液流电池是如何工作的？

发布人：电子资料库时间：2023-01-19 来源：工程师发布文章

液流电池的核心是专门设计的可再生燃料电池模块。传统的再生燃料电池基于可逆电解电化学过程运行，可以是开放系统（其中可以添加水，并去除氢和氧）或封闭系统。这些基于电解的再生燃料电池通常仅限于几千瓦的功率。液流电池在不同的电化学过程中运行，并且比传统的再生燃料电池更具可扩展性。液流电池的大小可达几兆瓦。

液流电池的基本构造和操作（图片来源：Electrosynthesis）

液流电池基于各种氧化还原（还原/氧化）化学反应运行，其中电子在不同氧化态的化学物质之间转移。虽然有几种可能的化学品可用于制造液流电池，但当今的商用液流电池通常使用氯化铁、溴化锌或钒。

氯化铁液流电池和锌溴液流电池都可以看作是电镀机。在充电过程中，铁或锌被电镀到导电电极上。在放电过程中，发生相反的过程：镀在负极上的金属铁或锌溶解在电解液中，可以在下一个充电周期再次镀上。这两种化学物质都可以长时间完全放电而不会损坏。如下所述，钒液流电池在不同的化学基础上运行。

氯化铁

铁液流电池可稳定进行无限次的深循环充电和放电循环，且性能为零。（图片：ESS）

铁液流电池 (IFB) 技术使用电解液中的铁进行反应，包括发生电镀的负电极（也称为电镀电极）和发生氧化还原反应的正电极（有时称为氧化还原电极）。IFB电池的性能可以分解为电镀电极性能（负极）、氧化还原电极性能（正极）和欧姆电阻损耗。在电镀电极上，充电时亚铁（Fe2+）离子获得电子并以固态铁的形式镀在基板上，如上图所示，固态铁在放电时溶解为亚铁离子并释放出两个电子。镀铁反应的平衡电位为-0.44V。

在氧化还原电极上，亚铁和三价铁 (Fe3+) 离子之间的氧化还原反应在充电和放电期间发生。在正极上，两个 Fe2+ 离子在充电过程中失去两个电子形成 Fe3+ 离子，两个 Fe3+ 离子在放电过程中获得两个电子形成 Fe2+。亚铁离子和三价铁离子之间的平衡电位为+0.77V。IFB 氧化还原液流电池中的反应是可逆的。

溴化锌

锌溴液流电池在充电过程中，金属锌在碳塑复合电极的正极一侧镀成厚膜，溴离子在膜的另一侧被氧化成溴并析出。在放电过程中，锌金属被氧化成 Zn2+ 离子并溶解到含水阳极电解液中。两个电子在外部电路的阳极处释放。电子返回阴极并将溴分子 (Br2) 还原为可溶于阴极电解液水溶液的溴离子。阴极电解液中的溴在阴极转化为两个溴化物（Br-）离子，平衡Zn2+阳离子，形成溴化锌溶液。用于产生电流的化学过程增加了两个电解液槽中的锌离子和溴离子浓度。

多节锌溴液流电池的结构（图片来源：Redflow）

钒

钒是一种不寻常的元素。它可以在溶液中以多种不同电荷的离子形式存在，V(2+,3+,4+,5+)，每个离子的原子核周围都有不同数量的电子。较少的电子导致较高的正电荷。在钒液流电池中，通过提供电子形成 V(2+,3+) 来储存能量，通过失去电子形成 V(4+,5+) 释放能量。因此，电解液中溶解的钒离子的不同氧化态（V2+、V3+、V4+、V5+）储存或输送电能。

电解液从储罐系统连续输送到反应池中。根据当前需求，能量存储在电解质中（电池充电）或馈入电网/网络（电池放电）。由于装卸时电解液流动方向不必改变，施密德VRFB钒液流电池在响应时间上非常快（小于20ms）。可在满载情况下在充电和放电之间切换。当系统处于待机模式时，电池组只会发生最小的放电。在电解液罐中，直到电解液通过打开泵再次流过电池堆时才会发生放电。