【星源材质·技术】一文读懂液流电池！
什么是液流电池？
液流电池是由Thaller于1974年提出的一种电化学储能技术，是一种新的蓄电池。液流电池由电堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成，是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，具有容量高、使用领域（环境）广、循环使用寿命长的特点，是一种新能源产品。
液流电池主要由三部分组成，外部电解液储罐以及内部的电极和离子传导膜。电解液置于电堆外部的储罐中，在循环泵的推动下流经电堆，并发生电化学反应，从而实现化学能与电能的转换。
液流电池示意图
液流电池工作原理
液流电池作为电化学储能技术之一，最早由L.H.Thaller在1974年提出。该电池技术将阴阳极电解液分别通过管路推入电堆中，通过活性元素的价态变化，在电能和化学能之间产生转换来实现充放电。与其他传统离子蓄电池不同的地方是，液流电池属于一种活性化学物质，储存在液态化电解液中的二次储能电池处理技术，不仅电池结构上存在差异，而且正、负极电解液中是储存能量的。
液流电池工作原理图液流电池电堆中的单元电池通常由紧固件、端板、集流板、电极框、双极板、电极和离子传导膜组成，电堆则是由若干个单元电池串联起来通过压滤机的叠合方式装配而成。
液流电池电堆
液流电池的分类
按照电解质不同形态，液流电池可分为四类：水系液流电池、非水系液流电池、混合液流电池和半固态液流电池。其中水系液流电池已经取得了一定进步，最具代表性的是目前发展较为完善的全钒液流电池和铁/铬液流电池。
水系液流电池：在这种类型的液流电池中，氧化还原活性物质溶解在水溶液里。由于水系液流电池受到水分解的影响，其工作电位窗口一般较窄（小于2V），因此其电压很难达到2V。水系液流电池的研究历史较长，世界范围内有许多大型示范性电池系统，包括铁/铬液流电池、全钒液流电池、溴/多硫化物液流电池以及溴/醌液流电池等。
非水系液流电池：由于水系液流电池的电压限制，非水系液流电池在最近几年得到了广泛研究。这类电池利用非水溶剂，如乙腈，作为溶剂，可以达到较高的电压，如2.60V。非水系液流电池的研究在最近几年取得了显著进展，特别是在过去5年间，许多有机金属配合物被用作活性物质。
混合液流电池：这类电池结合了水系和非水系的特性，以适应特定的应用需求。混合液流电池的设计旨在平衡性能、成本和实用性，以满足不同领域的需求。
半固态流体电池：作为一种新型的液流电池类型，它具有独特的物理和化学性质，可能在特定的应用场景中展现出优势。半固态流体电池的研究相对较少，但其潜力和应用正在被探索中。
根据反应活性物质分可分为：全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池、全铁液流电池、多硫化钠溴液流电池等。
全钒液流电池是液流电池中成熟度最高、商业化进程最快的类型。它具有高性能蓄电池的特点，如容量高、使用领域广、循环使用寿命长等。
铁铬液流电池是另一种常见的液流电池类型，它与全钒液流电池一样，具有安全可靠、寿命长、环境友好等优势，成为规模储能的首选技术之一。
锌溴液流电池以其独特的性能，如可重复进行100%深度放电，适用于大型储能系统，也是液流电池技术中的重要分支。
全铁液流电池则是另一种类型的液流电池，尽管具体信息较少，但它与其他类型的液流电池一样，具有高性能蓄电池的特点，是新能源产品的一种。
液流电池各技术路线对比经过技术迭代，目前全钒液流电池和锌溴液流电池发展速度较快，主要源于其正负极电解液不存在交叉污染问题。其中全钒液流电池正在逐步实现商业化，其发展已经进入工程应用和商业扩张阶段；锌溴液流电池也进入应用示范阶段，而其他类别液流电池现阶段应用案例仍然较少。
液流电池的优势
在众多储能电池中，液流电池是一种越来越受到人们关注的新型储能系统，被广泛研究认为是现阶段发展前景最大的储能技术之一。相比于其他储能系统，液流储能电池具有更多在技术上的优势。主要有以下优点：
极安全：不燃不爆，适应各种工作环境
经济性：全生命周期的度电成本友好
服务寿命长：万次以上的充放电循环
灵活性：极易部署，按需配置，在线升级
大容量：轻松满足兆瓦级电力应用场景
液流电池发展历程
液流电池的演化历程可以分为三个阶段：1971-1988的实验室阶段，1988-2001的工业化研发期，2001年至今的商业化发展期。
液流电池生产工艺
生产液流电池的工艺流程主要包括以下几个步骤:
1.原材料的选择与处理
液流电池的生产首先需要选择合适的正负极材料、电解液以及隔膜等关键原材料。正负极材料通常需要具有较高的电化学活性、稳定性和导电性。电解液要求具有良好的离子传输性能和稳定的化学性质。隔膜则需要具备足够的机械强度和离子传输性能。对这些原材料进行处理，如干燥、研磨等，以满足后续生产工艺的要求。
2.电解液的配制
根据设计要求，将电解液成分按比例混合，搅拌均匀，确保电解液的性能稳定。电解液的配制需要在无水无氧的环境中进行，避免水分和氧气对电解液性能的影响。
3.电极片的制备
将处理好的正负极材料分别涂覆在金属集流体(如铝箔、铜箔等)上，形成电极片。涂夏过程可以通过滚涂、刷涂、喷涂等方法进行。为了保证电极片的性能，需要控制涂的厚度、均性等参数。
4.电极片的干燥与固化
涂夏后的电极片需要进行干燥与固化处理，以去除溶剂和多余的电解液，使电极材料牢固地附着在集流体上。干燥与固化过程可以在烘箱中进行，温度和时间的控制非常重要，以防止电极材料烧结或损坏
5.隔膜的制备与组装
将处理好的隔膜与金属集流体进行组装，形成电池单元。隔膜的组装需要确保其与集流体的良好接触，以保证电池内离子传输的效率。
6.电池模块的组装
将多个电池单元串联或并联，形成电池模块。电池模块的组装需要考虑电池的容量、电压、内阻等参数，以满足特走应用需求。
7.电池系统的组装
将电池模块与电池管理系统(BMS)等其他部件组装在一起，形成完整的液流电池系统。电池系统的设计需要考虑安全、稳走、可靠等因素。
8.性能测试与检验
对完成的液流电池系统进行性能测试，如充放电测试、循环寿命测试、安全性测试等。测试结果用于评估电池系统的性能是否达到设计要求。
9.封装与包装
根据市场需求，对液流电池系统进行封装与包装。封装方式可以采用金属壳体、塑料壳体等，以保护电池系统免受外部环境的影响。
液流电池产业链
液流电池在国内起步较晚，生产厂家有限，目前仍处于产业化发展初期，仍有待于解决技术难题和完善产业链。全钒液流电池作为目前液流电池行业中成熟度相对领先的技术路线，其产业链图如下所示。上游主要包括五氧化二钒、双极板、离子交换膜、电极、碳毡等，相关公司为钒钛股份、河钢股份等。中游包括电解液、电堆、循环模块、控制系统等，主要相关公司为湖南银峰、北京普能、大连融科等。下游主要应用场景涉及电网侧、用户侧、发电侧、新能源配套等领域。
液流电池发展前景
与新能源发电配合：目前风能、水能、太阳能等新能源发电具有很强的波动性和间歇性，因此需要动态储能系统加以调节。如果想发展大规模发电也需要相应的大规模的储能装置，因此液流电池特别适用。
发展新型动力汽车：液流电池充放电能力很强，可以进行大电流放电和深度放电，作为动力汽车的电池很方便实用，具有很广泛的应用前景。
发电或备用能源装置：海岛、偏远地区，如果建设常规电站或架设输电线路则造价太高，使用液流电池并配以太阳能、风能等发电装置，可保障这些地区的稳定电力供应。此外，发生突发情况导致停电时，也可以使用液流电池当作应急能源。
（转自：广东电池）