打造可再生能源“后备军”

19.01.24     来源: 中国科学报

  近年来清洁能源逐渐兴起,能源公司也迎来了新问题:当太阳落山、风不再吹时,如何保障电网继续供电?液流电池(Flow Battery)或许就是答案。液流电池拥有巨大的装备体积,其电解液储能罐可留存足够的电力,甚至为成百上千户的家庭供电数小时。

  但大部分液流电池目前仍有短板,比如依赖于稀有贵金属钒的全钒液流电池,或是电解质寿命较短、含有毒性等。目前来说,似乎仍没有哪一种液流电池能满足所有供电需求。

  寻找替代品、优化解决方案成了研究者的头等要务。美国犹他州立大学化学与生物化学系助理教授刘天骠对《中国科学报》表示,目前对大规模储能电池有3个基本要求:安全性高、性价比高以及环境友好。

  的确有科学家做到了。“目前,液流电池领域新成果频出。”德国耶拿大学的化学家Ulrich Schubert表示。

  商业化“宠儿“:全钒电池

  早在上世纪80年代,澳大利亚新南威尔士大学的研究者就发明出全钒液流电池——钒离子价态发生变化从而产生化学能和电能之间的循环。

  经过20余年的发展,全钒液流电池的商用化渐成规模,业界因其在稳定性与储能容量等方面的优势纷纷表示看好。

  小到特斯拉汽车,大到办公园区,锂电池在规模化供电中承担着重要角色。但在大规模、集中化的储能需求方面,锂电池的扩展性并不理想。而全钒电池的表现更出彩,其寿命比锂电池更长,且电解液更易回收,含有钒的电解液能够经受多次充放电循环,可为太阳能电网、城镇等更大规模的单元供能。

  在中国,世界上最大的钒液流电池计划于2020年投入使用,这一由大连融科储能公司建设的储能系统可存储800兆瓦的容量。

  唯一的问题是钒的资源有限,价格存在波动。钒是一种稀有贵金属,以钒钛磁铁矿为主。在世界范围内,俄罗斯、南非和中国占据了大部分产量,其中中国的产量可占近五成。除了用于电池储能,其在冶金化工领域也有广泛应用。

  而且全钒电池还需要定期维护,因为是酸性电解质,一些化学反应过程需要专人维护,其应用规模、范围也相对固定。这意味着在资源总量有限的情况下,若对钒的需求爆发,价格则会进一步攀升,留给全钒电池的发展空间也将有限。

  不过,“全钒电池仍是液流电池中商业化程度最高的一种,未来在原材料价格平稳的前提下,全钒电池依旧有不错的市场空间”。中科院大连化学物理研究所研究员、储能技术研究部部长李先锋告诉《中国科学报》。

  电解液新形态

  液流电池可分为水系和非水系两大类,即电解液是水溶液或有机溶剂。原理是将正负极活性物质分别溶解在阴极和阳极的电解液内,因此要求活性物质具有较好的化学稳定性。此外,电池的体积能量密度、功率密度与电解液的电化学稳定性、活性物质浓度以及导电率息息相关,因此需要针对电堆特性,采用不同酸碱性的电解液。

  找到钒的替代品成了新的任务。从前以无机盐为基础的液流电池结构简单、可调控性不强,但若能利用合成化学生成可调控的有机储能物,则更有望满足多种多样的储能需求。

  以往的液流电池的电解质大多为强酸性或碱性,刘天骠团队近期在《焦耳》期刊上发表的研究则报告了一种可在中性环境下工作的液流电池。与以往需要溶解在含有钠盐或钾盐水溶液中的亚铁氰化物不同,研究团队找到了替代钠盐或钾盐的氮基化合物——铵,从而提升了亚铁氰化物的溶解量,可让电池存储更多电量。同时,在中性条件下,亚铁氰铵正极电解液和紫精负极电解液结合的有机液流电池表现出了非常稳定的电池循环性能。

  “我们想弥补全钒电池不能满足的市场需求,比如分散的、非集中性的储能。”刘天骠作为研究团队负责人,向记者解释了研发的初衷。“通过理论计算调控设计出有机分子,我们可以找到与先前完全不同的可用于液流电池的活性物质,甚至有希望找到最有潜力的储能分子。”他说。

  寻找替代品的脚步从未停止。2018年7月,来自哈佛大学的研究团队将有机化合物醌作为金属钒的替代品,通过在醌中添加羧酸基团使其更易溶于碱性溶液以减少电解质损耗。这样一来,醌的寿命增加、电解质的成本降低。虽然该方案并不能迅速商用,但相较以往研究,已经向前迈出了一大步。

  仍有创新空间

  依赖有限的贵金属资源、不够稳定、不够环境友好、成本过高……目前的液流电池电解质组成种类多样,但总会或多或少地存在缺陷。或许只用一种液流电池满足所有需求场景的设想有些苛刻。

  “任何储能技术都有自己的应用优势。不仅是液流电池,锂离子电池、铅酸电池都不能满足所有需求。不同应用场景的储能或电力系统对电池的需求也不同。”李先锋表示。

  因此找准使用场景对液流电池来说至关重要。比如全钒电池安全性高、寿命长,适用于大规模集中式的储能,而成本低、电压和体积能量密度高的锌基液流电池对分散的用户需求更为友好。

  李先锋表示,其研究团队不仅致力于全钒液流电池的研发,还在锌基液流电池领域不断开拓新技术,如锌碘液流电池是目前团队部署的研发新方向。

  谈及液流电池的商用之路,李先锋表示,实现在大规模系统中的市场应用是“最终目标”。“要解决好两方面问题:既需要技术可靠,也要有较低的成本。这样才能形成盈利模式。这也需要研究单位、相关企业等多方努力。”他表示。

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