隨著世界各國邁向凈零排放的步伐加快，人們需要直面可再生能源的間歇性、波動性問題。

通常要達(dá)到4小時(shí)以上甚至跨周、跨季節(jié)的長時(shí)儲能技術(shù)，才能保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過長時(shí)儲能，我們可以以負(fù)擔(dān)得起、可靠和可持續(xù)的方式轉(zhuǎn)型到可再生能源，并能解決風(fēng)電和太陽能發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性。

近年來，長時(shí)儲能市場越來越火。據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)伍德麥肯茲統(tǒng)計(jì)，全球投運(yùn)及在建的長時(shí)儲能項(xiàng)目，價(jià)值已超過300億美元。長時(shí)儲能委員會的最新研究估計(jì)，到 2030 年，長時(shí)儲能將成為一個(gè)價(jià)值 3.6 萬億美元的行業(yè)，裝機(jī)容量潛力將達(dá)到4-6太瓦。

面對廣闊的市場潛力，長時(shí)儲能技術(shù)的創(chuàng)新也層出不窮。近日，美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）團(tuán)隊(duì)在一種新的電池設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性地將水處理設(shè)施中使用的一種常見化學(xué)品用于大規(guī)模儲能。該設(shè)計(jì)為通過地球上儲備豐富的材料造出安全、經(jīng)濟(jì)的水基液流電池開辟了新途徑。同時(shí)，這種新型鐵基液流電池為將風(fēng)能和太陽能等間歇性能源接入電網(wǎng)提供了可能。

該研究成果發(fā)表在最新的《自然·通訊》上，研究人員表示，此次實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的新鐵基電池，在連續(xù)1000次充電循環(huán)中表現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)保持其最大容量的98.7%。相比之下，先前類似鐵基電池在更少的充電周期內(nèi)，充電容量會下降兩個(gè)數(shù)量級。

01 什么是液流電池？

通常，液流電池由兩個(gè)室組成，每個(gè)室填充不同的液體。電池通過電化學(xué)反應(yīng)充電并以化學(xué)鍵儲存能量。當(dāng)連接到外部電路時(shí)，它們會釋放能量，為電氣設(shè)備供電。

與其他傳統(tǒng)電池不同，液流電池具有兩個(gè)外部供應(yīng)罐，液體不斷循環(huán)通過其提供電解液，充當(dāng)電池系統(tǒng)的“血液供應(yīng)”。電解液供應(yīng)罐越大，液流電池能儲存的能量就越多。

通常情況下，液流電池的功率輸出取決于電極的表面積，而存儲持續(xù)時(shí)間取決于電解質(zhì)體積。因此，輸出不同外部罐體的功率和儲能容量相互獨(dú)立，可拓展性能良好，可以以任何規(guī)模建造，從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到城市街區(qū)的規(guī)模。

而且，液流電池在充放電的過程中，不涉及物相的變化，因此循環(huán)壽命可達(dá)上萬次，整體使用壽命可以達(dá)到20年或者更長時(shí)間。另外，因其水系的特質(zhì)，一般不燃燒、不起火，安全性能突出，且環(huán)境友好。

02 新型鐵基液流電池有何特點(diǎn)？

專為大規(guī)模儲能而設(shè)計(jì)的鐵基液流電池自 20 世紀(jì) 80 年代以來就已出現(xiàn)，其中一些現(xiàn)已商用。

在運(yùn)行過程中，水性鐵 (Fe) 氧化還原液流電池從可再生能源中捕獲電子 (e-) 形式的能量，并通過改變流動液體電解質(zhì)中鐵的電荷來存儲能量。當(dāng)需要儲存的能量時(shí)，鐵可以釋放電荷，向電網(wǎng)提供能量（電子）。

本次新型鐵基液流電池的與眾不同之處在于，它以獨(dú)特的液體化學(xué)配方儲存能量，該配方將帶電鐵與中性pH值的磷酸鹽液體電解質(zhì)或能量載體結(jié)合在一起。至關(guān)重要的是，這種被稱為含氮三膦酸酯、次氮基三甲基膦酸（NTMPA）的化學(xué)物質(zhì)可以工業(yè)批量購買，因?yàn)樗ǔ１凰幚韽S用于抑制腐蝕。

膦酸鹽（包括 NTMPA）是基于磷元素的廣泛化學(xué)家族。許多膦酸鹽在水中溶解良好，是用于肥料和洗滌劑等用途的無毒化學(xué)品。

論文作者、PNNL 電池材料和系統(tǒng)小組的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Aaron Hollas 說：“使用與我們在這里開發(fā)的化學(xué)物質(zhì)類似的電池儲能系統(tǒng)（BESS）設(shè)備將具有在中性pH 值的水中運(yùn)行的優(yōu)勢。此外，我們的系統(tǒng)使用的試劑可以在市場上買到，以前還沒有研究將其用于液流電池?！?/p>

研究小組報(bào)告說，他們的初始設(shè)計(jì)的能量密度最高可以達(dá)到 9 瓦時(shí)/升（Wh/L）。相比之下，商業(yè)化的釩基系統(tǒng)的能量密度是其兩倍多，達(dá)到25 瓦時(shí)/升。能量密度較高的電池可以在較小的面積內(nèi)儲存更多的能量，但用地球上儲量豐富的材料構(gòu)建的新型鐵基液流電池，可輕松進(jìn)行擴(kuò)展以提供相同的能量輸出。

03 未來

液流電池可作為電網(wǎng)的備用發(fā)電機(jī)，將成為可再生能源儲能脫碳戰(zhàn)略的關(guān)鍵支柱之一。

負(fù)責(zé)可充電儲能設(shè)備的材料開發(fā)的PNNL 高級科學(xué)家李國勝（Guosheng Li）說：“我們的下一步是通過關(guān)注電壓輸出和電解質(zhì)濃度等方面來提高電池性能，這將有助于提高能量密度。目前，該電池的電壓輸出低于典型的釩液流電池輸出。我們正在研究改進(jìn)這一點(diǎn)的方法?！?/p>

PNNL 研究人員計(jì)劃在 2024 年在 PNNL 開設(shè)的名為電網(wǎng)存儲發(fā)射臺 (GSL)的新設(shè)施中擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)和其他新電池技術(shù)的規(guī)模，這將有助于加速未來液流電池技術(shù)和策略的發(fā)展，使新能源存儲系統(tǒng)能夠安全部署。