液流電池是如何工作的？

液流電池的核心是專門設(shè)計(jì)的可再生燃料電池模塊。傳統(tǒng)的再生燃料電池基于可逆電解電化學(xué)過程運(yùn)行，可以是開放系統(tǒng)（其中可以添加水，并去除氫和氧）或封閉系統(tǒng)。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)過程中運(yùn)行，并且比傳統(tǒng)的再生燃料電池更具可擴(kuò)展性。液流電池的大小可達(dá)幾兆瓦。

液流電池的基本構(gòu)造和操作（圖片來源：Electrosynthesis）

液流電池基于各種氧化還原（還原/氧化）化學(xué)反應(yīng)運(yùn)行，其中電子在不同氧化態(tài)的化學(xué)物質(zhì)之間轉(zhuǎn)移。雖然有幾種可能的化學(xué)品可用于制造液流電池，但當(dāng)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(jī)。在充電過程中，鐵或鋅被電鍍到導(dǎo)電電極上。在放電過程中，發(fā)生相反的過程：鍍?cè)谪?fù)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(chǔ)上運(yùn)行。

氯化鐵

鐵液流電池可穩(wěn)定進(jìn)行無限次的深循環(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(yīng)，包括發(fā)生電鍍的負(fù)電極（也稱為電鍍電極）和發(fā)生氧化還原反應(yīng)的正電極（有時(shí)稱為氧化還原電極）。IFB電池的性能可以分解為電鍍電極性能（負(fù)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?cè)诨迳?，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(yīng)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(yīng)在充電和放電期間發(fā)生。在正極上，兩個(gè) Fe2+ 離子在充電過程中失去兩個(gè)電子形成 Fe3+ 離子，兩個(gè) Fe3+ 離子在放電過程中獲得兩個(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(yīng)是可逆的。

溴化鋅

鋅溴液流電池在充電過程中，金屬鋅在碳塑復(fù)合電極的正極一側(cè)鍍成厚膜，溴離子在膜的另一側(cè)被氧化成溴并析出。在放電過程中，鋅金屬被氧化成 Zn2+ 離子并溶解到含水陽極電解液中。兩個(gè)電子在外部電路的陽極處釋放。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(zhuǎn)化為兩個(gè)溴化物（Br-）離子，平衡Zn2+陽離子，形成溴化鋅溶液。用于產(chǎn)生電流的化學(xué)過程增加了兩個(gè)電解液槽中的鋅離子和溴離子濃度。

多節(jié)鋅溴液流電池的結(jié)構(gòu)（圖片來源：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)離子的原子核周圍都有不同數(shù)量的電子。較少的電子導(dǎo)致較高的正電荷。在釩液流電池中，通過提供電子形成 V(2+,3+) 來儲(chǔ)存能量，通過失去電子形成 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(chǔ)存或輸送電能。

電解液從儲(chǔ)罐系統(tǒng)連續(xù)輸送到反應(yīng)池中。根據(jù)當(dāng)前需求，能量存儲(chǔ)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(yīng)時(shí)間上非?？欤ㄐ∮?0ms）?？稍跐M載情況下在充電和放電之間切換。當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)模式時(shí)，電池組只會(huì)發(fā)生最小的放電。在電解液罐中，直到電解液通過打開泵再次流過電池堆時(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(chǔ)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(chǔ)存能量。（來源：施密德）

這個(gè)由三部分組成的常見問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？