小规模液流电池原型系统加速储能研究

Flow 式电池架构已经显示出在低成本、长寿命的公用事业规模储能系统中的巨大应用潜力。现在，美国能源部太平洋西北国家实验室 （PNNL） 的研究人员正在通过快速原型系统加速其商业化，该系统使他们能够使用紧凑、低成本的“迷你流动电池”快速评估有前途的流动式电池新材料、工艺和技术（图 1）。

太平洋西北国家实验室图1. PNNL 的电池研究员 Ruozhu Feng 拿着一个微型流通池的原型。

据 PNNL 称，他们重新设计的微型流通池与传统流通池的内部结构非常相似，缩小了 5 倍。但是，尽管尺寸较小，但微型流通池的性能与大型流通池相当。因此，新的电池测试系统需要的起始材料减少了一个数量级，同时提供的结果与标准的实验室规模测试系统相同。

新的微型流通池设计和实验验证的详细信息在发表在《电化学学会杂志》上的一篇文章中进行了描述。

小液流电池带来大结果

“这份报告是第一步，表明缩小我们的实验系统规模是有效的，”该研究的主要作者、材料科学家和液流电池研究员 Ruozhu Feng 说。“我们的最终目标是将 AI 和机器人技术的强大功能引入这一过程，以自动化和加速新液流电池设计的测试。”

通过减少所需的材料量并加快验证过程，这项技术可以帮助推进可再生能源解决方案。研究人员还认为，这种小型化方法将有助于使用更广泛的实验化学成分进行实验（图 2）。

冯若珠 |太平洋西北国家实验室一种新的微型液流电池（右）旨在加快有前途的新型液流电池技术的测试。

“目前，当我们确定有前途的新电池配方时，我们必须准备大量材料，这需要很多时间，”Feng 说。“通过这种微型流通池工艺，我们可以弄清楚拟议的新材料是否只在少量（毫克）可用的情况下有效。”

微型流通池设计面向专注于快速筛选和开发新电池材料的研究实验室。在他们的研究中，该团队表明，新型微型流通池适用于快速验证材料稳定性。对各种材料化学成分和浓度的严格测试有助于增强研究人员对新型按比例缩小的系统充满信心。

液流电池 101

顾名思义，液流电池由两个腔室组成，每个腔室都充满不同的液体。电池通过电化学反应充电，并以化学键形式储存能量（图 3，顶部）。当连接到外部电路时，它们会释放能量，从而为电气设备供电。

萨拉·莱文 |太平洋西北国家实验室

图3. 在这个商业规模液流电池的例子中，水系铁 （Fe） 氧化还原液流电池以电子 （e-） 的形式捕获能量，并通过改变流动液体电解质中的铁电荷（上图）来储存能量。当需要储存的能量时，铁可以释放电荷，向电网（底部）提供能量（电子）。

液流电池是一项关键技术，它们存储来自风能和水力发电等间歇性能源的能量，然后根据需要释放这些能量用于电网规模的应用（图 3，底部）。与传统电池不同，液流电池使用储存在外部油箱中的液体电解质，可灵活扩展能量容量。

加速液流电池的发展

传统上，液流电池新材料的发现是一个费力的试错过程，通常需要克级有机化合物合成、广泛的测试和大量时间投入。这种新的小型化单元设计，大约有扑克牌那么大，使用相当于几粒沙子，大大减少了每次测试所需的时间和资源，同时仍然提供可靠的结果（图 4）。

科特兰·约翰逊 |太平洋西北国家实验室图4. 商用、电网规模的电池储能系统是实验性微型流通池尺寸的 1,000 倍到 2,000 倍。

除了 Feng、Liyu 和 Kim 之外，研究团队还包括 PNNL 科学家 Chao Zeng、Carter C. Bracken、Yanang Liang 和首席研究员 Wei Wang。这项研究得到了储能研究联盟 （ESRA） 的支持，该联盟是由美国能源部科学办公室基础能源科学计划资助的能源创新中心，以及 PNNL 实验室指导的战略研究投资储能材料计划。

ESRA 联合了来自国家实验室和大学的领先专家，为能源存储和下一代电池发现铺平了道路，这将塑造电力的未来。

使美国新兴能源行业受益的团队努力

微型流通池的首席研究员兼设计师 Soowhan Kim 表示，他们成功的关键在于该团队在流通电池设计方面拥有十多年的经验，以及工程、熟练的加工和化学经验。例如，PNNL 仪器和系统控制专家 Andrey Liyu 利用他的机械工程和微流体经验，在不牺牲精度的情况下完成了规模缩小。

“从小电池到大堆栈，我们可以处理各种规模的液流电池设计和实验，”PNNL 的 Grid Storage Launchpad 的首席研究员 Kim 说。“当我们加上计算专业知识和分析化学经验时，这就是我们共同努力开发微型流通池的方式。我们希望向所有有兴趣使用它的研究人员提供此功能。