中國儲能網(wǎng)訊：
導讀
實現(xiàn)碳中和目標，離不開風能和太陽能等可再生能源的投入使用，但這些能源的間歇性與不穩(wěn)定性給其大規(guī)模應用帶來了挑戰(zhàn)。為此，我們亟需一種既安全又高效的儲能技術來保障能源的穩(wěn)定供應。液流電池憑借其卓越的本征安全性和長時儲能能力，成為解決這一問題的重要選擇。本文深入探討了液流電池在大規(guī)模儲能中的優(yōu)勢，并通過電堆和系統(tǒng)設計，充分挖掘其在未來能源體系中的潛力，為推動清潔能源的可持續(xù)發(fā)展提供新的思路。
圖1 圖文摘要
隨著可再生能源的日益增長，儲能系統(tǒng)在平衡能源供需方面的重要性日益凸顯。在此背景下，氧化還原液流電池作為一種新興的儲能技術，以其容量與功率解耦、本征安全、壽命長、易規(guī)模化、能量效率高、容量可恢復等優(yōu)點，成為應對可再生能源波動性的有效緩沖器。
在液流電池中，電堆作為核心組件，不僅決定了電池的功率輸出，還直接影響容量的利用效率。提升功率密度和容量利用率可以顯著降低系統(tǒng)成本，進而提升液流電池在大規(guī)模儲能應用中的經(jīng)濟性。實現(xiàn)高性能液流電池電堆的設計，需要關注關鍵部件和系統(tǒng)集成方面的研究進展及現(xiàn)存挑戰(zhàn)。
因此，本綜述將重點探討電堆的關鍵部件設計與系統(tǒng)集成兩個方面，包括電解液、流場、電極和膜等核心部件的設計優(yōu)化，以及系統(tǒng)集成中的高效密封、均勻性控制、熱管理和電池管理系統(tǒng)等問題。
圖2 液流電池電堆結構
作為關鍵部件之一，流場設計對液流電池性能有著至關重要的影響。傳統(tǒng)的流場配置為流經(jīng)型設計，雖然結構簡單，但在均勻分布電解液和降低壓力損失方面存在不足。為了提升系統(tǒng)的整體性能，蛇形流場和叉指形流場等被引入液流電池。然而，傳統(tǒng)流場設計難以兼顧高傳質效率與小流動阻力。目前的研究通過調控流道排布、寬度、間距、深度等因素，提升了電解液分布的均勻性，減少了局部流阻，并提升了傳質效率。未來，模塊化流場、仿生設計和機器學習輔助設計等方法值得進一步研究。
圖3 液流電池流場設計
電極作為液流電池的另一個關鍵部件，其設計和材料選擇直接決定了電化學反應的效率和電池的整體性能。目前研究以碳布、碳氈等碳纖維電極為基礎，提出了構建多孔結構和沉積納米材料等方案，以增加比表面積。此外，通過引入含氧官能團和異質原子摻雜，能夠增強電化學反應的動力學。結合靜電紡絲、機器學習輔助設計和3D打印等新方法，有助于進一步提高反應活性、減少傳質阻力，并延長電極的使用壽命。
圖4 液流電池電極設計
除了流場和電極，本文還探討了膜、電解液等其他關鍵組件的優(yōu)化設計。在關鍵組件優(yōu)化的基礎上，我們進一步探討了液流電池系統(tǒng)的集成與控制策略，通過合理設計系統(tǒng)布局，優(yōu)化電解液循環(huán)路徑，提升系統(tǒng)的整體效率。盡管液流電池在設計和優(yōu)化上取得了顯著進展，但仍面臨許多挑戰(zhàn)。本文通過總結現(xiàn)有研究成果，探討了液流電池在組件設計、系統(tǒng)集成、物質傳輸問題、熱管理系統(tǒng)、電池及能量管理系統(tǒng)等方面的挑戰(zhàn)，旨在彌合學術研究與工業(yè)應用之間的差距，推動液流電池從實驗室單體電池到電網(wǎng)規(guī)模的商業(yè)電堆的發(fā)展。
總結與展望
盡管當前在電堆設計和系統(tǒng)優(yōu)化上仍存在諸多挑戰(zhàn)，但隨著技術的不斷進步和研究的深入，液流電池有望在未來的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮更為重要的作用。未來的研究應重點關注流場結構的創(chuàng)新、電極設計的優(yōu)化、新體系的開發(fā)以及系統(tǒng)集成技術的突破，隨著技術的進一步成熟和成本的降低，液流電池將在全球能源市場中占據(jù)重要地位，為實現(xiàn)碳中和目標提供強有力的支持。
