液流电池

null液流电池液流电池姓名：hzf 学号：一 工作原理一 工作原理 液流电池技术是一种新型的大规模高效电化学储能（电）技术，通过反应活性物质的价态变化实现电能与化学能相互转换与能量存储。在液流电池中，活性物质储存于电解液中，具有流动性，可以实现电化学反应场所（电极）与储能活性物质在空间上的分离，电池功率与容量设计相对独立，适合大规模蓄电储能需求null二 液流电池分类二 液流电池分类2.1按电极反应形式 a. 无沉积反应 即离子在电极面变价后又回到液流中去的反应 例如 全钒氧化还原液流电池 b. 有沉积反应 b1.双沉积反应 例如全沉积型铅酸液流电池 b2单沉积反应 例如锌/溴电池 全铁电池null2.2 按电化学体系分 a. 正负极电对为两个变价元素 a1阳离子变价 例如 Ti-Cr Cr-Fe 体系 a2阴离子变价 例如 多硫化钠/溴液流电池 a3阴阳离子变价 例如钒/溴液流电池 b. 正负极电对为同一个变价元素则该元素至少有 3 个价态 例如 全钒液流储能电池null2.3 按电解液数目分 分为双流动电解液和单流动电解液 2.4 按电堆的功能分类 分为单纯蓄电和双功能—蓄电/电化学合成三 双液流电池三 双液流电池3.1 电池特点3.1 电池特点双液流电池的储能活性物质与电极完全分开，功率和容量设计独立，易于模块组合； 电解液储存于储罐中不会发生自放电； 电极只提供电化学反应场所，自身不发生氧化还原反应 电解液可以在充放电过程带走热量，避免热失效问题3.2 常见双液液流电池3.2 常见双液液流电池氧化还原电对是液流电池实现储能的活性物质，是影响液流电池性能的主要因素。为了断提升电池性能，许多氧化还原体系被尝试用于液流电池系统。 主要的氧化还原体系 铁铬体系、铁钛体系、全钒体系、钒溴体系、多硫化钠溴体系、钒镉体系、铁钒体系3.2.1 全钒液流电池3.2.1 全钒液流电池null全钒体系是目前技术相对成熟，最接近商业化的体系。由于正负极活性物质为同种元素，消除了正负极活性物质交叉污染的问题。但是由于V5+的溶解度较低，极大地限制了电池的能量密度，并且V5+的溶解度与温度呈负相关，随着温度的升高会有V2O5沉淀析出，使得钒电池的工作温度局限在10～40 ℃内。为了扩展全钒液流电池的工作温度，提高能量密度，目前的研究工作主要集中在电解液的改性方面。利用硫酸和盐酸的混合溶液作为支持电解液，在钒浓度为3.0 mol/L的条件下将全钒液流电池的工作温度扩展到-5～50 ℃范围，有效地拓展了钒电池的工作温度。3.3 铁钒液流电池3.3 铁钒液流电池 Fe-V体系液流电池是一种最新提出的双液流电池体系，这种电池利用Fe3+/Fe2+作为正极电对，V3+/V2+作为负极电对，采用正负极电解液相混的方法避免活性物质的渗透带来的容量损失。由于正负极电对的溶解度较高，并且随温度的升高溶解度增大，从而有效地提高了电池的能量密度，拓宽了电池的工作温度，但是这种电池的开路电压较低，功率密度较低，并且需要严格控制充电状态，以避免正极电解液中的V3+/V2+被氧化成更高价态，产生沉淀，极大地限制了这种电池体系的应用。四 沉积型单液流电池四 沉积型单液流电池 沉积型单液流电池是在双液流电池基础上发展而来的一种新型液流电池技术。沉积型单液流电池中的正极、负极共用一种电解液，在充放电过程中，至少有一个氧化还原电对的充放电产物沉积在（或原本在）电极上。根据电化学沉积反应的数目，沉积型单液流电池又分为双沉积型单液流电池和单沉积型单液流电池。与双液液流电池相比，单液液流电池不需要离子交换膜 电池的成本及电池系统的复杂性都有所降低4.1 全沉积型单液流电池4.1 全沉积型单液流电池 全铅沉积型单液流电池是全沉积型单液流电池的典型代表，最早由Pletcher等于2004年提出。该电池以酸性甲基磺酸铅水溶液作为电解液，充电时正负极分别在惰性基体上沉积金属Pb和PbO2；放电时沉积物溶解转化为Pb2+回到溶液。在电池充电/放电过程中，正负电极材料需要保持一定距离，避免电极接触和短路4.1.1 全铅单液流电池原理4.1.1 全铅单液流电池原理4.1.2 电池特点4.1.2 电池特点最主要的缺点是正负极物质的沉积速度不同 致使电池在经过几次的充放电之后 负极沉积了大量的铅 使电池性能降低直至失效 PbO2电极动力学问题是全铅单液流电池发展瓶颈 此种电池的充放电电流密度为 10-60mA/cm 放电电压约为 1.55 V 库伦效率超过 85% 能量效率约为 65% 4.2 单沉积型单液液流电池4.2 单沉积型单液液流电池单沉积型单液流电池是指电池使用过程中，只有一个氧化还原电对的充放电产物沉积在电极上，另一个电极反应为固态相变的电池类型。 主要有：锌-镍单液流电池、二氧化铅-铜单液流电池、醌-镉单液流电池4.2.1二氧化铅-铜单液流电池4.2.1二氧化铅-铜单液流电池4.2.2 电池电极4.2.2 电池电极二氧化铅-铜单液流电池的正极采用了与传统铅酸电池相同的PbSO4/PbO2固态电极，负为Cu/Cu2+沉积型电极，以CuSO4的酸性水溶液为电解液。 该电池使用PbO2/PbSO4电对作为正极活性物质，在硫酸介质中的极化过电势很小，所以电池的极化主要来自Cu负极。4.2.3 电池特点4.2.3 电池特点Cu负极不形成枝晶，又由于其较高的电极电位，不发生析氢反应。因此，Cu负极具有较高的充电效率 电池的PbO2正极充放电状态要控制在50%以下，仅有部分的Cu2+和PbO2参与电极反应，损失了电池的容量 电池在运行一段时间后，会有少量的Cu粉和PbO2粉末进入电解液中，造成电池容量损失 实验中，循环450 次后 电池性质几乎不衰退 得到的平均电压为1.29 V。 库伦效率达到了97% ，能量效率也达到了83%4.3 钒/空气单液流电池4.3 钒/空气单液流电池钒/空气单液流电池是在全钒液流电池和燃料电池技术基础上发展起来的电池新概念，该电池采用了全钒液流电池的负极体系作为负极半电池，采用了燃料电池中的空气或者氧扩散电极作为正极半电池null4.3.1 电池特点4.3.1 电池特点与全钒液流电池相比，由于钒/空气单液流电池采用了空气/氧气扩散电极取代了液流正极半电池，钒电解液用量减少一半，钒/空气单液流电池系统的能量密度提高一倍，显著地降低了储能装备成本。 由于正负极活性物质的相态不同，会出现正极一侧氧气向负极一侧扩散和负极一侧溶液向正极一侧渗透等问题，这些问题不仅造成电池容量的损失，也极大地影响了电池的长期稳定运行。 作为一项具有广阔应用前景的电池技术，钒/空气单液流电池的研究前景光明，但仍然存在重要技术屏障需要克服4.4 可再生液流/燃料电池4.4 可再生液流/燃料电池可再生液流/燃料电池将溶有氧化还原对的正极溶液与负极燃料以单液流的形式供给到电池正极，氧化还原在正极发生还原反应，燃料通过透膜行为。扩散到负极发生氧化，实现能量从化学能到电能的转化，是一种新型的电池技术。放电结束后，在电池的负极一侧通入空气，利用空气中氧气的还原反应实现正极高价氧化物的再生。单极可再生液流/燃料电池的典型实例主要为（Fe3+/Fe2+）液流/甲醇燃料电池null4.4.1 电池特点4.4.1 电池特点种电池是一种单液流电池，结构简单，辅助设施少，成本较低，并且由于燃料直接参加电化学反应，电池具有较高的能量密度。 由于混合燃料中氧化还原电对的限制，单体电池的开路电压较低。因此寻找能被氧气高效氧化，并且具有较高的平衡电位的氧化还原对，是提高单极可再生液流/燃料电池能量和功率密度的有效途径。4.5 半固态双液流电池4.5 半固态双液流电池半固态锂离子液流电池采用与传统双液流电池相同的结构设计，不同之处在于半固态锂离子液流电池将传统锂离子电池电极材料的粉末分散到溶液中形成电极材料的悬浊液，利用这种悬浊液电极取代双液流电池中的惰性碳电极。悬浊液电极既充当了传统双液流电池电解液中的活性物质，发生电化学反应，同时又是电化学反应场所null4.5.1 电池特点4.5.1 电池特点电池能够将能量储存到固相物质中，而不是电解质溶液中，从而提高电池系统的能量密度，其能量密度约为传统双液流电池系统能量密度的10倍 由于采用了半固态的悬浊液作为活性物质，形成液/固两相电化学体系，使电化学反应与传质过程的矛盾十分突出，在规模化应用过程中遇到了明显的障碍 这种半固态液流电池的研究刚刚处于起步阶段，无论是电极材料选择、膜材料的选择，还是电池结构的设计都需要深入的研究五 总结五 总结5.1 对于传统双液流电池来说，在逐步实现全钒液流电池等成熟技术商业化的同时，开发具有溶解度大、化学性质稳定、电极反应可逆性高、无析氧/析氢副反应、电对平衡电位差大等特点的新电对以及非水体系是一项很有意义且充满前景的工作null5.2 与双液流电池相比，沉积型单液流电池具有结构简化、比能量高、成本低等特点，但是单液流电池的容量受固体电极所限，寿命有待提高。沉积型金属电极的均匀性和稳定性以及兼顾正负电极性能的电解液等问题也有待进一步解决null5.3 新型液流电池技术，如钒/空气液流电池、（Fe3+/Fe2+）液流/甲醇燃料电池或半固体锂离子液流电池，目前正处于研究的起步阶段，无论性能还是可靠性和循环寿命，都不能满足实际应用的需求，因此这些新技术要成为成熟的商业化技术还有很长的路要走。null5.4 大规模、高效率、低成本、长寿命是未来液流储能电池技术的发展方向和目标。因此，需要加强液流储能电池关键材料（如电解液、离子交换膜、电极材料等）及电池结构的研究，提高电池可靠性和耐久性。同时，应进行关键材料的规模化生产技术开发，实现电池关键材料的国产化以显著降低成本，并且积极开展应用示范，为液流储能电池的产业化和大规模应用奠定基础。谢谢谢谢