《儲能材料與器件智能制造技術》液流電池在“雙碳”目標引領全球能源轉型的浪潮下，風電、光伏等可再生能源裝機量迅猛增長，但間歇性發(fā)電帶來的電力波動問題日益凸顯，高效、可靠的大規(guī)模儲能技術成為能源可持續(xù)發(fā)展的關鍵。液流電池憑借獨特的“液體循環(huán)發(fā)電”模式，可實現(xiàn)兆瓦級乃至吉瓦級的儲能規(guī)模，且具備長壽命、安全性高、充放電靈活等優(yōu)勢，被視作破解大規(guī)模儲能難題的“利器”。從風電場旁的巨型儲能電站，到偏遠地區(qū)的分布式儲能系統(tǒng)，液流電池正以蓬勃發(fā)展之勢，為穩(wěn)定能源供應、推動能源結構轉型注入新動能。液流電池是一種利用兩種或多種溶解在液體中的活性物質在膜兩側進行可逆氧化還原反應來儲存和釋放能量的裝置。在液流電池結構中，電池內部有電堆，外部有兩個存放正負極電解液的儲罐，電解液由氧化還原電活性物質溶解在溶劑中形成。當電解液在泵的作用下輸送到電極表面時，氧化還原電解質分子得到或失去電子，從而實現(xiàn)能量的轉換。因為這種獨特電池結構，液流電池具有能量和功率解耦控制的特點，儲罐中電解液的體積和電解質濃度決定電池能量，電堆數(shù)量和電堆中的電極面積決定電池功率。液流電池結構如圖所示。充電時，正極發(fā)生氧化反應使活性物質價態(tài)升高，負極發(fā)生還原反應使活性物質價態(tài)降低，放電過程與之相反。液流電池主要的材料有雙極板、電極、隔膜、電解液等。雙極板常用材料為石墨、金屬和復合材料。電極為碳氈或石墨氈。液流電池用隔膜按照傳導離子種類可以分為陽離子膜，陰離子膜，兩性隔膜和微孔膜。常用陽離子膜包括全氟磺酸樹脂膜（Nafion膜），磺化聚醚醚酮膜（SPEEK膜）等。常用的陰離子膜為聚苯并咪唑膜（PBI膜）。電解液為強酸或強堿液。液流電池綜合效率80%，響應時間為秒級，功率高，安全性好，使用壽命長。液流電池可以應用于大規(guī)模電網(wǎng)儲能、電力調節(jié)、太陽能和風能的儲存?？梢蚤L時間穩(wěn)定工作，適合用于長周期的儲能。當前商業(yè)應用較多的全釩液流電池具有安全性高、循環(huán)壽命長(>20000次循環(huán))、能量效率高(>80%)，方便擴容等優(yōu)點。液流電池是一種基于液體電解質循環(huán)流動實現(xiàn)充放電的電化學儲能裝置，其工作原理基于氧化還原反應。核心結構由電堆、電解液儲罐、泵和管路系統(tǒng)組成。電堆內包含正負極電極、離子交換膜和電解質溶液，當電池充電時，外部電源將電能轉化為化學能，正極電解液中的活性物質被氧化，負極電解液中的活性物質被還原；放電過程則相反，正負極活性物質發(fā)生逆向反應，化學能轉化為電能，電子通過外電路流向負載，離子通過離子交換膜在正負極電解液間遷移，形成完整的電流回路。通過電解液在儲罐與電堆間的循環(huán)流動，液流電池能夠持續(xù)進行電化學反應，且儲能容量可通過增加電解液體積靈活調節(jié)。根據(jù)電解液中活性物質的不同，液流電池主要分為全釩液流電池、鋅基液流電池、鐵鉻液流電池等，每種類型各有特點：全釩液流電池：電解液中活性物質均為釩離子，正負極僅存在價態(tài)差異，避免了交叉污染問題，循環(huán)壽命長（可達15000-20000次），能量效率高（約70%-80%），且安全性強，不會發(fā)生熱失控，但釩資源成本較高限制了大規(guī)模應用。鋅基液流電池：以鋅離子為活性物質，原料成本低廉、資源豐富，輸出電壓較高，但存在鋅枝晶生長問題，容易導致電池短路，影響使用壽命。鐵鉻液流電池：電解液由鐵離子和鉻離子組成，安全性高、成本較低，且不存在自放電問題，然而其能量密度較低，反應速率較慢，需要高效催化劑提升性能。液流電池的突出優(yōu)勢使其在大規(guī)模儲能領域極具競爭力。其充放電深度可達100%，循環(huán)壽命長，全生命周期成本低；電解質溶液不燃燒、不爆炸，安全性遠高于鋰電池；通過調整電解液儲罐大小，可靈活設計儲能容量，滿足不同規(guī)模的儲能需求。在可再生能源消納方面，液流電池儲能電站可配套風電場、光伏電站，將不穩(wěn)定電能轉化為穩(wěn)定電力并入電網(wǎng)；在電網(wǎng)側，用于調峰、調頻，緩解用電高峰壓力；在用戶側，適用于工業(yè)園區(qū)、數(shù)據(jù)中心等對電力穩(wěn)定性要求高的場所，作為備用電源保障供電連續(xù)性。此外，在海島、偏遠山區(qū)等離網(wǎng)場景中，液流電池可為當?shù)鼐用窈驮O施提供穩(wěn)定電力，助力實現(xiàn)能源自給自足。為突破發(fā)展瓶頸，科研人員正從材料、結構和系統(tǒng)層面展開創(chuàng)新。開發(fā)新型低成本電解液和高性能離子交換膜，如有機液流電池體系可擺脫對稀缺金屬的依賴；優(yōu)化電堆結構設計，提高能量密度和功率密度；通過智能化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)電解液溫度、流量等參數(shù)的精準調控，提升系統(tǒng)整體效率。隨著技術進步和規(guī)?；瘧?，預計未來液流電池成本將大幅下降，在新型電力系統(tǒng)建設、分布式能源發(fā)展等領域發(fā)揮更大作用，成為推動全球能源轉型的重要力量。液流電池以其獨特的儲能優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，成為能源領域備受矚目的“明日之星”。在全球加速邁向碳中和的征程中，它不僅是穩(wěn)定可再生能源供應、提升電網(wǎng)靈活性的關鍵技術，更是構建新型能源體系的重要支撐。盡管當前面臨成