3.6　本章小結

液流電池作為適用于大容量儲能應用的電化學裝備技術，區別于其他電池的最主要特征是將電化學活性物質溶解于電解質溶液中，隨溶液流過電極表面，既能夠及時提供電極反應所需的電化學活性物質（氧化劑或還原劑），又能夠把得失電子后的產物迅速帶走。在電池運行過程，儲能介質能夠得到快速補充，滿足電能和化學能相互轉化的需求。與此同時，流動的電解液還把電池內部產生的熱量及時移出，使氧化還原反應在可控溫度范圍內進行，顯著增強儲能設備運行的安全性。與現有電池技術的最主要區別為，前者把儲能所需電化學活性物質保存在固體電極上，而液流電池把它們保存在可以流動的溶液中。

液流電池依靠正極電對和負極電對的價態變化，實現電能存儲與釋放，要求兩種電對具有良好的電化學可逆性。在放電過程，溶解于電解質溶液中的電對流過電極表面，通過負極上發生的氧化反應，負極電對失去電子變為氧化態；電子經過外電路做功后到達正極，借助正極上的還原反應，正極電對得到電子轉變為還原態。在充電過程，電子的流動方向與電極上所發生的化學反應正好相反，既負極發生還原反應，正極發生氧化反應。由于采用兩種電化學可逆性的電對，進行儲能的充電過程和做功的放電過程可以無數次循環進行。

液流電池的電動勢取決于正極電對和負極電對之間的化學勢差別，僅僅與所選用的電對、濃度、溫度等熱力學因素有關。實際使用過程中，電池的極化過程導致正極和負極之間的電壓低于電動勢。由于單電池的電壓太低，需要把若干單電池串聯在一起組成電堆使用，有效降低電池內阻是電堆設計與制造過程中的關鍵環節。充電（或放電）過程的電流與電極上電子得失的速率相等，由電堆內的電化學反應速率決定，影響電化學反應的因素，包括正極電對和負極電對濃度、反應溫度、有效電極面積、電解液流速等，均對電堆內的電化學極化過程產生影響。液流電池的功率等于電堆上的電壓和電流的乘積，容量取決于電解質溶液中所含有的電化學活性物質的物質的量。

和其他的電池技術相比較，液流電池的顯著特征是儲能容量和功率可以分別獨立設計。由于參與電化學反應的活性物質溶解于電解質溶液中，只要改變所使用的電解液量，就能夠改變電池所擁有的電能儲存容量。為了滿足市場不同用戶的需求，通常情況是僅僅研發有限的基本型電堆，再通過基本型電堆組合成儲能系統，在最優化配置的條件下，同時滿足用戶對儲能容量與儲能功率的兩方面需求。

在現有多數電池中，所有的儲能物質均保持在電極上，一旦發生短路或意外事故，正極上的氧化劑和負極上的還原劑直接接觸，所產生的氧化還原反應釋放大量熱量，往往導致燃燒或爆炸，給大規模儲能帶來極大隱患。與之對比，在液流電池充電/放電過程，僅僅有很小部分電解液停留在電堆中，大量的正極氧化劑和負極還原劑保存在完全隔離的儲液槽內。此時，即使產生短路或意外事故，造成正極氧化劑和負極還原劑接觸，也僅僅是流經電堆的少量電解液中的活性物質發生反應，極大降低儲能系統發生事故的概率和危害程度，在一定程度上提高安全性。

液流電池運行過程，電解液在電池和儲槽之間流動需要額外的流體輸送設備，必然會消耗額外的能量和增添附屬設備，在一定范圍降低儲能過程的效率，增加儲能設備體積與重量。因此，液流電池在大多數情況下適用于靜止場合使用，不適合安裝于移動交通工具。對電池功率是用戶主要需求的場合，液流電池需要提高電壓或單電池面積，給實際設計帶來諸多困難，從技術經濟方面考慮，力圖避免用于該場合。

液流電池儲能系統是完成電能和化學能相互轉化與儲能的基本單元，根據具體應用場合進行功率與容量的優化設計，其經濟的功率范圍在10kW～10MW，容量從100kW·h～100MW·h。一般來講，液流電池儲能系統包括五個部分，電堆、電解液和輸送系統、溫度測控系統、電池管理系統（battery manage system，BMS）、雙向換流器（power control system，PCS）。根據不同的客戶需求，進行儲能系統的優化設計后，能夠提供可靠的電能儲存于穩定供電功能。

液流電池儲能系統研發過程一般可分為三個不同的層次：①電池材料，包括正極電對和負極電對的化學組成、電解質溶液成分、電極、雙極板與集流體、隔膜等，電池材料是電池開發的基礎；②電堆，包括單電池結構、電堆結構、分配正極和負極電解液的流量、抑制旁路電流、密封、電堆裝配工藝、運行方法等，電堆技術是液流電池研發的核心；③儲能系統與裝備，包括電堆特性、電解液和輸送系統、溫度測控、電堆管理、雙向換流器、運行與維護方法、安裝技術與方法等，儲能裝備是液流電池直接面向用戶的產品。因此，在進行液流電池研究開發過程中，需要根據實際情況，進行全面分析與市場調研，確定合理的技術發展路線，才能為儲能市場提供技術上可行、經濟上合理的產品。

液流電池能夠提供經濟性好、風險性低的電能儲存解決方案，其儲能容量和電功率可以分別進行選擇，極大滿足儲能市場不同客戶的需求。綜合考慮各方面因素，液流電池在功率范圍10kW～10MW、容量為100kW·h～100MW·h時具備強有力的競爭力。