[科普中国]-液相储能

背景

储能系统可以使间歇性的能源连续发电，保证系统稳定功率输出，消除输入功率的波动性及与负载需求的差异。储能对电网正常稳定运行和用户用电质量有重要作用。储能技术可以对电力传输系统提供很多优势。

储能主要分为物理储能和化学储能两种类型。物理储能主要有机械储能(抽水储能，压缩空气等)和电磁储能等。储能系统应该满足安全、长循环寿命、转换效率高等特点。电化学储能系统是化学储能中主要的形式，在充电的时候电池内部发生化学反应，把电能转化为化学能储存起来，放电的过程中，电池再把化学能转化为电能。电池电化学储能系统可以直接把化学能转化为电能，因此特别适合把其他形式的能量转化为电能储存起来。相比于其他的储能装置电化学储能技术有更高的效率。而电化学储能技术比其他的储能技术有更高的能量密度。

简介液相储能是基于液相中电化学活性物质的电极反应为储能方式。在充电过程中，电能转化为液相中活性物质的化学能;放电过程中，再由化学能转化为电能。整个充放电过程都是在液相中进行的。

如图所示，传统电池所使用的活性物质是纳米固相颗粒，在大倍率快速充放电过程中(或长时间循环后)，因易发生颗粒大小的改变、相变、易从集流体上脱落等问题而变得不稳定。锂一金属电池一般在循环100圈后，金属铿的表面就会有铿枝晶生成，使电池变得不稳定，甚至有可能刺穿隔膜，使电池发生爆炸，造成安全隐患。因此，这类电化学储能装置在大倍率深度充放电的条件下的循环寿命都很短，并且存在安全隐患。与此相反，电化学液相储能，整个充放电过程都是在液相中进行，固相电极材料只作为接受和释放电子的载体，充放电过程中不存在上述形态上的变化。整个过程不涉及固相反应，也不涉及固相离子的传输，反应物和产物均是可溶性的，电极可以承受大倍率快速充放电。因此，电化学液相储能和传统的固相储能电池相比，高倍率深度充放电的性能更好，有更长的循环寿命，并且安全。1

无隔膜液相储能系统液相储能电池通常以可溶性的活性离子作为电池正负极的氧化还原电对，这就需要使用离子交换膜作为电池的隔膜以防止可溶离子的相互干扰[68-75]。离子交换膜的使用带来许多问题:理想的高化学稳定性和高离子传导性的离子交换膜难于得到，离子膜的使用使成本增加、系统复杂、能量转化效率低等。近年来液相甲磺酷铅电池正负极电解质溶液都是甲基磺酸铅溶液，充放电过程正负极分别发生如图的反应。

电池充电时正极沉积二氧化铅和负极沉积金属铅，放电时沉积物转化回原来的基质，因此无需使用离子交换膜，只需要使正负极不接触，保持一定的距离即可。从而降低了电池的成本并且使电池的制作工艺得到简化。

全沉积型铅酸液流电池不同于传统的铅酸蓄电池。传统的铅酸蓄电池使用硫酸溶液作为电解液，其电极反应可表示为:

可以看出，充电时铅酸蓄电池中二价铅的来源是不溶性硫酸铅，正负电极反应都涉及到从一种固相到另一种固相的转变，这使电极反应更加复杂，降低了电池性能。此外，由于放电反应产物PbS氏为不良导体，一方面使电池内阻随着放电过程而逐渐增大，另一方面，放电生成的PbSO;将活性物质Pb02包住，从而使内部的PbOZ不能参加反应。这些原因都导致了铅酸蓄电池活性物质利用率较低。此外铅酸电池的制作过程比较复杂，需要制作板栅，极板固化干燥、化成等一系列复制的制作过程，而液相甲磺酸铅电池不需要隔膜，只需要使正负极不接触，保持一定的距离，因此不仅生产成本更低，制作过程也更加简单。铅酸电池由于硫酸的盐化作用，电池不可能长时间放电状态储存，而液相甲磺酸铅电池的活性物质是液相甲磺酸铅溶液，则不会存在这种问题。

全钒功率型液相储能随着科技发展和社会进步，能源和环境问题也日趋严峻.发展清洁高效的能源成为当今必须面对的重大问题.液相储能作为一种新型的储能方式以其长寿命、无污染、容量可调控等特点而广受关注.液相储能体系是一种基于溶液溶解态活性物质的电能和化学能相互转换的装置，在充放电过程中不存在固相反应和固相离子传输.依据需要，液相储能体系可以设计成能量型也可设计成功率型的工作装置。

胡俊平等借助改变电极结构，优化电极活性物质流动的方式，以提高液相储能体系的功率性能。考察电极厚度、电极活性物质的浓度、电解液的流量等因素对液相储能体系放电电压和功率密度的影响，探讨了在不同条件下的功率特性，以设计具有高功率输出性能的液相储能体系。2