3.6　本章小结

液流电池作为适用于大容量储能应用的电化学装备技术，区别于其他电池的最主要特征是将电化学活性物质溶解于电解质溶液中，随溶液流过电极表面，既能够及时提供电极反应所需的电化学活性物质（氧化剂或还原剂），又能够把得失电子后的产物迅速带走。在电池运行过程，储能介质能够得到快速补充，满足电能和化学能相互转化的需求。与此同时，流动的电解液还把电池内部产生的热量及时移出，使氧化还原反应在可控温度范围内进行，显著增强储能设备运行的安全性。与现有电池技术的最主要区别为，前者把储能所需电化学活性物质保存在固体电极上，而液流电池把它们保存在可以流动的溶液中。

液流电池依靠正极电对和负极电对的价态变化，实现电能存储与释放，要求两种电对具有良好的电化学可逆性。在放电过程，溶解于电解质溶液中的电对流过电极表面，通过负极上发生的氧化反应，负极电对失去电子变为氧化态；电子经过外电路做功后到达正极，借助正极上的还原反应，正极电对得到电子转变为还原态。在充电过程，电子的流动方向与电极上所发生的化学反应正好相反，既负极发生还原反应，正极发生氧化反应。由于采用两种电化学可逆性的电对，进行储能的充电过程和做功的放电过程可以无数次循环进行。

液流电池的电动势取决于正极电对和负极电对之间的化学势差别，仅仅与所选用的电对、浓度、温度等热力学因素有关。实际使用过程中，电池的极化过程导致正极和负极之间的电压低于电动势。由于单电池的电压太低，需要把若干单电池串联在一起组成电堆使用，有效降低电池内阻是电堆设计与制造过程中的关键环节。充电（或放电）过程的电流与电极上电子得失的速率相等，由电堆内的电化学反应速率决定，影响电化学反应的因素，包括正极电对和负极电对浓度、反应温度、有效电极面积、电解液流速等，均对电堆内的电化学极化过程产生影响。液流电池的功率等于电堆上的电压和电流的乘积，容量取决于电解质溶液中所含有的电化学活性物质的物质的量。

和其他的电池技术相比较，液流电池的显著特征是储能容量和功率可以分别独立设计。由于参与电化学反应的活性物质溶解于电解质溶液中，只要改变所使用的电解液量，就能够改变电池所拥有的电能储存容量。为了满足市场不同用户的需求，通常情况是仅仅研发有限的基本型电堆，再通过基本型电堆组合成储能系统，在最优化配置的条件下，同时满足用户对储能容量与储能功率的两方面需求。

在现有多数电池中，所有的储能物质均保持在电极上，一旦发生短路或意外事故，正极上的氧化剂和负极上的还原剂直接接触，所产生的氧化还原反应释放大量热量，往往导致燃烧或爆炸，给大规模储能带来极大隐患。与之对比，在液流电池充电/放电过程，仅仅有很小部分电解液停留在电堆中，大量的正极氧化剂和负极还原剂保存在完全隔离的储液槽内。此时，即使产生短路或意外事故，造成正极氧化剂和负极还原剂接触，也仅仅是流经电堆的少量电解液中的活性物质发生反应，极大降低储能系统发生事故的概率和危害程度，在一定程度上提高安全性。

液流电池运行过程，电解液在电池和储槽之间流动需要额外的流体输送设备，必然会消耗额外的能量和增添附属设备，在一定范围降低储能过程的效率，增加储能设备体积与重量。因此，液流电池在大多数情况下适用于静止场合使用，不适合安装于移动交通工具。对电池功率是用户主要需求的场合，液流电池需要提高电压或单电池面积，给实际设计带来诸多困难，从技术经济方面考虑，力图避免用于该场合。

液流电池储能系统是完成电能和化学能相互转化与储能的基本单元，根据具体应用场合进行功率与容量的优化设计，其经济的功率范围在10kW～10MW，容量从100kW·h～100MW·h。一般来讲，液流电池储能系统包括五个部分，电堆、电解液和输送系统、温度测控系统、电池管理系统（battery manage system，BMS）、双向换流器（power control system，PCS）。根据不同的客户需求，进行储能系统的优化设计后，能够提供可靠的电能储存于稳定供电功能。

液流电池储能系统研发过程一般可分为三个不同的层次：①电池材料，包括正极电对和负极电对的化学组成、电解质溶液成分、电极、双极板与集流体、隔膜等，电池材料是电池开发的基础；②电堆，包括单电池结构、电堆结构、分配正极和负极电解液的流量、抑制旁路电流、密封、电堆装配工艺、运行方法等，电堆技术是液流电池研发的核心；③储能系统与装备，包括电堆特性、电解液和输送系统、温度测控、电堆管理、双向换流器、运行与维护方法、安装技术与方法等，储能装备是液流电池直接面向用户的产品。因此，在进行液流电池研究开发过程中，需要根据实际情况，进行全面分析与市场调研，确定合理的技术发展路线，才能为储能市场提供技术上可行、经济上合理的产品。

液流电池能够提供经济性好、风险性低的电能储存解决方案，其储能容量和电功率可以分别进行选择，极大满足储能市场不同客户的需求。综合考虑各方面因素，液流电池在功率范围10kW～10MW、容量为100kW·h～100MW·h时具备强有力的竞争力。