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一文帶你讀懂液流電池工作原理

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來源：華夏氣候

液流電池是一種新的電化學儲能技術。它將正負極電解液分開，並各自迴圈的一種高效能蓄電池。

根據電解液的不同，液流電池可以分為：全釩液流電池、鋅溴液流電池、多硫化鈉/溴液流電池、鋅/鎳液流電池等。

1、液流電池組成

液流電池由電池單元、電解液、電解液儲存供給單元等部分構成，如圖1所示。

圖1 液流電池組成和結構

2、液流電池工作原理

液流電池的正極和負極電解質溶液儲存於電池外部的儲罐中，透過泵和管路輸送到電池內部，透過正、負極電解質溶液活性物質發生可逆氧化還原反應，實現電能和化學能的相互轉化。

這裡以全釩液流電池為例，釩化學性質活躍，呈現多種價態，釩液流電池以釩離子的不同價態的溶液為電解液，使其在正負極板上發生可逆反應，完成充電、放電和再充電過程。電池充電後，正極物質為V5+離子溶液，負極為V2+離子溶液；電池放電後，正、負極分別為V4+和V3+離子溶液。

2.1 液流電池充電（儲能）

充電時，正極發生氧化反應活性物質價態升高，負極發生還原反應活性物質價態降低，如圖2所示。

圖2 液流電池放電過程

2.2 液流電池放電（釋能）

放電時，正極活性物質價態降低，負極活性物質價態升高，液流電池釋放出它所儲存的能力，如圖3所示。

圖3 液流電池放電過程

3、液流電池特點

功率和容量相互獨立，輸出功率由電池模組的大小和數量決定，儲能容量由電解液的濃度和體積決定，功率與容量的獨立設計；

能量轉化效率高，啟動速度快；

具有很強的過載能力和深度放電能力。

全釩液流儲能電池原理圖解

全釩液流儲能電池是一種新型、高效的電化學儲能裝置。

由原理圖可以看出，電解質溶液（儲能介質）儲存在電池外部的電解液儲罐中，電池內部正負極之間由離子交換膜分隔成彼此相互獨立的兩室（正極側與負極側），電池工作時正負極電解液由各自的送液泵強制透過各自反應室迴圈流動，參與電化學反應。

充電時電池外接電源，將電能轉化為化學能，儲存在電解質溶液中；放電時電池外接負載，將儲存在電解質溶液中的化學能轉化為電能，供負載使用。

充電時正極：VO2++H2O→VO2++2H++e-

充電時負極：V3++ e-→V2+

放電時正極：VO2++2H++e-→VO2++H2O

放電時負極：V2+→V3++ e-

全釩液流電池正極電解液電對為VO2+/VO2+，其中VO2+易水解形成V2O5沉澱，且溶度積很小，會造成電池不可逆，所以維持電解液中V（V）穩定性非常重要。但當溫度達到40℃以上時V（V）及酸濃度較低時仍會形成V2O5的水合物結晶析出。VO2+在硫酸中有飽和溶解度，目前商用釩電解液濃度在1.5~1.8mol/L，溫度範圍在-5~40℃，因此在配置釩電解液時要注意溫度和硫酸濃度控制。

電解液負極為V3+/V2+，兩種離子都具有強還原性，V2+暴露在空氣中會立即被氧化，因此負極電解液需要密封或用惰性氣體保護。V3+/V2+溶解度隨著溫度和硫酸濃度的變化與VO2+相同，且相同溫度和硫酸濃度情況下V3+/V2+的穩定性要低，因此在低溫充電狀態下V3+析出也是釩電池需要解決的問題。

正極電解液在低溫下更穩定，負極電解液在高溫下更穩定。

一文帶你讀懂液流電池工作原理

液流電池正成為主流的新型儲能技術

在眾多儲能電池中，液流電池是一種越來越受到人們關注的新型儲能系統，被廣泛研究認為是現階段發展前景最大的儲能技術之一。相比於其他儲能系統，液流儲能電池具有更多在技術上的優勢。主要有以下優點：

ꔷ 極安全：不燃不爆，適應各種工作環境

ꔷ 經濟性：全生命週期的度電成本友好

ꔷ 服務壽命長：萬次以上的充放電迴圈

ꔷ 靈活性：極易部署，按需配置，線上升級

ꔷ 大容量：輕鬆滿足兆瓦級電力應用場景

液流電池工作原理

液流電池作為電化學儲能技術之一，最早由L.H.Thaller在1974年提出。該電池技術將陰陽極電解液分別透過管路推入電堆中，透過活性元素的價態變化，在電能和化學能之間產生轉換來實現充放電。與其他傳統離子蓄電池不同的地方是，液流電池屬於一種活性化學物質，儲存在液態化電解液中的二次儲能電池處理技術，不僅電池結構上存在差異，而且正、負極電解液中是儲存能量的。

液流電池工作原理圖

液流電池電堆中的單元電池通常由緊韌體、端板、集流板、電極框、雙極板、電極和離子傳導膜組成，電堆則是由若干個單元電池串聯起來透過壓濾機的疊合方式裝配而成。

目前典型的液流電池分類

液流電池種類較多，有鋅鐵液流電池、全釩液流電池、鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池、多硫化鈉—溴液流電池等。

儲能行業目前正處於一個前所未有的機遇與挑戰並存的關鍵時期，作為全球能源改革的重要支撐技術，已經成為各國能源可持續發展的重要戰略。液流電池作為電化學儲能之一，因其具有高安全性、長迴圈壽命、環保經濟、高性價比、快速響應、設計安裝靈活等優勢，逐漸成為新型儲能技術的優選，已經有越來越多的液流電池專案進入到大規模示範和應用階段。

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