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氧化還原液流電池被譽為最具前景的儲能電池 目前有什么最新的電池技術?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年12月16日  

西班牙布爾戈斯大學、意大利帕多瓦大學、芬蘭阿爾托大學、捷克西波希米亞-皮爾森大學和巴斯克研究與技術聯盟(BRTA)的研究人員對全氧化還原液流電池(RFB)和混合RFP技術進行了全面分析。他們認為,在固定存儲應用中,這些技術是鋰離子技術的有希望的替代品。


研究人員說,氧化還原流存儲技術與其他存儲技術相比具有優勢,如靈活的模塊化設計/操作、可擴展性、適中的維護成本、長壽命循環、高往返效率(RTE)、放電深度(DoD)、快速響應和可忽略的環境影響。這些積極因素大多與該技術獨特的能量和電力解耦能力有關。


該組織表示:“與鋰離子電池等其他技術相比,功率和能量密度的限制通常是通過更具成本效益的可擴展性來克服的。”


研究人員稱,釩氧化還原液流電池(vrfb)和鋅溴氧化還原液流電池(zbfb)是最具代表性的混合液流電池類型,是最先進的。然而,他們補充說,要使它們在商業上取得成功和適用性,還有“很長的路要走”。


釩氧化還原液流電池


釩氧化還原液流電池的正極和負極由膜隔開,該膜選擇性地允許質子通過。在充電過程中,施加的電壓使釩離子各自在正側失去電子。被釋放的電子通過外部電路流向負側,并在那里被存儲。在放電過程中,所存儲的電子被釋放,并通過外部電路流回正極。


氧化還原液流電池最初是由美國國家航天局(NASA)在70年代為太空計劃開發的。與RFB相關的多項專利在2006年到期,引發了一場工業化商業競賽,到2028年其市場規模將增長到45億美元。


根據GreentechMedia的數據,2015年和2016年在美國部署的儲能系統中,有90%以上是鋰離子電池,今年也可能如此。數十年來,電動汽車電池以及筆記本電腦,平板電腦和智能手機等移動設備的電池都投入了大量精力,因此該技術穩步發展。例如,特斯拉的Powerwall旨在用于住宅和企業能源存儲,但它使用的鋰離子電池與該公司的電動汽車基本相同。


對于電網規模的應用,我們一直以目標為目標,但是鋰離子存在重大缺陷。為了使電池組能夠存儲兆瓦時,需要成千上萬個鋰離子電池,每個鋰離子電池需要單獨管理,也需要與其他電池一起管理。即使那樣,鋰離子電池也只能在相對較短的時間內(通常為2小時或更短的時間)供電。


為了制造更長壽命的電池,制造商將不得不使電極更厚,并用更多的活性材料包裝它們,這將提高價格。或者公用事業公司可以簡單地安裝更多的鋰離子電池組,從而增加了成本。


鋰離子電池的性能也會隨著時間而下降,從而使電池的典型使用壽命為10年左右。這對于家用汽車可能很好,但是不太希望在電網上使用。鋰離子電池存在已知的安全問題,最引人注目的是偶爾爆炸或自燃。


我們還研究了鈉硫電池。一度被認為對公用事業規模的安裝很有前景,這種電池可在300°C左右的溫度下工作,以液化分別形成正極和負極的硫和鈉。但是這些電池也具有易燃性問題。例如,在日本Joso市一家工廠的2兆瓦系統在2011年著火后,電池制造商NGKInsulators召回了產品并暫時停止了生產。


相比之下,氧化還原液流電池(RFB)具有其他電池所沒有的功能。從理論上講,如果使用不可燃材料制造,它們可以輕松擴展到兆瓦時,在更長的使用壽命內保持其性能,并且更加安全。與將鋰離子或其他固態電池存儲在由活性固體材料制成的電極中的電能或電荷相反,RFB的工作方式更像可逆燃料電池:要放電,電池會吸收存儲在液體電解質中的化學能,將其轉換為電流,從而使充電過程逆轉。


經常被認為是劣勢的氧化還原液流電池(RFB)可能無法提供與鋰離子電池相同的功率,但是它們在循環壽命,安全性和可靠性方面可與固定應用競爭。全世界的公用事業公司正在試點項目中對RFB進行狂熱的測試,而中國正在建設世界上最大的電池(200MW/800MWh),該電池將完全由氧化還原液流電池供電。如果成功,該項目將在全國范圍內復制,并可能在歐洲和美國復制。


RFB通過溶解在稱為陽極液和陰極液的液體溶液中的電活性化學物質進行操作,并存儲在槽中。通過膜交換離子,可以產生電池電壓并從這種系統中提取能量。可以獨立調節水箱和隔膜的尺寸,從而實現功率和能量功能的解耦,從而使該技術非常靈活,可根據用戶需求量身定制。


固定式能量存儲是在住宅,工業和電網級別提高可再生能源利用率以及實施能效措施的一種經濟有效的方法。氧化還原液流電池技術盡管具有較高的前期成本和較低的能量密度,但即使經過數千次循環后仍具有良好的容量保持能力,因此投資回收期較短。此外,氧化還原液流電池(RFB)保留了大部分初始值,這是因為其比其他電池化學物質更容易回收其核心組件。RFB的一些化學藥品,例如基于釩的化學藥品,已經商業化,將占據60億美元市值的大部分。其他化學物質,例如鋅/溴和氫/溴,


鋰離子電池將因實用級液流電池的出現而遭受挫折,這將有助于緩解電動汽車應用中對鋰資源的壓力。最后一個有趣的說法是,除顯著例外外,RFB行業的很大一部分位于歐洲和美國。上述公司的成功將推動西方世界與亞洲鋰離子電池市場競爭者的競爭力。


VRFBs的主要障礙是低可用性和高釩成本,以及需要一個雙向DC/AC逆變器來連接電網。然而,最近在電解質組成、膜和電極以及效率、功率和電流密度方面取得了進展。


研究人員說,這些技術的另一大優勢是能夠立即對電網激增的電力需求作出反應,應對電網服務的電能質量,如凹陷補償和頻率調節。據估計,這種電池的平準化存儲成本(LCOS)為每小時0.18千瓦(1次循環1次)。


科學家們說:“目前的研究目標是能夠提高活性物質濃度和能量密度的電解質,具有更高質子傳導性和更低離子交叉的膜,具有更好水力性能的多孔電極。盡管如此,重大問題仍然存在。較低的能量密度使VRFB系統比同等的鋰離子系統體積大得多。”


鋅基電池


ZBFB是具有相當低的電流密度但沒有循環壽命限制的器件,因為電解質不受老化影響。


“ZBFB試點系統的充放電持續時間可達10小時,這一性能可與商用VRFB媲美,電流密度可達80毫安厘米-2,能效約為80%。”學者們說。


他們還解釋說,鋅基氧化還原流動儲存技術并不比釩基技術便宜,盡管鋅和溴是低成本的材料。這些電池實際上需要昂貴的隔離劑來避免有毒的溴蒸汽排放。他們的LCO估計超過了每小時0.20千瓦。


其他設備


研究人員還研究了替代的水性無機純液流電池,如釩氧氧化還原液流電池(VORFBs)、釩溴氧化還原液流電池(VBFBs)、氫溴氧化還原液流電池(HBFBs)、多金屬氧酸鹽基氧化還原液流電池(POMs-RFBs)和水性有機氧化還原液流電池(AORFBs)。此外,他們還分析了電解質和膜的不同材料。他們介紹了半固態流動電池(ssfb)和固態靶向/介導/增強流動電池(smfb)的情況。


他們還研究了混合流動/非流動裝置,如基于金屬溶液的氧化還原雙流電池,以及鋅基、鐵基、銅基或金屬-空氣基氧化還原流動儲存系統。此外,科學家們還研究了太陽能氧化還原液流電池(SRFB)、空氣呼吸硫液流電池和金屬二氧化碳電池的潛力。


研究人員說:“以低成本rfb為目標的研發不僅要注重經濟材料,還要注重優化系統性能,主要是在能量密度和功率密度方面,同時保持高效率。由于固定儲能靶的長壽命和大規模應用,所用材料的穩定性和安全性是保證其可持續性和最終成功的關鍵。”


他們聲稱,到2030年,最有前途的技術可以實現0.05kwh(1次循環)的總LCO。他們在“氧化還原液流電池:可持續固定能源儲存的現狀和前景”一文中發表了他們的研究結果,該論文最近發表在《能源雜志》上。


盡管前期成本較高,但氧化還原流動電池(RFB)技術的回報時間更短,這主要是因為即使經歷多次次循環,其容量保持率仍然很可觀。由于核心組件可回收,RFB可保留其大部分初始價值。鋰離子電池將因為實用級RFB的興起而受到影響,而且能夠承受電動汽車應用所需的鋰資源的壓力。


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