什么是液流电池?

电池是我们每个人都不陌生的一类储存并提供能源的装置,从一次性使用的干电池到汽车上的铅酸电池、电脑和手机上的锂离子电池等可反复充放电的蓄电池。电池保证了我们在远离电网时也可以随心所欲地用电,给生活带来了极大的便利。不过有一种电池,相信许多朋友比较陌生,它的名字叫液流电池 (flow battery)。那么液流电池是怎样的一种电池,与传统的电池相比又有哪些优点?要回答这些问题,我们首先要从目前如火如荼的新能源开发说起。

一位记者走过位于日本的一台液流电池装置(图片来源http://www.bloomberg.com/news/articles/2013-08-06/japanese-battery-trial-seeks-to-transform-how-grids-work-energy)

一位记者走过位于日本的一台液流电池装置(图片来源http://www.bloomberg.com/news/articles/2013-08-06/japanese-battery-trial-seeks-to-transform-how-grids-work-energy)

随着煤、石油、天然气等化石燃料的储量逐渐减少,以及燃烧化石燃料造成的温室效应问题日趋严重,各国政府都把开发利用新能源提到重要的议事日程上来。随着人们重视程度的提高以及相关技术的进步,太阳能、风能等可再生能源在电力供应中所占的比例越来越高。

然而与传统的火力发电相比,这些新能源形式有一个内在缺陷,那就是它们的正常运转受到自然条件的限制,造成电能的输出与用户的需求往往不能很好地匹配。例如用太阳能给一个住宅区供电,白天居民大多不在家,太阳能电池产生的电能供大于求,白白浪费掉;到了晚上居民下班回家,用电量激增,太阳能电池此时却又无法正常供电。

为了解决新能源不稳定的问题,我们通常需要提供一定的储能系统与之配合,在发电能力超过实际需要时将多余的电能转化为其它形式的能量储存起来,而发电能力不能满足需要的时候又可以将储存的能量重新转化为电能。可以说,开发与新能源配套的储能技术的重要性并不亚于开发新能源技术本身。

那么如何将多余的电力供应储存起来?我们可以通过修建抽水蓄能电站的办法,在电能过剩的时候用多余的电能将水从低处移动到高处,也就是将电能转化为水的重力势能,当供电能力不足时再让水从高处落下将水的势能转化为电能。我们还可以用多余的电能压缩空气,等到电能供不应求时释放被压缩的空气,使其推动发电机发电。

不过这些技术虽然可以将电能转化为其它形式的能量储存起来,在实际应用中仍然存在一定的局限,例如抽水蓄能电站的修建通常必须依赖于一定的地形。因此人们更希望用电池来完成这一任务,也就是将电能转化为化学能储存起来。尤其是可以反复充放电的二次电池,也就是俗称的蓄电池,更是辅助新能源的不二选择。

然而实践起来人们却发现,“老革命”遇到了新问题,许多业已成熟的电池技术却力不从心了。那么究竟是为什么呢?这要从常见电池的结构说起。

以经常用于汽车的铅酸蓄电池为例,它的基本结构是将二氧化铅和金属铅制成的电极插入到稀硫酸溶液中。当电路接通时,正极的二氧化铅得到电子变成硫酸铅,而负极的铅失去电子,也变成硫酸铅。当铅和二氧化铅的固体都变成硫酸铅后,我们就会发现,电池没电了。

如果这个时候我们将两边的硫酸铅分别与外加电源相连,在电流的作用下,连接电源正极的硫酸铅失去电子变成二氧化铅,而连接电源负极的硫酸铅得到电子变成铅。如果将外加电源撤去,铅与二氧化铅又可以发生化学反应并释放出电能,也就是说,电池的电量又重新被充满了。

除了铅酸电池,常见的镍镉电池、锂离子电池等蓄电池和碳锌电池(干电池)等一次性的电池,构成正负电极的材料也不仅仅是作为导体传递电流,而是同时参与电化学反应。也就是说,固体电极构成了电池储能的载体。这样的好处是很明显的:电池可以被设计得小巧紧凑,非常适合于“寸土寸金”的便携式设备。

然而将传统的蓄电池应用于新能源的储能却遇到了一个很大的麻烦:新能源供电的不稳定性意味着与之配套的储能设备需要能够很灵活地调节要储存能量的总量以及提供能量的功率。然而对于依靠固体电极的传统电池,一块电池能够储存多少电能,这些电能能够以多大的功率被释放出来,在它被封装好离开流水线的那一刻就已经被固定下来,使用者很难再去根据需要进行调节。

那么如何克服这个缺陷?解决的办法就是让固体电极只负责传递电流,储存电能的任务改由液态的反应物来承担,这也就是液流电池的基本原理。例如目前发展较为成熟的全钒液流电池,其基本构造是一个被选择性渗透膜隔开的腔体,腔体的两侧各有一个固体电极。如果我们在腔体的两侧分别加入含有两种不同钒离子的酸溶液,那么在电池放电时,两级分别会发生这样的反应:

正极:VO2+ +e- +2H+ → VO2+ + H2O

负极:V2+ → V3+ + e-

总的结果是两种含有钒的化合物变成了另外两种钒的化合物,而反应中产生的电能就通过电极源源不断地输出到外部电路中。而电池充电时,上面这个反应又反过来进行。

液流电池的基本原理:在电池内部,正负极的反应物被半透膜隔开。无论充电还是放电,所有的化学反应都在溶液中进行,反应结束后溶液可以通过泵从电池中抽走,同时新的待反应的溶液从储料罐中被注入到电池内部。图片引自参考文献[1]

液流电池的基本原理:在电池内部,正负极的反应物被半透膜隔开。无论充电还是放电,所有的化学反应都在溶液中进行,反应结束后溶液可以通过泵从电池中抽走,同时新的待反应的溶液从储料罐中被注入到电池内部。图片引自参考文献[1]

无论是充电还是放电,只要反应进行完全,那么能量的转化也就宣告结束。但与传统电池不同的是,对于液流电池,我们可以用泵将已经转化好的溶液从电池中抽走,再将尚未反应过的溶液注入到电池中,那么充电或者放电过程就可以继续进行。这种电池的能量转化不再依赖于固体电极,而是流动的液体,因此得名液流电池。

相比于使用固体电极的传统电池,液流电池有一个明显的好处就是赋予了使用者更大的自由来调节电池的性能。如果我们需要增加电池的储能容量,不需要改变电池的构造,只要把更多存有钒离子溶液的储料罐与电池相连,或者提高溶液中钒离子的浓度就可以了。如果需要提高电池的输出功率呢?也不难做到,只需要将几个相同的电池连接起来,增大两种溶液互相接触的面积,让单位时间内有更多的溶液发生化学反应。使用上的灵活性,让液流电池能够更好地发挥能量存储的功能。

与太阳能电池联用的全钒液流电池(图片来源https://www.betterworldsolutions.eu/smart-grid-battery-redox-flow-battery/)

与太阳能电池联用的全钒液流电池(图片来源https://www.betterworldsolutions.eu/smart-grid-battery-redox-flow-battery/)

与传统蓄电池相比,液流电池还有一个显著的优点就是电池变得更加容易维护。在前面我们提到,传统的蓄电池构成固体电极的材料总是在放电时转化为另一种物质,而充电时又变回到原先的物质,例如铅酸蓄电池中铅与硫酸铅之间的转化、镍镉电池中金属镉与氢氧化镉之间的转化等等。然而在实际操作中所发生的往往并不像写在化学反应式中的那么简单。例如构成电极的固体材料经过一个放电-充电循环,虽然回到了最初的化学组成,但是它的结构可能已经发生了改变,而这就不可避免地影响到电池的性能,甚至有可能造成安全事故。相反,在液流电池中,化学反应在溶液中进行,固体电极只是负责传输电流,较少受到各种副反应的干扰。因此,液流电池往往可以比传统的蓄电池经受更多的充放电循环而保持性能基本不受影响。

说了这么多液流电池的优点,我们也要谈谈它的局限性。由于不再像传统蓄电池那样将能量储存在固体材料中,液流电池难以避免的一个缺点是单位质量能够提供的电能要大打折扣,因为溶液的浓度再高,仍然会有大量的溶剂对于对电能的存储毫无贡献。这就好比同样大小的钱包,一个人将它塞满了钞票,另一个人却除了钞票还要放进草纸,两个人一起上街,谁能买到更多的东西自然不言而喻。例如前面提及的全钒液流电池,单位质量能提供的能量只有锂离子电池的20%左右[1]。即便液流电池并不用于便携式设备,人们仍然希望它们越小越好。另外,如何通过使用更为低廉的材料降低液流电池的成本也是目前研究人员努力的一大方向。

当然,有缺点并不可怕,关键是我们如何通过技术的进步来逐渐克服这些缺点。事实上,液流电池技术实际上早在上世纪70年代就已经出现,但直到近些年来人们才意识到它的价值。目前关于液流电池的研究已经成为相当热门的一个领域。相信在不久的将来,这种独特的电池技术能够为解决人类的能源问题发挥更大的作用。

 

参考文献

[1] Bruce Dunn, Haresh Kamath, Jean-Marie Tarascon, “Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices”, Science, 2011, 334, 928

来源: 
科学公园
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