鉅大LARGE | 點擊量：842次 | 2021年12月16日
WMG找到增強混合液流電池的方案 成本約為當前儲存技術的五分之一
對于大規(guī)模固定式應用，液流電池在性能，安全性和成本方面均優(yōu)于鋰離子電池。創(chuàng)新的混合液流電池設計可以幫助挑戰(zhàn)鋰離子電池市場的主導地位并實現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模普及。
可再生能源是抗擊氣候變化的最有力工具之一。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）設定了將全球溫度上升限制在1.5°C以內(nèi)的目標。然而，要實現(xiàn)這一目標，將需要在2050年之前（在各種緩解氣候變化的情況下）將可再生能源發(fā)電的份額提高到63-81％。
由于可再生能源投資組合標準等政府有利政策以及技術成本的大幅降低，過去十年來風能和太陽能取得了令人矚目的增長。在技術和制造改進的推動下，太陽能光伏（PV）的價格自2010年以來已經(jīng)下降了89％，預計到2030年將再下降34％。由于可再生能源發(fā)電的價格下跌，美國能源信息署（EIA）預測，到2021年，風能和太陽能等可再生能源的發(fā)電量將超過核能和煤炭，到2045年將成為美國的主要電力來源。
集中式電網(wǎng)架構將需要適應以整合這些技術?？稍偕茉疵刻旌图竟?jié)性發(fā)電的可變性以及太陽能和風能設備的分布式性質(zhì)是需要考慮的主要因素。儲能將在實現(xiàn)24/7的可再生能源可用性和穩(wěn)定的電網(wǎng)方面發(fā)揮至關重要的作用。
為了增加對可再生能源的利用，至關重要的是找到一種安全，經(jīng)濟的方法來存儲太陽能和風能，以便在太陽落山后以及無風時使用。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
沃里克大學WMG的研究人員與倫敦帝國理工學院合作，發(fā)現(xiàn)了一種增強混合液流電池及其商業(yè)用途的方法。這種新方法可以將電能儲存在這些電池中很長一段時間，價格約為當前技術的五分之一，而且位置限制最小，零排放。
研究人員在無粘合劑電泳技術（EPD）中使用氮摻雜石墨烯（暴露于氮等離子體）增強了三種混合流動細胞。
風能和太陽能是越來越受歡迎的可再生能源。不幸的是，間歇性問題使他們無法廣泛地連接到國家電網(wǎng)。解決這個問題的一個可能辦法是采用長時間電池技術，例如氧化還原液流電池。盡管這一系統(tǒng)前景廣闊，但其當前的成本是決定實際采用的關鍵因素。根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，一個價格合理的電網(wǎng)電池應該是75英鎊/千瓦時。主導電網(wǎng)儲能的鋰離子電池價格約為130英鎊/千瓦時。
如今，WMG的研究人員已經(jīng)找到了一種增強混合流電池或再生燃料電池（RFC）技術的方法，這種技術可以將電能儲存很長時間，成本約為當前儲存技術的五分之一，選址靈活，對環(huán)境影響最小。該技術通過簡單而高效的納米碳添加劑（氮摻雜石墨烯）電泳沉積，將碳基電極與經(jīng)濟來源的電解質(zhì)（錳或硫，這是地球上豐富的化學物質(zhì)）結(jié)合起來，顯著提高了電極的耐久性和性能高酸性或堿性環(huán)境。
研究人員在2020年12月出版的ACS應用材料與界面雜志上發(fā)表了一篇題為“通過無粘結(jié)劑和電泳沉積氮摻雜石墨烯增強電化學性能的混合氧化還原流動電池”的論文。
沃里克大學WMG研究員、論文主要作者之一巴倫·查克拉巴蒂博士說：“這種EPD技術不僅簡單，而且提高了三種不同的經(jīng)濟型混合流電池的效率，從而增加了它們在電網(wǎng)規(guī)模儲能中廣泛商業(yè)應用的潛力?！?/p>
混合液流電池的總化學成本約為鋰離子電池等競爭電池成本的1/30。按比例放大的技術可用于存儲風能或太陽能的電能，從多天到整個季節(jié)，每千瓦時大約15至20英鎊。這些電池對于電網(wǎng)規(guī)模的負載均衡應用也非常有用，因為它們的設計非常靈活，因為它們的獨特功能是獨立于能量來調(diào)整功率大小。
混合液流電池，特別是多硫化物/空氣系統(tǒng)（S-air）的能量密度是抽水蓄能的500倍。它也更加緊湊，可以放在任何可再生能源發(fā)電廠附近。長期能量輸出的理想選擇，而在大型公用事業(yè)規(guī)模的部署中，組件的降解極低。
取決于電解質(zhì)的化學性質(zhì)，使用壽命長達30年，與市場上其他新興存儲技術相比，液流電池可以提供無與倫比的成本確定性。盡管液流電池目前比類似尺寸的鋰離子電池具有更高的前期資本投資，但在評估20至30年生命周期的總擁有成本時，它們更具競爭力。此外，隨著技術的進步和生產(chǎn)效率的提高，液流電池的成本正在下降。
在公用事業(yè)領域，液流電池最適合兆瓦級功率增量的較長放電時間（六個小時或更長）。某些使用案例比其他存儲類型更喜歡液流電池。對于每天需要多個充電/放電周期的應用，液流電池可在幾毫秒內(nèi)隨負載變化而提供，它們可以從各種可用電源快速充電。實際上，根據(jù)儲罐的配置，液流電池可以同時放電和充電，從而幾乎無限期地提供功率容量或電壓支持。液流電池的屬性包括：
演示了10,000多個電池循環(huán)，幾乎沒有或沒有存儲容量損失。
斜率范圍從泵運行時的排放毫秒數(shù)到不運行泵的幾秒。
液流電池的充電速度也相當快。
與鋰離子選件相比，操作和待機模式的溫度范圍寬。
很少或沒有火災隱患。
由于暴露而對人類健康構成有限風險的化學物質(zhì)。
通過增加電解液量可以輕松擴大容量（盡管可能涉及更多的儲罐和管道）。
混合液流電池系統(tǒng)工作原理
盡管有數(shù)十種不同類型的液流電池，但只有大約10到12種特定的化學物質(zhì)可供商業(yè)應用。所有的工作原理都與引入液體電解質(zhì)的基本原理相同，該液體電解質(zhì)充當直流（DC）電的源，該直流電通過逆變器運行以轉(zhuǎn)換為交流（AC）功率。
在氧化還原液流電池中，陰極電解液和陽極電解液分別存儲在單獨的罐中，并使用泵將流體循環(huán)到具有被薄膜隔開的電極的電池堆中。該膜允許在陽極電解液和陰極電解液之間進行離子交換以產(chǎn)生電。產(chǎn)生的功率取決于電極的表面積，而儲存時間則是電解質(zhì)體積的函數(shù)。對于某些技術，功率和能量可以獨立縮放，從而可以輕松定制電池。
在混合液流電池中，在充電周期中，電活性物質(zhì)沉積在電極表面上，然后在放電過程中溶解回到電解液中。對于混合技術，存儲時間是電解質(zhì)量和電極表面積的函數(shù)。雖然大多數(shù)混合動力技術可以達到6到12個小時的時長，但動力和能量并未完全分離。
液流電池既可以配置為單個儲罐（通常用于較小的應用場合），也可以配置為雙儲罐（通常用于較大的占地面積）。單罐系統(tǒng)通常以鋅或其他金屬電池為特征，而雙罐系統(tǒng)則需要由鹽水，鐵，釩或其他礦物質(zhì)組成的電解質(zhì)。
液流電池系統(tǒng)的設計會根據(jù)應用和項目規(guī)模而變化。儀表背后的商業(yè)系統(tǒng)通常是千瓦級的包裝單元，可以安裝在典型的雜物間中。對于1兆瓦至5兆瓦范圍內(nèi)的配電應用，根據(jù)存儲持續(xù)時間要求，存在具有不同級別可擴展性的容器化和/或模塊化解決方案。正在開發(fā)的公用事業(yè)規(guī)模設計可能具有數(shù)百萬加侖的電解液存儲量，因此行業(yè)趨向于將大量的堆疊模塊一起抬頭并通過管道輸送到大型的現(xiàn)場安裝的水箱中。
動力堆棧和系統(tǒng)平衡組件（例如管道，泵，密封件，冷卻系統(tǒng)和控制儀表）比鋰離子配置需要更多的日常維護。但是，如果遵循常規(guī)維護準則，則液流電池性能不應在項目壽命內(nèi)降低。當將運營和維護（O＆M）成本與彌補性能下降所需的鋰離子容量增加成本進行比較時，液流電池的年度成本要便宜一些。
障礙液流電池技術的因素
鋰離子技術主導著當今的存儲市場，這有充分的理由。但是，隨著可再生能源市場滲透率的提高，越來越多的所有者開始考慮使用更長期限的存儲資產(chǎn)。
鋰離子電池和液流電池技術的成本都在下降，很難預測價格何時何地會穩(wěn)定下來。使用當今的技術，鋰離子電池的成本（美元/千瓦時）通常會在4小時的存儲時間后趨于平穩(wěn)，因為必不可少的是，必須增加大量的相同電池。但是，隨著存儲時間增加到8至12小時，液流電池的單位成本繼續(xù)下降。4小時系統(tǒng)的電源模塊與12小時系統(tǒng)的電源模塊相同，因此，向液流電池增加持續(xù)時間/能量的增量成本與向系統(tǒng)中添加電解質(zhì)有關。
利用當今的技術，液流電池的資本成本幾乎是同類鋰離子系統(tǒng)成本的兩倍。隨著更長的存儲時間和更長的使用壽命，經(jīng)濟效益會有所改善，但以目前的價格，它有望無法與鋰離子平價。退役和回收成本可能更適合液流電池，因為電解液更易于回收或一次性處理（取決于技術類型），但是這些成本仍在增長。隨著流動原始設備制造商提高制造規(guī)模和供應鏈效率，以及隨著EPC承包商獲得現(xiàn)場經(jīng)驗，成本將繼續(xù)下降。盡管如此，液流電池仍在追逐鋰離子成本下降的移動目標。
與競爭性鋰離子技術的龐大安裝基礎相比，當今液流電池技術無法完全滲透市場的主要障礙是缺乏商業(yè)化。在短期內(nèi)，在建立廣泛的商業(yè)記錄并證明用例，成本和投資回報之前，可能會安裝相對較小的液流電池設施。
