液流電池是如何工作的?
液流電池的核心是專門設(shè)計的可再生燃料電池模塊。傳統(tǒng)的再生燃料電池基于可逆電解電化學(xué)過程運行,可以是開放系統(tǒng)(其中可以添加水,并去除氫和氧)或封閉系統(tǒng)。這些基于電解的再生燃料電池通常僅限于幾千瓦的功率。液流電池在不同的電化學(xué)過程中運行,并且比傳統(tǒng)的再生燃料電池更具可擴展性。液流電池的大小可達幾兆瓦。
液流電池的基本構(gòu)造和操作(圖片來源:Electrosynthesis)
液流電池基于各種氧化還原(還原/氧化)化學(xué)反應(yīng)運行,其中電子在不同氧化態(tài)的化學(xué)物質(zhì)之間轉(zhuǎn)移。雖然有幾種可能的化學(xué)品可用于制造液流電池,但當今的商用液流電池通常使用氯化鐵、溴化鋅或釩。
氯化鐵液流電池和鋅溴液流電池都可以看作是電鍍機。在充電過程中,鐵或鋅被電鍍到導(dǎo)電電極上。在放電過程中,發(fā)生相反的過程:鍍在負極上的金屬鐵或鋅溶解在電解液中,可以在下一個充電周期再次鍍上。這兩種化學(xué)物質(zhì)都可以長時間完全放電而不會損壞。如下所述,釩液流電池在不同的化學(xué)基礎(chǔ)上運行。
氯化鐵
鐵液流電池可穩(wěn)定進行無限次的深循環(huán)充電和放電循環(huán),且性能為零。(圖片:ESS)
鐵液流電池 (IFB) 技術(shù)使用電解液中的鐵進行反應(yīng),包括發(fā)生電鍍的負電極(也稱為電鍍電極)和發(fā)生氧化還原反應(yīng)的正電極(有時稱為氧化還原電極)。IFB電池的性能可以分解為電鍍電極性能(負極)、氧化還原電極性能(正極)和歐姆電阻損耗。在電鍍電極上,充電時亞鐵(Fe2+)離子獲得電子并以固態(tài)鐵的形式鍍在基板上,如上圖所示,固態(tài)鐵在放電時溶解為亞鐵離子并釋放出兩個電子。鍍鐵反應(yīng)的平衡電位為-0.44V。
在氧化還原電極上,亞鐵和三價鐵 (Fe3+) 離子之間的氧化還原反應(yīng)在充電和放電期間發(fā)生。在正極上,兩個 Fe2+ 離子在充電過程中失去兩個電子形成 Fe3+ 離子,兩個 Fe3+ 離子在放電過程中獲得兩個電子形成 Fe2+。亞鐵離子和三價鐵離子之間的平衡電位為+0.77V。IFB 氧化還原液流電池中的反應(yīng)是可逆的。
溴化鋅
鋅溴液流電池在充電過程中,金屬鋅在碳塑復(fù)合電極的正極一側(cè)鍍成厚膜,溴離子在膜的另一側(cè)被氧化成溴并析出。在放電過程中,鋅金屬被氧化成 Zn2+ 離子并溶解到含水陽極電解液中。兩個電子在外部電路的陽極處釋放。電子返回陰極并將溴分子 (Br2) 還原為可溶于陰極電解液水溶液的溴離子。陰極電解液中的溴在陰極轉(zhuǎn)化為兩個溴化物(Br-)離子,平衡Zn2+陽離子,形成溴化鋅溶液。用于產(chǎn)生電流的化學(xué)過程增加了兩個電解液槽中的鋅離子和溴離子濃度。
多節(jié)鋅溴液流電池的結(jié)構(gòu)(圖片來源:Redflow)
釩
釩是一種不尋常的元素。它可以在溶液中以多種不同電荷的離子形式存在,V(2+,3+,4+,5+),每個離子的原子核周圍都有不同數(shù)量的電子。較少的電子導(dǎo)致較高的正電荷。在釩液流電池中,通過提供電子形成 V(2+,3+) 來儲存能量,通過失去電子形成 V(4+,5+) 釋放能量。因此,電解液中溶解的釩離子的不同氧化態(tài)(V2+、V3+、V4+、V5+)儲存或輸送電能。
電解液從儲罐系統(tǒng)連續(xù)輸送到反應(yīng)池中。根據(jù)當前需求,能量存儲在電解質(zhì)中(電池充電)或饋入電網(wǎng)/網(wǎng)絡(luò)(電池放電)。由于裝卸時電解液流動方向不必改變,施密德VRFB釩液流電池在響應(yīng)時間上非??欤ㄐ∮?0ms)??稍跐M載情況下在充電和放電之間切換。當系統(tǒng)處于待機模式時,電池組只會發(fā)生最小的放電。在電解液罐中,直到電解液通過打開泵再次流過電池堆時才會發(fā)生放電。
在釩氧化還原液流電池中,電解液中只有一種元素(釩)用于儲存能量。(圖片:施密德)
在釩氧化還原液流電池中,電解液中只有一種元素(釩)用于儲存能量。(來源:施密德)
這個由三部分組成的常見問題解答系列的第二部分將討論“液流電池——你能用它們做什么?
*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個人發(fā)布,僅代表博主個人觀點,如有侵權(quán)請聯(lián)系工作人員刪除。