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沙发
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发表于 2016-4-12 11:04:48
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总的结果是两种含有钒的化合物变成了另外两种钒的化合物,而反应中产生的电能就通过电极源源不断地输出到外部电路中。而电池充电时,上面这个反应又反过来进行。
液流电池的基本原理:在电池内部,正负极的反应物被半透膜隔开。无论充电还是放电,所有的化学反应都在溶液中进行,反应结束后溶液可以通过泵从电池中抽走,同时新的待反应的溶液从储料罐中被注入到电池内部。图片引自参考文献[1]无论是充电还是放电,只要反应进行完全,那么能量的转化也就宣告结束。但与传统电池不同的是,对于液流电池,我们可以用泵将已经转化好的溶液从电池中抽走,再将尚未反应过的溶液注入到电池中,那么充电或者放电过程就可以继续进行。这种电池的能量转化不再依赖于固体电极,而是流动的液体,因此得名液流电池。
相比于使用固体电极的传统电池,液流电池有一个明显的好处就是赋予了使用者更大的自由来调节电池的性能。如果我们需要增加电池的储能容量,不需要改变电池的构造,只要把更多存有钒离子溶液的储料罐与电池相连,或者提高溶液中钒离子的浓度就可以了。如果需要提高电池的输出功率呢?也不难做到,只需要将几个相同的电池连接起来,增大两种溶液互相接触的面积,让单位时间内有更多的溶液发生化学反应。使用上的灵活性,让液流电池能够更好地发挥能量存储的功能。
与太阳能电池联用的全钒液流电池(图片来源https://www.betterworldsolutions ... redox-flow-battery/)
与传统蓄电池相比,液流电池还有一个显著的优点就是电池变得更加容易维护。在前面我们提到,传统的蓄电池构成固体电极的材料总是在放电时转化为另一种物质,而充电时又变回到原先的物质,例如铅酸蓄电池中铅与硫酸铅之间的转化、镍镉电池中金属镉与氢氧化镉之间的转化等等。然而在实际操作中所发生的往往并不像写在化学反应式中的那么简单。例如构成电极的固体材料经过一个放电-充电循环,虽然回到了最初的化学组成,但是它的结构可能已经发生了改变,而这就不可避免地影响到电池的性能,甚至有可能造成安全事故。相反,在液流电池中,化学反应在溶液中进行,固体电极只是负责传输电流,较少受到各种副反应的干扰。因此,液流电池往往可以比传统的蓄电池经受更多的充放电循环而保持性能基本不受影响。
说了这么多液流电池的优点,我们也要谈谈它的局限性。由于不再像传统蓄电池那样将能量储存在固体材料中,液流电池难以避免的一个缺点是单位质量能够提供的电能要大打折扣,因为溶液的浓度再高,仍然会有大量的溶剂对于对电能的存储毫无贡献。这就好比同样大小的钱包,一个人将它塞满了钞票,另一个人却除了钞票还要放进草纸,两个人一起上街,谁能买到更多的东西自然不言而喻。例如前面提及的全钒液流电池,单位质量能提供的能量只有锂离子电池的20%左右[1]。即便液流电池并不用于便携式设备,人们仍然希望它们越小越好。另外,如何通过使用更为低廉的材料降低液流电池的成本也是目前研究人员努力的一大方向。
当然,有缺点并不可怕,关键是我们如何通过技术的进步来逐渐克服这些缺点。事实上,液流电池技术实际上早在上世纪70年代就已经出现,但直到近些年来人们才意识到它的价值。目前关于液流电池的研究已经成为相当热门的一个领域。相信在不久的将来,这种独特的电池技术能够为解决人类的能源问题发挥更大的作用。
参考文献
[1] Bruce Dunn, Haresh Kamath, Jean-Marie Tarascon, “Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices”, Science, 2011, 334, 928
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