液流電池是如何工作的？

液流電池的核心是專(zhuān)門(mén)設計的可再生燃料電池模塊。傳統的再生燃料電池基于可逆電解電化學(xué)過(guò)程運行，可以是開(kāi)放系統（其中可以添加水，并去除氫和氧）或封閉系統。這些基于電解的再生燃料電池通常僅限于幾千瓦的功率。液流電池在不同的電化學(xué)過(guò)程中運行，并且比傳統的再生燃料電池更具可擴展性。液流電池的大小可達幾兆瓦。

液流電池的基本構造和操作（圖片來(lái)源：Electrosynthesis）

液流電池基于各種氧化還原（還原/氧化）化學(xué)反應運行，其中電子在不同氧化態(tài)的化學(xué)物質(zhì)之間轉移。雖然有幾種可能的化學(xué)品可用于制造液流電池，但當今的商用液流電池通常使用氯化鐵、溴化鋅或釩。

氯化鐵液流電池和鋅溴液流電池都可以看作是電鍍機。在充電過(guò)程中，鐵或鋅被電鍍到導電電極上。在放電過(guò)程中，發(fā)生相反的過(guò)程：鍍在負極上的金屬鐵或鋅溶解在電解液中，可以在下一個(gè)充電周期再次鍍上。這兩種化學(xué)物質(zhì)都可以長(cháng)時(shí)間完全放電而不會(huì )損壞。如下所述，釩液流電池在不同的化學(xué)基礎上運行。

氯化鐵

鐵液流電池可穩定進(jìn)行無(wú)限次的深循環(huán)充電和放電循環(huán)，且性能為零。（圖片：ESS）

鐵液流電池 (IFB) 技術(shù)使用電解液中的鐵進(jìn)行反應，包括發(fā)生電鍍的負電極（也稱(chēng)為電鍍電極）和發(fā)生氧化還原反應的正電極（有時(shí)稱(chēng)為氧化還原電極）。IFB電池的性能可以分解為電鍍電極性能（負極）、氧化還原電極性能（正極）和歐姆電阻損耗。在電鍍電極上，充電時(shí)亞鐵（Fe2+）離子獲得電子并以固態(tài)鐵的形式鍍在基板上，如上圖所示，固態(tài)鐵在放電時(shí)溶解為亞鐵離子并釋放出兩個(gè)電子。鍍鐵反應的平衡電位為-0.44V。

在氧化還原電極上，亞鐵和三價(jià)鐵 (Fe3+) 離子之間的氧化還原反應在充電和放電期間發(fā)生。在正極上，兩個(gè) Fe2+ 離子在充電過(guò)程中失去兩個(gè)電子形成 Fe3+ 離子，兩個(gè) Fe3+ 離子在放電過(guò)程中獲得兩個(gè)電子形成 Fe2+。亞鐵離子和三價(jià)鐵離子之間的平衡電位為+0.77V。IFB 氧化還原液流電池中的反應是可逆的。

溴化鋅

鋅溴液流電池在充電過(guò)程中，金屬鋅在碳塑復合電極的正極一側鍍成厚膜，溴離子在膜的另一側被氧化成溴并析出。在放電過(guò)程中，鋅金屬被氧化成 Zn2+ 離子并溶解到含水陽(yáng)極電解液中。兩個(gè)電子在外部電路的陽(yáng)極處釋放。電子返回陰極并將溴分子 (Br2) 還原為可溶于陰極電解液水溶液的溴離子。陰極電解液中的溴在陰極轉化為兩個(gè)溴化物（Br-）離子，平衡Zn2+陽(yáng)離子，形成溴化鋅溶液。用于產(chǎn)生電流的化學(xué)過(guò)程增加了兩個(gè)電解液槽中的鋅離子和溴離子濃度。

多節鋅溴液流電池的結構（圖片來(lái)源：Redflow）

釩

釩是一種不尋常的元素。它可以在溶液中以多種不同電荷的離子形式存在，V(2+,3+,4+,5+)，每個(gè)離子的原子核周?chē)加胁煌瑪盗康碾娮?。較少的電子導致較高的正電荷。在釩液流電池中，通過(guò)提供電子形成 V(2+,3+) 來(lái)儲存能量，通過(guò)失去電子形成 V(4+,5+) 釋放能量。因此，電解液中溶解的釩離子的不同氧化態(tài)（V2+、V3+、V4+、V5+）儲存或輸送電能。

電解液從儲罐系統連續輸送到反應池中。根據當前需求，能量存儲在電解質(zhì)中（電池充電）或饋入電網(wǎng)/網(wǎng)絡(luò )（電池放電）。由于裝卸時(shí)電解液流動(dòng)方向不必改變，施密德VRFB釩液流電池在響應時(shí)間上非?？欤ㄐ∮?0ms）?？稍跐M(mǎn)載情況下在充電和放電之間切換。當系統處于待機模式時(shí)，電池組只會(huì )發(fā)生最小的放電。在電解液罐中，直到電解液通過(guò)打開(kāi)泵再次流過(guò)電池堆時(shí)才會(huì )發(fā)生放電。

在釩氧化還原液流電池中，電解液中只有一種元素（釩）用于儲存能量。（圖片：施密德）

在釩氧化還原液流電池中，電解液中只有一種元素（釩）用于儲存能量。（來(lái)源：施密德）

這個(gè)由三部分組成的常見(jiàn)問(wèn)題解答系列的第二部分將討論“液流電池——你能用它們做什么？