用于电网储能的新型全液铁液流电池

美国能源部太平洋西北国家实验室的研究人员将水处理设施中使用的一种常见化学品重新用于新型电池设计中的大规模储能。该设计为使用地球上丰富的材料制成的安全、经济、水基液流电池提供了一条途径。它为将风能和太阳能等间歇性能源纳入国家电网提供了另一条途径。

研究人员在《自然通讯》杂志上报告说，他们的实验室规模的铁基电池在一千个连续充电周期中表现出卓越的循环稳定性，同时保持其最大容量的98.7%。为了进行比较，之前对类似铁基电池的研究表明，在更少的充电周期内，充电容量的退化要高出两个数量级。

专为大规模储能而设计的铁基液流电池自20世纪80年代以来就已出现，其中一些现已商用。这种电池的与众不同之处在于，它以独特的液体化学配方储存能量，该配方将带电铁与中性pH值的磷酸盐液体电解质或能量载体结合在一起。至关重要的是，这种被称为含氮三膦酸盐、次氮基三甲基膦酸或NTMPA的化学物质可以工业批量购买，因为它通常用于抑制水处理厂的腐蚀。

膦酸盐(包括NTMPA)是基于磷元素的广泛化学家族。许多膦酸盐在水中溶解良好，是用于肥料和洗涤剂等用途的无毒化学品。

“我们正在寻找一种电解质，可以在室温和中性pH值的温和操作条件下将带电铁结合并存储在液体复合物中，”资深作者、PNNL高级科学家、领导可充电储能设备材料开发的李国胜说道。。“我们有动力开发地球上储量丰富且可以在国内采购的电池材料。”

什么是液流电池?

顾名思义，液流电池由两个室组成，每个室填充不同的液体。电池通过电化学反应充电并以化学键储存能量。当连接到外部电路时，它们会释放能量，为电气设备供电。与其他传统电池不同，液流电池有两个外部供应罐，液体不断循环通过其中供应电解液，充当电池系统的“血液供应”。电解液供应罐越大，液流电池能储存的能量就越多。

液流电池可以作为电网的备用发电机。液流电池是储存可再生能源能源的脱碳战略的关键支柱之一。它们的优点是可以以任何规模建造，从实验室规模(如PNNL研究中的那样)到城市街区的规模。

短期内，电网运营商希望在靠近能源消费者的城市或郊区部署电池储能系统(BESS)。通常，城市规划者必须解决消费者安全问题。这里报道的水液流电池类型可以帮助缓解安全问题。

“使用与我们在这里开发的化学物质类似的化学物质的BESS设施将具有在中性pH值的水中运行的优势，”PNNL电池材料和系统小组的研究作者兼团队负责人AaronHollas说。“此外，我们的系统使用市售试剂，此前尚未研究过这些试剂是否可用于液流电池。”

研究团队报告说，他们的初步设计可以达到每升9瓦时(Wh/L)的能量密度(这是一个关键的设计特征)。相比之下，商业化的钒基系统的能量密度是其两倍多，为25Wh/L。能量密度较高的电池可以在较小的面积内存储更多的能量，但用地球上丰富的材料构建的系统可以扩展以提供相同的能量输出。

水系氧化还原液流电池的未来发展

“我们的下一步是通过关注电压输出和电解质浓度等方面来提高电池性能，这将有助于提高能量密度，”李说。“我们的电压输出低于典型的钒液流电池输出。我们正在研究改进的方法。”

PNNL研究人员计划在2024年在PNNL开设的名为网格存储发射台(GSL)的新设施中扩大这项技术和其他新电池技术的规模。GSL将有助于加速未来液流电池技术和战略的开发，从而使新能源存储成为可能。系统可以安全部署。