液流电池

液流电池是一种类型的电化学电池，其中化学能由两个化学成分提供溶解在液体中，其通过在系统上的膜的单独的侧泵送。离子交换（伴随着电流的流动）通过膜发生，同时两种液体在各自的空间中循环。电池电压由能斯特方程化学确定，在实际应用中，电压范围为1.0至2.43伏。

液流电池可以像燃料电池一样使用（提取废燃料并将新燃料添加到系统中）或像可充电电池（其中电源驱动燃料再生）一样使用。虽然它比传统的可充电设备具有技术优势，例如潜在的可分离液体罐和近乎无限的使用寿命，但当前的实现相对不那么强大，并且需要更复杂的电子设备。

液流电池是一种可充电燃料电池，其中含有一种或多种溶解的电活性元素的电解质流过电化学电池，可将化学能直接可逆地转化为电能。电活性元素是“溶液中可以参与电极反应或吸附在电极上的元素”。额外的电解液储存在外部，通常在罐中，通常通过反应器的一个或多个单元泵送，尽管重力进料系统也是已知的。液流电池可以快速“充电”通过更换电解质液体（以类似的方式再填充的燃料箱用于内燃机）同时回收用过的材料进行再充电。许多液流电池由于其低成本和足够的导电性而使用碳毡电极，尽管这些电极由于对许多氧化还原对的固有活性较低而在一定程度上限制了功率密度。

换句话说，液流电池是一种电化学电池，其特性是离子溶液（电解质）存储在电池外部（而不是电极周围的电池中），并且可以按顺序送入电池中。来发电。可以产生的总电量取决于罐中电解液的体积。

液流电池由电化学工程建立的设计原则控制。

已经开发了各种类型的流通池（电池），包括氧化还原、混合和无膜。传统电池与液流电池的根本区别在于，能量储存在传统电池的电极材料中，而在液流电池中，能量储存在电解质中。

的氧化还原（还原-氧化）细胞是其中电化学成分溶解在电解质中的可逆电池。氧化还原液流电池是可充电的（二次电池）。因为它们采用异质电子转移而不是固态扩散或嵌入，所以更恰当地称为燃料电池而不是电池。在工业实践中，燃料电池通常并且不必要地被认为是原电池，例如H2/O2系统。NASA的HeliosPrototype上的组合式再生燃料电池是另一种可逆燃料电池。在欧洲专利组织进行分类的氧化还原液流电池（H01M8/18C4）作为一个子类再生燃料电池的（H01M8/18）。氧化还原液流电池的例子是钒氧化还原液流电池、多硫化溴电池(Regenesys)和铀氧化还原液流电池。尽管已经提出了许多系统，但氧化还原燃料电池在商业上不太常见。

钒氧化还原液流电池是目前市场上销售最多的液流电池，尽管它们的能量和功率密度有限，但由于它们提供了许多优于其他化学物质的优势。由于它们在两个电极上都使用钒，因此不会出现交叉污染问题。出于同样的原因，它们具有无与伦比的循环寿命（15,000-20,000次循环），这反过来又导致了创纪录的平准化能源成本（LCOE，即系统成本除以可用能源、循环寿命和往返效率），大约为每千瓦时几十美分或欧美分，远低于其他固态电池，距离美国和欧盟政府机构规定的0.05美元和0.05欧元的目标相差不远。

原型锌-多碘液流电池已经证明用167瓦时/升（的能量密度瓦特小时每升）。较旧的溴化锌电池达到70Wh/l。作为对比，磷酸铁锂电池储存233瓦时/升。多碘化锌电池据称比其他液流电池更安全，因为它不含酸性电解质、不可燃且工作温度范围为-4至122°F（-20至50°C），不需要大量冷却电路，这将增加重量并占据空间。一个未解决的问题是锌在渗透膜的负极上积聚，从而降低了效率。由于锌枝晶的形成，卤化锌电池不能在高电流密度（>20mA/cm2）下运行，因此功率密度有限。在ZnI电池的电解液中加入酒精可以稍微控制这个问题。

当电池完全放电时，两个槽都装有相同的电解液：带正电的锌离子（Zn2+)和带负电的碘离子,(I-）。充电时，一个水箱装有另一种负离子，多碘化物，（I−3）。电池通过将液体从外部罐泵入电池的液体混合区来产生电力。在电池堆内部，锌离子穿过选择性膜并在电池堆的负极转变为金属锌。为了进一步提高碘化锌液流电池的能量密度，溴离子（Br——)用作络合剂以稳定游离碘，形成碘溴离子(I2溴-)作为释放碘离子用于电荷存储的一种手段。

一种系统使用有机聚合物和带有纤维素膜的盐水溶液。该原型经受住了10000次充电循环，同时保持了相当大的容量。能量密度为10Wh/l。电流密度达到100毫安/厘米2。

混合液流电池使用一种或多种沉积为固体层的电活性成分。在这种情况下，电化学电池包含一个电池电极和一个燃料电池电极。这种类型的能量受到电极表面积的限制。混合液流电池包括锌溴、锌铈、铅酸、和铁盐液流电池。翁等人。报道了一种钒金属氢化物可充电混合液流电池，其实验OCV为1.93V，工作电压为1.70V，在具有水性电解质的可充电液流电池中非常高。这种混合电池由在VOSO4和H2SO4的混合溶液中工作的石墨毡正极和在KOH水溶液中的金属氢化物负极组成。两种不同pH值的电解质由双极膜隔开。该系统在库仑(95%)、能量(84%)和电压(88%)方面表现出良好的可逆性和高效率。他们报告了这种新型氧化还原对的进一步改进，提高了电流密度，操作了更大的100cm2电极，以及串联操作10个大电池。使用波动模拟功率输入的初步数据测试了kWh规模存储的可行性。最近，人们提出了一种高能量密度的Mn(VI)/Mn(VII)-Zn混合液流电池。

无膜电池依赖于层流，其中两种液体被泵送通过一个通道，在那里它们经历电化学反应以存储或释放能量。溶液平行流过，几乎没有混合。流动自然地分离液体，消除了对膜的需要。

隔膜通常是电池中最昂贵和最不可靠的组件，因为它们会因反复接触某些反应物而被腐蚀。没有膜可以使用液态溴溶液和氢气：当使用膜时，这种组合是有问题的，因为它们会形成氢溴酸，会破坏膜。这两种材料都可以低成本获得。

该设计在两个电极之间使用了一个小通道。液溴流过石墨阴极上方的通道，氢溴酸流过多孔阳极下方。同时，氢气流过阳极。可以逆转化学反应为电池充电——这是任何无膜设计的xxx次。出版2013年8月一种这样的无膜液流电池产生的0.795的xxx功率密度毫瓦/厘米2，三倍功率作为其他无膜系统-和幅度的比锂离子电池的顺序变高。

最近，已经证明了能够对相同电解质流进行多次循环再充电和再循环的大规模无膜氧化还原液流电池。该电池基于不混溶的有机阴极电解液和水性阳极电解液，在循环过程中表现出高容量保持率和库仑效率。

质子液流电池(PFB)将金属氢化物存储电极集成到可逆质子交换膜(PEM)燃料电池中。在充电过程中，PFB将分解水产生的氢离子与燃料电池的一个电极中的电子和金属颗粒结合。能量以固态金属氢化物的形式储存。当这个过程相反并且质子与环境氧气结合时，放电会产生电和水。可以使用比锂便宜的金属，并提供比锂电池更大的能量密度。

金属有机液流电池使用有机配体为氧化还原活性金属提供更有利的特性。配体可以是螯合物，如EDTA，并且可以使电解质处于中性或碱性pH值，否则金属水合络合物将在此条件下沉淀。通过阻止水与金属的配位，有机配体还可以抑制金属催化的水分解反应，从而产生一些有史以来最高电压的全水系统。例如，与1,3-丙二胺四乙酸盐(PDTA)配位的铬的使用使电池电位与亚铁氰化物相比为1.62V，与溴相比为2.13V。金属有机液流电池有时也被称为配位化学液流电池，它代表了洛克希德马丁公司的GridstarFlow技术背后的技术。

排列在纳米颗粒网络中的锂硫系统消除了电荷进出与导电板直接接触的颗粒的要求。相反，纳米粒子网络允许电流在整个液体中流动。这允许提取更多的能量。

其他液流电池包括锌-铈混合液流电池、锌-溴混合液流电池和氢溴电池。

在半固态流通池中，正极和负极由悬浮在载液中的颗粒组成。阳性和阴性悬浮液储存在单独的罐中，并通过单独的管道泵入一组相邻的反应室，在那里它们被屏障隔开，例如薄的多孔膜。该方法将使用悬浮在液体电解质中的电极材料的水流电池的基本结构与锂离子电池在无碳悬浮液和具有导电碳网络的浆料中的化学性质相结合。无碳半固体氧化还原液流电池有时也称为固体分散体氧化还原液流电池。溶解材料会显着改变其化学行为。然而，悬浮固体材料的位保留了固体的特性。结果是像糖蜜一样流动的粘性悬浮液。

氧化还原液流电池，以及在较小程度上混合液流电池，具有以下优点

• 灵活布局（由于电源和能源组件分离）
• 循环寿命长（因为没有固-固相变）
• 快速响应时间
• 无需“均衡”充电（电池过度充电以确保所有电池电量相等）
• 无有害排放。

某些类型还提供简单的充电状态确定（通过电压依赖于电荷）、低维护和对过充电/过放电的容忍度。

他们是安全的，因为

• 它们通常不含易燃电解质
• 电解液可以远离电源堆存放。

这些技术优势使氧化还原液流电池成为大规模储能的理想选择。

两个主要缺点是

• 低能量密度（你需要大容量的电解液来储存有用的能量）
• 低充电和放电率（与其他工业电极工艺相比）。这意味着电极和膜分离器需要很大，这增加了成本。

与使用类似电解化学的不可逆燃料电池或电解槽相比，液流电池的效率通常略低。

液流电池通常被考虑用于相对较大（1kWh–10MWh）的固定应用。这些是为了：

• 负载平衡——电池连接到电网以在非高峰时段储存多余的电力，并在高峰需求时段释放电力。限制在该应用中使用大多数液流电池化学品的常见问题是它们的低面积功率（工作电流密度），这转化为高功率成本。
• 储存来自风能或太阳能等可再生能源的能源，以便在需求高峰期排放。
• 调峰，其中电池满足需求高峰。
• UPS，如果主电源无法提供不间断电源，则使用电池。
• 功率转换——因为所有电池共享相同的电解质。因此，电解质可以使用给定数量的电池充电并以不同数量放电。由于电池的电压与所用电池的数量成正比，因此电池可以充当非常强大的DC-DC转换器。此外，如果电池的数量不断变化（在输入和/或输出侧），功率转换也可以是AC/DC、AC/AC或DC-AC，其频率受开关装置的限制。
• 电动汽车——由于液流电池可以通过更换电解质快速“充电”，因此它们可用于车辆需要像内燃机汽车一样快速吸收能量的应用。在EV应用中，大多数RFB化学品发现的一个常见问题是它们的能量密度低，这导致行驶里程短。基于高溶解性卤酸盐的液流电池是一个明显的例外。
• 独立电源系统——这方面的一个例子是在没有电网电源可用的手机基站中。电池可与太阳能或风能电源一起使用以补偿其波动的功率水平，并与发电机一起使用以最有效地利用它来节省燃料。目前，液流电池正用于整个加勒比地区的太阳能微电网应用。