隨著世界各國(guó)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(dòng)性問(wèn)題。

通常要達(dá)到4小時(shí)以上甚至跨周、跨季節(jié)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，才能保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(yáng)能發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性。

近年來(lái)，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)越來(lái)越火。據(jù)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)伍德麥肯茲統(tǒng)計(jì)，全球投運(yùn)及在建的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能項(xiàng)目，價(jià)值已超過(guò)300億美元。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能委員會(huì)的最新研究估計(jì)，到 2030 年，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能將成為一個(gè)價(jià)值 3.6 萬(wàn)億美元的行業(yè)，裝機(jī)容量潛力將達(dá)到4-6太瓦。

面對(duì)廣闊的市場(chǎng)潛力，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新也層出不窮。近日，美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)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(jiàn)化學(xué)品用于大規(guī)模儲(chǔ)能。該設(shè)計(jì)為通過(guò)地球上儲(chǔ)備豐富的材料造出安全、經(jīng)濟(jì)的水基液流電池開(kāi)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(yáng)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(lèi)似鐵基電池在更少的充電周期內(nèi)，充電容量會(huì)下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

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(guò)電化學(xué)反應(yīng)充電并以化學(xué)鍵儲(chǔ)存能量。當(dāng)連接到外部電路時(shí)，它們會(huì)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(guò)程中，不涉及物相的變化，因此循環(huán)壽命可達(dá)上萬(wàn)次，整體使用壽命可以達(dá)到20年或者更長(zhǎng)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(zhuān)為大規(guī)模儲(chǔ)能而設(shè)計(jì)的鐵基液流電池自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)就已出現(xiàn)，其中一些現(xiàn)已商用。

在運(yùn)行過(guò)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(guò)改變流動(dòng)液體電解質(zhì)中鐵的電荷來(lái)存儲(chǔ)能量。當(dāng)需要儲(chǔ)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(chǔ)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(chēng)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(gòu)買(mǎi)，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(wú)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(shuō)：“使用與我們?cè)谶@里開(kāi)發(fā)的化學(xué)物質(zhì)類(lèi)似的電池儲(chǔ)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(shì)。此外，我們的系統(tǒng)使用的試劑可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到，以前還沒(méi)有研究將其用于液流電池?！?/p>

研究小組報(bào)告說(shuō)，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(chǔ)存更多的能量，但用地球上儲(chǔ)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(lái)

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(chǔ)能脫碳戰(zhàn)略的關(guān)鍵支柱之一。

負(fù)責(zé)可充電儲(chǔ)能設(shè)備的材料開(kāi)發(fā)的PNNL 高級(jí)科學(xué)家李國(guó)勝（Guosheng Li）說(shuō)：“我們的下一步是通過(guò)關(guān)注電壓輸出和電解質(zhì)濃度等方面來(lái)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。”

PNNL 研究人員計(jì)劃在 2024 年在 PNNL 開(kāi)設(shè)的名為電網(wǎng)存儲(chǔ)發(fā)射臺(tái) (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(lái)液流電池技術(shù)和策略的發(fā)展，使新能源存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠安全部署。