WMG找到增强混合液流电池的方法成本约为当前储存技术的五分之一-瑞达国际集团

　　WMG找到增强混合液流电池的方法成本约为当前储存技术的五分之一

　　对于大规模固定式应用，液流电池在性能，安全性和成本方面均优于锂离子电池。创新的混合液流电池设计可以帮助挑战锂离子电池市场的主导地位并实现可再生能源的大规模普及。

　　可再生能源是抗击气候变化的最有力工具之一。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)设定了将全球温度上升限制在1.5°C以内的目标。然而，要实现这一目标，将需要在2050年之前(在各种缓解气候变化的情况下)将可再生能源发电的份额提高到63-81%。

　　由于可再生能源投资组合标准等政府有利政策以及技术成本的大幅降低，过去十年来风能和太阳能取得了令人瞩目的增长。在技术和制造改进的推动下，太阳能光伏(PV)的价格自2010年以来已经下降了89%，预计到2030年将再下降34%。由于可再生能源发电的价格下跌，美国能源信息署(EIA)预测，到2021年，风能和太阳能等可再生能源的发电量将超过核能和煤炭，到2045年将成为美国的主要电力来源。

　　集中式电网架构将需要适应以整合这些技术。可再生能源每天和季节性发电的可变性以及太阳能和风能设备的分布式性质是需要考虑的主要因素。储能将在实现24/7的可再生能源可用性和稳定的电网方面发挥至关重要的作用。

　　为了增加对可再生能源的利用，至关重要的是找到一种安全，经济的方法来存储太阳能和风能，以便在太阳落山后以及无风时使用。

　　沃里克大学WMG的研究人员与伦敦帝国理工学院合作，发现了一种增强混合液流电池及其商业用途的方法。这种新方法可以将电能储存在这些电池中很长一段时间，价格约为当前技术的五分之一，而且位置限制最小，零排放。

　　研究人员在无粘合剂电泳技术(EPD)中使用氮掺杂石墨烯(暴露于氮等离子体)增强了三种混合流动细胞。

　　风能和太阳能是越来越受欢迎的可再生能源。不幸的是，间歇性问题使他们无法广泛地连接到国家电网。解决这个问题的一个可能办法是采用长时间电池技术，例如氧化还原液流电池。尽管这一系统前景广阔，但其当前的成本是决定实际采用的关键因素。根据美国能源部的数据，一个价格合理的电网电池应该是75英镑/千瓦时。主导电网储能的锂离子电池价格约为130英镑/千瓦时。

　　如今，WMG的研究人员已经找到了一种增强混合流电池或再生燃料电池(RFC)技术的方法，这种技术可以将电能储存很长时间，成本约为当前储存技术的五分之一，选址灵活，对环境影响最小。该技术通过简单而高效的纳米碳添加剂(氮掺杂石墨烯)电泳沉积，将碳基电极与经济来源的电解质(锰或硫，这是地球上丰富的化学物质)结合起来，显著提高了电极的耐久性和性能高酸性或碱性环境。

　　研究人员在2020年12月出版的ACS应用材料与界面杂志上发表了一篇题为“通过无粘结剂和电泳沉积氮掺杂石墨烯增强电化学性能的混合氧化还原流动电池”的论文。

　　沃里克大学WMG研究员、论文主要作者之一巴伦·查克拉巴蒂博士说：“这种EPD技术不仅简单，而且提高了三种不同的经济型混合流电池的效率，从而增加了它们在电网规模储能中广泛商业应用的潜力。”

　　混合液流电池的总化学成本约为锂离子电池等竞争电池成本的1/30。按比例放大的技术可用于存储风能或太阳能的电能，从多天到整个季节，每千瓦时大约15至20英镑。这些电池对于电网规模的负载均衡应用也非常有用，因为它们的设计非常灵活，因为它们的独特功能是独立于能量来调整功率大小。

　　混合液流电池，特别是多硫化物/空气系统(S-air)的能量密度是抽水蓄能的500倍。它也更加紧凑，可以放在任何可再生能源发电厂附近。长期能量输出的理想选择，而在大型公用事业规模的部署中，组件的降解极低。

　　取决于电解质的化学性质，使用寿命长达30年，与市场上其他新兴存储技术相比，液流电池可以提供无与伦比的成本确定性。尽管液流电池目前比类似尺寸的锂离子电池具有更高的前期资本投资，但在评估20至30年生命周期的总拥有成本时，它们更具竞争力。此外，随着技术的进步和生产效率的提高，液流电池的成本正在下降。

　　在公用事业领域，液流电池最适合兆瓦级功率增量的较长放电时间(六个小时或更长)。某些使用案例比其他存储类型更喜欢液流电池。对于每天需要多个充电/放电周期的应用，液流电池可在几毫秒内随负载变化而提供，它们可以从各种可用电源快速充电。实际上，根据储罐的配置，液流电池可以同时放电和充电，从而几乎无限期地提供功率容量或电压支持。液流电池的属性包括：

　　演示了10,000多个电池循环，几乎没有或没有存储容量损失。

　　斜率范围从泵运行时的排放毫秒数到不运行泵的几秒。

　　液流电池的充电速度也相当快。

　　与锂离子选件相比，操作和待机模式的温度范围宽。

　　很少或没有火灾隐患。

　　由于暴露而对人类健康构成有限风险的化学物质。

　　通过增加电解液量可以轻松扩大容量(尽管可能涉及更多的储罐和管道)。

　　混合液流电池系统工作原理

　　尽管有数十种不同类型的液流电池，但只有大约10到12种特定的化学物质可供商业应用。所有的工作原理都与引入液体电解质的基本原理相同，该液体电解质充当直流(DC)电的源，该直流电通过逆变器运行以转换为交流(AC)功率。

　　在氧化还原液流电池中，阴极电解液和阳极电解液分别存储在单独的罐中，并使用泵将流体循环到具有被薄膜隔开的电极的电池堆中。该膜允许在阳极电解液和阴极电解液之间进行离子交换以产生电。产生的功率取决于电极的表面积，而储存时间则是电解质体积的函数。对于某些技术，功率和能量可以独立缩放，从而可以轻松定制电池。

　　在混合液流电池中，在充电周期中，电活性物质沉积在电极表面上，然后在放电过程中溶解回到电解液中。对于混合技术，存储时间是电解质量和电极表面积的函数。虽然大多数混合动力技术可以达到6到12个小时的时长，但动力和能量并未完全分离。

　　液流电池既可以配置为单个储罐(通常用于较小的应用场合)，也可以配置为双储罐(通常用于较大的占地面积)。单罐系统通常以锌或其他金属电池为特征，而双罐系统则需要由盐水，铁，钒或其他矿物质组成的电解质。

　　液流电池系统的设计会根据应用和项目规模而变化。仪表背后的商业系统通常是千瓦级的包装单元，可以安装在典型的杂物间中。对于1兆瓦至5兆瓦范围内的配电应用，根据存储持续时间要求，存在具有不同级别可扩展性的容器化和/或模块化解决方案。正在开发的公用事业规模设计可能具有数百万加仑的电解液存储量，因此行业趋向于将大量的堆叠模块一起抬头并通过管道输送到大型的现场安装的水箱中。

　　动力堆栈和系统平衡组件(例如管道，泵，密封件，冷却系统和控制仪表)比锂离子配置需要更多的日常维护。但是，如果遵循常规维护准则，则液流电池性能不应在项目寿命内降低。当将运营和维护(O&M)成本与弥补性能下降所需的锂离子容量增加成本进行比较时，液流电池的年度成本要便宜一些。

　　障碍液流电池技术的因素

　　锂离子技术主导着当今的存储市场，这有充分的理由。但是，随着可再生能源市场渗透率的提高，越来越多的所有者开始考虑使用更长期限的存储资产。

　　锂离子电池和液流电池技术的成本都在下降，很难预测价格何时何地会稳定下来。使用当今的技术，锂离子电池的成本(美元/千瓦时)通常会在4小时的存储时间后趋于平稳，因为必不可少的是，必须增加大量的相同电池。但是，随着存储时间增加到8至12小时，液流电池的单位成本继续下降。4小时系统的电源模块与12小时系统的电源模块相同，因此，向液流电池增加持续时间/能量的增量成本与向系统中添加电解质有关。

　　利用当今的技术，液流电池的资本成本几乎是同类锂离子系统成本的两倍。随着更长的存储时间和更长的使用寿命，经济效益会有所改善，但以目前的价格，它有望无法与锂离子平价。退役和回收成本可能更适合液流电池，因为电解液更易于回收或一次性处理(取决于技术类型)，但是这些成本仍在增长。随着流动原始设备制造商提高制造规模和供应链效率，以及随着EPC承包商获得现场经验，成本将继续下降。尽管如此，液流电池仍在追逐锂离子成本下降的移动目标。

　　与竞争性锂离子技术的庞大安装基础相比，当今液流电池技术无法完全渗透市场的主要障碍是缺乏商业化。在短期内，在建立广泛的商业记录并证明用例，成本和投资回报之前，可能会安装相对较小的液流电池设施。