为研究重点.英国、日本及美

国等国家已经建造了MW级示范演示系统.如,

2001年Innogy公司美国一空军基地建造了一座

PSB蓄电系统,规模达120MWh/12MW,2004年投

入使用,在非常时期可为该空军基地提供24h的

电能.

2　液流电池及其特点

2.1　液流电池及其基本结构

液流电池(FlowRedoxCell)或称氧化还原液

流蓄电系统,最早由美国航空航天局(NASA)资助

设计[2],1974年由ThallerL.H.[3]公开发表并申

请了专利[4].与通常蓄电池的活性物质被包容在

固态阳极或阴极之内不同,液流电池的活性物质以

液态形式存在,既是电极活性材料又是电解质溶

液.它可溶解于分装在两大储液罐的溶液中,各由

一个泵使溶液流经液流电池,在离子交换膜两侧的

电极上分别发生还原和氧化反应.图1是其单元

电堆装置示意图,它分别由两个具有不同电极电位

的液体电对作正、负极,该单电池可通过双极板串

联成“电堆”,形成不同规模的蓄电装置,这种电池

没有固态反应,不发生电极物质结构形态的改变.

与其它常规蓄电池相比,具有明显的优势.

2.2　液流电池的特点

液流蓄电系统的功率取决于电池的面积和堆

的节数,储能容量则取决于储液罐的容积,两者可

单独设计.因而,设计的灵活性大,易于模块组合,

受设置场地限制小,蓄电规模易于调节[5～7].各单

池的反应物流体相同,容易保证电堆的一致性和均

匀性,并可通过某几个单池来监测整个系统的充放

电状态.也可以利用连接含有不同单电池数的电

池组段构成分立的负载,以提供不同的输出电压.

当负载变化或放电深度增加时,

可用附加电池维持图1　液流电池单元电堆装置示意图

Fig.1　Theschemeofaflowredoxcell

恒定的输出电压,并利用“再平衡电池”连续校正

阳极区和阴极区因物流不平衡引起的轻微副反应.

理论上讲,液流化学蓄电系统的寿命长,可靠性高,

无污染排放和噪音,建设周期短,运行和维持费较

低,是一种高效的大规模储存电能装置[8～13].

3　液流电池中的电对

液流电池较早提出的有Ti/Fe[14,15]、Cr/

Fe[16～18]及Zn/Fe[19]等体系,比较成熟的是多硫化

钠/溴[20](PSB)和全钒[21～23](VRB)体系,近年又

有V/Ce[24]、钒氯化物/多卤化物[25]、全铬和

Mn3+/Mn2+半电池[26]以及其它新体系的研

究[27,28].其中Cr/Fe和Ti/Fe体系的应用主要受

制于负极Cr3+/Cr2+的动力学特征和Ti(III)的氧

化沉淀.而由铬与EDTA络合组成的全铬体系,其

正极电对的反应速率慢且受到副反应的干扰;又

如高电位电对的Ce(III)/Ce(IV)体系,因在H2SO4支持电解液中易形成复合离子[29],导致离子扩散

阻力增大和电对可逆性下降;钒氯化物/多卤化物

体系的活性离子也是复合离子,同样存在与Ce电

对类似的问题;Mn3+/Mn2+电对的电位比Ce3+/

Ce4+更高,易受析氧副反应影响,当其H2SO4溶液

浓度略高时即产生沉淀,且反应动力学迟缓.为解

决上述问题,需深入研究配位化学和支持电解质在

液流蓄电系统中相关电对的动力学特征,抑制电解

质溶液沉淀和析氧/析氢副反应,提高溶液浓度和

离子扩散系数,进而从根本上提高液流电池的性

能.

液流电池的两个电极由不同电位的两个液流

电对组成,充电时,在离子交换膜的一侧,其高电位

电对的活性物质于电池的正极从低价态氧化成高・832・ 电　化　学2005年价态.另一侧,低电位电对的活性物质在电池的负极由高价态还原成低价态.放电时,以上两过程反

向进行.例如,对多硫化钠/溴电堆液流蓄电体系,

其正极区电解液为溴化钠,负极区电解液为多硫化钠.充、放电时正、负电极各发生如下反应:

正极:

Br2+2Na++2e-dischargecharge2NaBr(1)

负极:

(x+1)Na2Sxdischargecharge2Na++xNa2Sx+1+2e-

(2)

x=1～4,此一单电池的开路电压为1.54～

1.61V.

全钒氧化还原液流电池正极电对为

VO2+/VO2+,负极电对为V2+/V3+.其充放电时,

电极反应分别如下:

正极:

VO2++H2O-e-dischargechargeVO2++2H+(3)

负极:

V3+

+edischargechargeV2+(4)

相应的开路电压约1.6V.

液流电池的充放电特征和普通电池并无显著

不同,图2是Ce/V电池和全钒电池在全充全放情

况下的充放电曲线.

迄今为止,可成功用于液流电池体系的电对并

不多,探索新电对,构建新体系是一项很有意义且

充满希望的工作.一般来讲,一个理想电对应具

有:溶解度大、化学性质稳定、电极反应可逆性高、

无析氧/析氢副反应、电对间的电位差大等特点.

此外,非水体系也是一个值得深入研究的新领域.

4　离子交换隔膜

离子交换膜[30～33]是液流电池的重要组成部

分,要求具备高离子选择性、高离子传导率及良好

的化学稳定性[34].常见的离子交换膜主要有两

类,即Nafion膜和聚烯烃类膜.Nafion膜价格昂

贵,而且大多数离子在膜内渗透严重,易造成膜的

堵塞.聚烯烃类离子膜化学稳定性欠佳,影响系统

使用寿命.对此,制备性能优良的新型离子交换膜

是目前研究中的一个热点问题

.

针对不同的液流电池体系,一些研究者分别合图2　Ce/V和全钒电池在全充全放下的充放电曲线

Fig.2　Charge2dischargecurvesoftheCe/Vandall2Vredoxflow

batteryat100%DOD

currentdensity:80mA/m2,solutionvolume:300mL,

flowrate:25mL/min

成了含磺酸基[35,36]、羧基、季铵基等杂环联苯聚芳

醚等一系列膜材料[37,38].为了提高膜的亲水性,

通常采用共聚方法,即在聚合物主链中同时引入磺

酸基或羧基,或采用含季铵基的离子膜和含磺酸基

或羧基的离子膜复合等方法,以期在提高离子选择

性的同时提高离子传导率.研究中还同时应用现

代分析技术对合成的离子交换膜进行表征,包括膜

的离子传导率、离子在膜内的扩散系数和膜的离子

迁移数等的测定,研究离子交换膜材料的主链结构

和离子基团种类(磺酸基、羧基、季铵基等)、数量、

分布以及离子交换膜的微观结构等对膜的选择性、

离子传导性的影响[39,40].表面处理和修饰可以改变膜的性能[41～43],例

如,可利用辐射接枝等方法作膜的表面改性,或以

多元胺等作交联剂使膜内聚合物适当交联,目的是

提高膜的强度及其抗腐蚀性能,从而提高膜的使用

寿命[44];又如,应用接枝技术在现有膜材料上引入

不同的功能基团,以提高膜的亲水性、获得大小适

中的膜孔、降低水及相关离子的透过率,从而提高

膜的离子传导率[45].

离子在膜内的传递速率是衡量膜性能的重要

指标,研究物质在离子交换膜内的传递机理将为提

高离子传导率提供可靠依据.深入认识并建立离

子在交换膜内的传递模型,研究在系统运行条件下

物质与阳/阴离子交换膜内离子基团的相互作用,

合集下载

全钒液流电池电极研究进展

全钒液流电池电极研究进展

全钒液流电池电极研究进展

苏秀丽;杨霖霖;周禹;林友斌;余姝媛

【摘 要】本文介绍了钒液流电池电极材料的研究现状.详细介绍了电极种类、电极材料的改性途径、改性效果,并对电极的老化机制进行了分析.全钒液流电池(VFB)电极材料改性的方法主要包括增加电极催化活性和增大电极电化学反应面积两种方式.通过对电极进行热处理、酸处理,可以改变电极表面结构,提高电极催化活性,从而提高电极反应可逆性.通过在电极表面生长碳纳米管或者负载石墨烯、氧化铱等而制备的复合电极材料,以及采用天然废弃物制备的多孔碳电极,可以达到同时提高电极表面催化活性和增大电极电化学反应面积的效果.还可以通过制备电极和双极板复合一体化电极,降低电池的接触电阻,减小电池极化.而电极的化学降解及电化学降解对于电极的寿命会产生影响,而且对电池负极的影响比正极更加明显.最后,总结了VFB电极材料的现状并展望了未来研究发展的方向.

【期刊名称】《储能科学与技术》

【年(卷),期】2019(008)001

【总页数】10页(P65-74)

【关键词】全钒液流电池;储能;电极材料;石墨毡

【作 者】苏秀丽;杨霖霖;周禹;林友斌;余姝媛

【作者单位】上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070 【正文语种】中 文

【中图分类】TK02

全钒液流电池（VFB）作为大型电化学储能 技术，自问世以来，在可再生能源发电领域备受 关注[1-4]。将储能技术应用于可再生能源发电，可有效解决再生能源发电存在的间歇性和并网困难等问题。全钒液流电池采用水系电解液，因此表现出优越的安全性[5]，而且正负极之间也不存在元素的交叉污染[6]。全钒液流电池的循环寿命高达10000次以上，其使用寿命不低于10年[7]。

我国自主研发全钒液流储能电池取得重要进展

我国自主研发全钒液流储能电池取得重要进展

６８　关于某１１０ｋＶ　ＧＩＳ变电站接地网方案的效果分析及补充设计　行，设计方案根据施工阶段的测量结果不断修　正。　５．补充设计方案的理论计算及实施效果　基于本站的特殊性，方案最终确定采用深斜　井结合的降阻措施，主要分两个阶段。　第一步：拟在离主干道路较远的地网外缘两　侧做４口深约５０ｍ接地深井（群１～≠｝４），每口深井安装　Ｉ￣ＡＬＧ防腐离子接地极，并在井内敷设降阻剂，　由公式：　：　ｆｌｎ　一１１×Ｋ　计算单个接地深井接地电阻：Ｒ＝３．９１ｆｆ￣　Ｐ一综合等值土壤电阻率３５０Ｑ・ｍ；Ｌ一电极长　度（５０ｍ）；Ｄ一接地等效直径（０．１３ｍ，施工厂家提　供）；１　一灌注ＨＣ高能回填料调节系数取２０—２５％，　灌降阻剂的调节系数取６５％，综合取值０．５。　４口接地深井并联后接地电阻（屏蔽系数Ｔ１取　０．７５，深井间距接近电极长度）：Ｒｓ＝　３．９１／４／０．７５＝１＿３０Ｑ　接地深井与主地网并联的接地电阻（屏蔽系数　。‘　击　１．７　１．３　第二步：在靠近主干道的两侧地网外缘布置　６口斜井，沿两条主干道两侧先呈４５。打斜井至低　土壤电阻率层后再沿主干道两侧绿化带近似水平　掘进，每口斜井总长约１１０ｍ。外引斜井电阻值按　２．０－２．５Ｑ／口考虑（经验估算值，作者目前暂未找到　合适的斜井计算公式）。　６口斜井并联后的接地电阻（屏蔽系数”取　０．８５）：ｉｔ，＝２．５／６／０．８５＝０．３９～０．４９Ｑ　并入主网后，本站复合地网的接地电阻（屏蔽　系数１１取０．８５）：　２＝１　／　ｌ——　０．８７　尺　＝０．３２～０．３７　Ｑ　２００７年５月，本站接地网施工结束，经建设单　位验收，接地电阻值为０．３４，处在理论计算值范　围，满足小于０．５Ｑ的要求。　６．结束语　通过某１　１０ｋＶ　ＧＩＳ站的接地实践说明：　１）对于变电站的接地网设计，需考虑场地的　土壤电阻率在水平和垂直两个方向上的分布情　况，并多次测量以求取综合等值土壤电阻率，同　时结合站址的实际情况，经比较论证后，再制定　较为合理的设计方案。　２）非金属接地模块埋置地层的电阻率应为表　层土壤电阻率，而不是站区场地的综合等值土壤　电阻率，对于表层土壤电阻率偏高的场地不宜采　用埋深较浅的垂直接地模块。　３）深斜井结合是降低接地网电阻的有效方法　之一，特别适用于占地面积小、无外引、表层土　壤电阻率偏高而下层又有低电阻率土壤层的场　地。最近对湛江２座常规变电站（位于近海的海岛　上，表层土壤电阻率偏高，地质状况相似）接地网　也采用了深斜井结合的复合降阻方式，均取得了　较为理想的降阻效果。　参考文献：　【１］李景禄．实用电力接地技术．中国电力出版社，　２００４．１　０．第２版　【２］陈家斌．接地技术与接地装置．中国电力出版社，　２００４．１．第２版　作者简介：　谷卫芝（１９８２一），女，助理电气工程师，主要从事变　电一次设计工作。　ｌ堡墅Ｉ　我国自主研发全钒液流储能电池取得重要进展　我国自主研发的全钒液流储能电池ＬＥＤ屏幕示范系统，已无故障连续运行超过一年，累计运行时间超过８８００ｔＪ￣时，从而标志　着全钒液流储能电池研究与应用取得重要进展。　全钒液流储能电池是一种电能储存装置，主要由电池模块、电解质溶液和电解质溶液储存输送体系以及能量管理控制系统等　部分组成。与其它化学储能技术（如二次电池、电化学电容器等）相比，全钒液流电池在规模储能方面具有能量转换效率高、蓄电容　量大、运行安全和环境友好等优点，因此成为大规模储能技术研究的首选目标之一。　全钒液流储能电池研究和应用由中国科学院大连化学物理研究所的研究小组具体实施。ＬＥＤ屏幕示范系统由千瓦级电池系　统、能量管理控制系统￣１３ＬＥＤ屏幕（负载）三部分组成，其核心是额定输出２ｋＷ的全钒液流电池系统，具有稳定、持久的供电特性。　大连化学物理研究所已成功研制出１００ｋＷ级全钒液流储能电池系统。这个系统由１０个额定输出为１０ｋＷ的全钒液流电池模块组　成。目前，系统的设计、集成和调试等工作已完成。

锌碘液流电池的体积能量密度

锌碘液流电池的体积能量密度

锌碘液流电池的体积能量密度

1. 引言

1.1 研究背景

目前，锌碘液流电池的体积能量密度是一个重要的研究方向。体积能量密度是指单位体积电池可以储存的能量，通常以Wh/cm3为单位。提高锌碘液流电池的体积能量密度可以增加电池的续航里程，减轻电动车的重量，并且在小型电子设备中也有广泛的应用前景。

研究锌碘液流电池的体积能量密度具有重要的理论和应用意义。通过深入探究锌碘液流电池的原理和计算方法，可以为优化提高体积能量密度提供理论支持。相关研究进展和实验结果与分析也将进一步揭示锌碘液流电池体积能量密度的影响因素和改进策略。在未来的研究中，我们希望能够进一步提高锌碘液流电池的体积能量密度，实现更高效的能源存储和利用。

1.2 研究目的

本研究旨在探索锌碘液流电池的体积能量密度，并分析其在能源领域的应用潜力。具体目的包括：

1. 分析锌碘液流电池的原理，揭示其在能源转换过程中的工作机制； 2. 探讨锌碘液流电池体积能量密度的计算方法，为电池设计和优化提供理论支持；

3. 总结相关研究进展，了解目前在锌碘液流电池领域的研究现状；

4. 探讨优化提高体积能量密度的方法，寻找提升锌碘液流电池性能的途径；

5. 通过实验结果与分析，验证计算方法的可靠性，探讨锌碘液流电池体积能量密度的实际表现；

6. 总结研究成果，展望未来研究方向，为进一步深入研究锌碘液流电池提供参考。

1.3 研究意义

锌碘液流电池是一种新型的能量存储设备，在当今社会中具有重要的应用价值。研究锌碘液流电池的体积能量密度可以为电池设计和优化提供重要的参考依据。通过对其体积能量密度的研究，可以实现电池的高效能量储存和释放，提高其在实际应用中的功效。锌碘液流电池具有环保、可再生的特点，研究其体积能量密度也符合当今社会对绿色环保能源的需求。

研究锌碘液流电池的体积能量密度还可以促进电池技术的发展和进步。随着科技的不断进步，人们对电池的性能和能量密度要求也越来越高，研究锌碘液流电池的体积能量密度可以促进电池技术的创新和提升，推动整个能源存储领域的发展。研究锌碘液流电池的体积能量密度具有重要的意义，对于推动新能源技术的发展和实现可持续发展目标具有重要的意义和价值。

全钒液流电池发展现状

全钒液流电池发展现状

全钒液流电池发展现状

全钒液流电池是一种能够储存电能并作为电源供应的电池技术。它主要由负极、正极和电解液组成，其中负极和正极都是由钒离子溶液构成的。

全钒液流电池具有以下特点：

1. 高能量密度：相比传统的铅酸电池和锂离子电池，全钒液流电池具有更高的能量密度，能够更有效地储存和释放电能。

2. 长寿命：全钒液流电池具有很长的寿命，可以经受数千次的充放电循环而不损坏，这使得它们非常适合用于持续供电和储能系统。

3. 快速充放电：全钒液流电池具有快速的充放电特性，能够在短时间内迅速充电和释放电能，适用于需要高功率输出的应用场景。

4. 环保无污染：全钒液流电池使用的是钒离子溶液，不含有有害物质，对环境没有污染，而且废旧电池的材料可以回收利用，减少了资源浪费。

目前全钒液流电池的发展还处于起步阶段，但已经取得了一些进展。一些研究机构和公司已经开始研究和制造全钒液流电池，并进行了一些实际应用。然而，全钒液流电池技术还面临一些挑战，比如成本较高、能量密度较低和体积较大等问题，限制了它在大规模商业化应用中的推广。

尽管如此，随着能源存储需求的增加和对可再生能源的依赖增加，全钒液流电池作为一种可持续发展的储能技术，其发展前景仍然广阔。未来，随着技术的不断进步和成本的降低，全钒液流电池有望在能源存储和电力供应领域发挥重要作用。