麻省理工学院 | 网格级储能用流动电池

未来几十年，可再生能源太阳能和风能等能源将日益主导传统电网。因为这些电源只能在阳光充足或刮风的时候发电，所以要确保一个可靠的电网——一个可以全天候供电的电网——需要一些在电力充足时储存电力的方法，而在电力不足时稍后再输送。例如，由于可能有几个小时甚至几天没有风，一些储能设备必须能够长期储存大量电力。

执行这项任务的一项有希望的技术是流动电池，这是一种电化学装置，可以储存数百兆瓦时的能量，足以让数千户家庭在一次充电后连续运行数小时。流量电池具有长寿命和低成本的潜力，部分原因在于其独特的设计。在手机和电动汽车使用的日常电池中，储存电荷的材料是电极上的固体涂层。麻省理工学院（MIT）化学工程副教授菲基尔·布鲁谢特（Fikile Brushett）表示：“流动电池将这些固态电荷存储材料溶解在电解质溶液中，然后将溶液泵入电极。”。这种设计带来了许多好处，也带来了一些挑战。

流动电池：设计和操作

流动电池包含两种进行电化学反应的物质，其中电子从一种物质转移到另一种物质。当电池充电时，电子的转移迫使这两种物质进入“能量上不太有利”的状态，因为它储存了额外的能量。（想象一个球被推到山顶。）当电池放电时，随着储存的能量被释放，电子的转移将物质转移到更有利的能量状态。（球被释放，允许滚下山。）

流动电池的核心是两个大槽，其中装有液体电解质，一个是正极，另一个是负极。每种电解液都含有溶解的“活性物质”——原子或分子，它们会发生电化学反应，释放或储存电子。在充电过程中，一种物质被“氧化”（释放电子），另一种物质则被“还原”（获得电子）；在卸任期间，他们交换角色。泵用于使两种电解质通过单独的电极循环，每个电极由多孔材料制成，提供丰富的表面，活性物质可以在其上反应。相邻电极之间的一层薄膜防止两种电解质直接接触并可能发生反应，这将释放热量并浪费本来可以用于电网的能量。

当电池放电时，负极上的活性物质氧化，释放出通过外部电路流向正极的电子，导致负极上的物质减少。这些电子通过外部电路的流动可以为电网供电。除了电子的运动外，“支持”离子（电解质中的其他带电物质）也会通过膜来帮助完成反应，并保持系统的电中性。

一旦所有物种都发生反应，电池完全放电，系统就可以重新充电。在这个过程中，来自风力涡轮机、太阳能农场和其他发电源的电力驱动了反向反应。正极的活性物种氧化，通过电线释放电子回到负极，在那里它们重新加入原来的活性物种。电池现在已经复位，可以在需要的时候发出更多的电。Brushett补充道：“电池可以这样反复循环使用数年。”

好处和挑战

这种系统设计的一个主要优点是，能量储存的地方（储罐）与电化学反应发生的地方（所谓的反应器，包括多孔电极和膜）是分开的。因此，电池的容量（它可以存储多少能量）和功率（它可以充电和放电的速率）可以分别调整。卡拉·罗德比博士（Kara Rodby PhD’22）解释道：“如果我想有更多的容量，我只需要把油箱做得更大。”卡拉·罗德比博士曾是布鲁谢特实验室的成员，现在是沃尔特能源技术公司（Volta Energy Technologies）的技术分析师。“如果我想增加它的功率，我可以增加反应堆的尺寸。”这种灵活性使得设计一种适合特定应用的流动电池成为可能，并在将来需要改变时对其进行修改。

然而，流动电池中的电解液会随着时间和使用而降解。虽然所有电池都会经历电解液降解，但流动电池尤其会经历一种相对较快的降解形式，称为“交叉”。这种膜的设计目的是允许较小的支持离子通过并阻止较大的活性物质，但实际上，它并不是完全有选择性的。一个储罐中的一些活性物质可以潜入（或“越过”）并与另一个储罐的电解质混合。然后这两种活性物质可能发生化学反应，有效地使电池放电。即使他们没有这样做，一些活性物质也不再位于它所属的第一个储罐中，因此电池的总容量较低。

恢复因交叉而损失的容量需要某种补救措施，例如，更换一个或两个储罐中的电解液，或寻找方法重新建立两个储罐内活性物质的“氧化状态”。（氧化状态是指分配给原子或化合物的一个数字，用于判断其电子数量是否比处于中性状态时的电子数量多或少。）这种修复在流动电池中更容易执行，因此更具成本效益，因为与传统电池相比，所有组件都更容易访问。

最新技术：钒

设计流动电池的一个关键因素是所选的化学成分。这两种电解质可能含有不同的化学物质，但今天最广泛使用的装置在两侧具有不同氧化状态的钒。这种安排解决了流动电池的两大挑战。

首先，钒不会降解。布鲁谢特说：“如果你把100克钒放进电池，100年后再回来，你应该能够回收100克钒，只要电池没有任何物理泄漏。”。

其次，如果一个槽中的一些钒通过膜流向另一侧，则电解质不会发生永久性交叉污染，只会发生氧化状态的转变，这很容易通过重新平衡电解质体积和通过较小的充电步骤恢复氧化状态来补救。今天的大多数商业系统都包括一条连接两个钒罐的管道，当两个罐失去平衡时，该管道会自动将一定量的电解质从一个罐转移到另一个罐。

然而，随着可再生能源在电网中越来越占主导地位，将需要越来越多的流动电池来提供长期存储。钒的需求将增长，这将是一个问题。Rodby说：“钒在世界各地都有发现，但含量很低，很难提取。”。“因此，钒的生产地有限，主要在俄罗斯、中国和南非，供应链也不可靠。”因此，钒价格既高又极不稳定，阻碍了钒流动电池的广泛应用。

钒以外

问题是：如果不是钒，那又是什么？世界各地的研究人员正试图回答这个问题，许多人正致力于使用比钒更丰富、更便宜的材料来开发有前途的化学产品。但罗比指出，这并不是那么容易。虽然其他化工厂可能提供较低的初始资本成本，但随着时间的推移，它们的运营成本可能会更高。他们可能需要定期维修，以恢复一种或两种电解质的活力。Rodby说：“你甚至可能需要更换它们，所以你基本上一次又一次地承担了初始（低）资本成本。”。

事实上，比较不同选项的经济性是很困难的，因为“因变量太多”，Brushett说。“流动电池是一种电化学系统，这意味着有多个组件协同工作才能使设备发挥作用。因此，如果你想提高系统的性能、成本，那很难，因为当你触摸一件东西时，其他五件东西会发生变化。”

那么，我们如何以有意义的方式将这些新出现的化学物质与当今的钒体系进行比较呢？我们如何将它们相互比较，从而知道哪些更具前景，以及每一个的潜在陷阱是什么？Brushett说：“解决这些问题可以帮助我们决定将研究重点放在哪里，以及现在将研发资金投资到哪里。”。

以技术经济建模为指导

理解和评估新能源和新兴能源技术的经济可行性的一个好方法是使用技术经济模型。使用某些模型，可以计算定义系统的资本成本，并根据系统的预计性能计算一段时间内的运营成本，从而在系统的使用寿命内产生折现的总成本。该结果允许潜在购买者在“均衡存储成本”基础上比较选项。

使用这种方法，Rodby开发了一个框架用于估算流动电池的平准化成本。该框架包括电池的动态物理模型，可以跟踪电池随时间的性能，包括存储容量的任何变化。因此，计算的运营成本涵盖了几十年运营所需的所有服务，包括为应对物种退化和交叉而采取的补救措施。

分析所有可能的化学物质是不可能的，所以研究人员将注意力集中在某些类别上。首先，他们将选择范围缩小到活性物质溶解在水中的选项。Rodby说：“水系统是最远的，最有可能在商业上取得成功。”。其次，他们将分析局限于“不对称”化学；也就是说，在两个储罐中使用不同材料的设置。（正如Brushett解释的那样，钒很不寻常，因为在两个储罐中使用相同的“母体”材料几乎不可行。）最后，他们将可能性分为两类：寿命有限的物种和寿命无限的物种；也就是说，随着时间的推移而退化的和没有退化的。

他们的分析结果并不明确；没有一种特殊的化学物质能引领潮流。但它们确实为选择和追求不同的选择提供了一般指导。

有限寿命材料

虽然钒是一种单一元素，但有限寿命材料通常是由多种元素组成的有机分子，其中包括碳。有机分子的一个优点是可以在实验室和工业规模上合成，并且可以改变结构以适应特定的功能。例如，可以使分子更容易溶解，因此电解质中会出现更多的分子，系统的能量密度也会更大；或者可以把它做得更大一些，这样它就不会穿过膜，然后交叉到另一边。最后，有机分子可以由简单、丰富、低成本的元素制成，甚至可能是其他行业的废物流。

尽管有这些吸引人的特点，但仍有两个问题。首先，有机分子可能需要在化工厂制造，而根据需要升级低成本前体可能会比预期的成本更高。其次，这些分子是大的化学结构，并不总是很稳定，所以很容易降解。Rodby说：“随着时间的推移，随着交叉，你现在有了一种新的降解机制。”。“此外，你可能会发现降解过程以及如何在一种有机分子中逆转它，但在你研究的下一种分子中，降解过程可能会完全不同，这使得每种新化学的发现和发展都需要付出巨大的努力。”

研究仍在进行中，但目前，Rodby和Brushett发现，主要基于其资本成本，为有限寿命化学家提供案例具有挑战性。罗比引用了估计这些材料制造成本的研究，认为目前的选择不可能以足够低的成本实现经济可行性。罗德比说：“它们比钒便宜，但还不够便宜。”。

研究结果向使用有机分子设计新化学的研究人员发出了一个重要信息：确保尽早考虑操作挑战。Rodby和Brushett指出，通常直到“创新管道”的下游，研究人员才开始解决有关前景看好的系统长期运行的实际问题。麻省理工学院的团队建议，了解潜在的衰变机制以及如何经济有效地逆转或补救这些机制应该是一个预先设计的标准。

无限寿命物种

无限寿命物种包括像钒一样不会腐烂的材料。最可能的候选金属是其他金属；例如，铁或锰。罗德比说：“这些都是低成本的商品级化学品。”。

在这里，研究人员发现有一个更大的“设计空间”，可以与钒竞争。但仍有一些挑战需要解决。虽然这些物种不会降解，但在电池中使用时可能会引发副反应。例如，许多金属催化氢的形成，这会降低效率并增加另一种形式的容量损失。虽然有办法解决氢的进化问题，但仍然需要一个成本足够低、效率足够高的副反应解决方案。

此外，交叉仍然是一个需要补救措施的问题。研究人员评估了在结合两种无限生命周期物种的系统中处理交叉的两种方法。

第一个是“观众策略”。在这里，两个坦克都包含两个活跃的物种。Brushett解释道，“电池两侧的电解液混合物相同，但只有一种电解液可以工作，另一种是旁观者。”因此，可以采用与钒液流电池类似的方法来解决交叉问题。缺点是每个罐中有一半的活性物质无法用于储存燃料，因此被浪费了。Rodby说：“按单位能源计算，电解液成本基本上翻了一番。”。

第二种方法要求制造一种完全选择性的膜：它必须只通过维持两侧电平衡所需的支持离子。然而，这种方法增加了细胞阻力，损害了系统效率。此外，膜需要由一种特殊材料制成，例如陶瓷复合材料，根据目前的生产方法和规模，这种材料将非常昂贵。Rodby指出，此类膜的研究正在进行中，但成本和性能指标“远未达到应有的水平”

时间至关重要

研究人员强调了气候变化威胁的紧迫性，以及需要准备好网格规模、长期存储系统。Rodby说：“现在有许多化学制品正在研究中，但我们需要改进一些解决方案，这些解决方案实际上能够与钒竞争，并且可以很快部署并长期运行。”

技术经济框架旨在帮助指导这一进程。它可以计算特定设计的平准化存储成本，以便与钒系统和其他系统进行比较。它可以确定与长期运行或补救相关的关键知识差距，从而确定应优先考虑的技术开发或实验调查。而且，这有助于确定在这些新一代化学品中，前期成本较低和运营成本较高之间的权衡是否合理。

罗德比指出，好消息是，在一种流动电池化学研究方面取得的进展往往可以应用于其他类型的电池。她说：“从钒中学习到的许多原理可以转化为其他系统。”。她认为，该领域不仅在理解上有所进步，而且在设计解决所有流动电池常见问题的实验的能力上也有所进步，从而帮助该技术为其在未来网格存储中的重要作用做好准备。