西班牙布爾戈斯大學(xué)、意大利帕多瓦大學(xué)、芬蘭阿爾托大學(xué)、捷克西波希米亞-皮爾森大學(xué)和巴斯克研究與技術(shù)聯(lián)盟（BRTA）的研究人員對(duì)全氧化還原液流電池（RFB）和混合RFP技術(shù)進(jìn)行了全面分析。他們認(rèn)為，在固定存儲(chǔ)應(yīng)用中，這些技術(shù)是鋰離子技術(shù)的有希望的替代品。

研究人員說，氧化還原流存儲(chǔ)技術(shù)與其他存儲(chǔ)技術(shù)相比具有優(yōu)勢，如靈活的模塊化設(shè)計(jì)/操作、可擴(kuò)展性、適中的維護(hù)成本、長壽命循環(huán)、高往返效率（RTE）、放電深度（DoD）、快速響應(yīng)和可忽略的環(huán)境影響。這些積極因素大多與該技術(shù)獨(dú)特的能量和電力解耦能力有關(guān)。

該組織表示：“與鋰離子電池等其他技術(shù)相比，功率和能量密度的限制通常是通過更具成本效益的可擴(kuò)展性來克服的。”

研究人員稱，釩氧化還原液流電池（vrfb）和鋅溴氧化還原液流電池（zbfb）是最具代表性的混合液流電池類型，是最先進(jìn)的。然而，他們補(bǔ)充說，要使它們在商業(yè)上取得成功和適用性，還有“很長的路要走”。

釩氧化還原液流電池

釩氧化還原液流電池的正極和負(fù)極由膜隔開，該膜選擇性地允許質(zhì)子通過。在充電過程中，施加的電壓使釩離子各自在正側(cè)失去電子。被釋放的電子通過外部電路流向負(fù)側(cè)，并在那里被存儲(chǔ)。在放電過程中，所存儲(chǔ)的電子被釋放，并通過外部電路流回正極。

氧化還原液流電池最初是由美國國家航天局（NASA）在70年代為太空計(jì)劃開發(fā)的。與RFB相關(guān)的多項(xiàng)專利在2006年到期，引發(fā)了一場工業(yè)化商業(yè)競賽，到2028年其市場規(guī)模將增長到45億美元。

根據(jù)GreentechMedia的數(shù)據(jù)，2015年和2016年在美國部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，有90％以上是鋰離子電池，今年也可能如此。數(shù)十年來，電動(dòng)汽車電池以及筆記本電腦，平板電腦和智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的電池都投入了大量精力，因此該技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展。例如，特斯拉的Powerwall旨在用于住宅和企業(yè)能源存儲(chǔ)，但它使用的鋰離子電池與該公司的電動(dòng)汽車基本相同。

對(duì)于電網(wǎng)規(guī)模的應(yīng)用，我們一直以目標(biāo)為目標(biāo)，但是鋰離子存在重大缺陷。為了使電池組能夠存儲(chǔ)兆瓦時(shí)，需要成千上萬個(gè)鋰離子電池，每個(gè)鋰離子電池需要單獨(dú)管理，也需要與其他電池一起管理。即使那樣，鋰離子電池也只能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)（通常為2小時(shí)或更短的時(shí)間）供電。

為了制造更長壽命的電池，制造商將不得不使電極更厚，并用更多的活性材料包裝它們，這將提高價(jià)格。或者公用事業(yè)公司可以簡單地安裝更多的鋰離子電池組，從而增加了成本。

鋰離子電池的性能也會(huì)隨著時(shí)間而下降，從而使電池的典型使用壽命為10年左右。這對(duì)于家用汽車可能很好，但是不太希望在電網(wǎng)上使用。鋰離子電池存在已知的安全問題，最引人注目的是偶爾爆炸或自燃。

我們還研究了鈉硫電池。一度被認(rèn)為對(duì)公用事業(yè)規(guī)模的安裝很有前景，這種電池可在300°C左右的溫度下工作，以液化分別形成正極和負(fù)極的硫和鈉。但是這些電池也具有易燃性問題。例如，在日本Joso市一家工廠的2兆瓦系統(tǒng)在2011年著火后，電池制造商N(yùn)GKInsulators召回了產(chǎn)品并暫時(shí)停止了生產(chǎn)。

相比之下，氧化還原液流電池（RFB）具有其他電池所沒有的功能。從理論上講，如果使用不可燃材料制造，它們可以輕松擴(kuò)展到兆瓦時(shí)，在更長的使用壽命內(nèi)保持其性能，并且更加安全。與將鋰離子或其他固態(tài)電池存儲(chǔ)在由活性固體材料制成的電極中的電能或電荷相反，RFB的工作方式更像可逆燃料電池：要放電，電池會(huì)吸收存儲(chǔ)在液體電解質(zhì)中的化學(xué)能，將其轉(zhuǎn)換為電流，從而使充電過程逆轉(zhuǎn)。

經(jīng)常被認(rèn)為是劣勢的氧化還原液流電池（RFB）可能無法提供與鋰離子電池相同的功率，但是它們在循環(huán)壽命，安全性和可靠性方面可與固定應(yīng)用競爭。全世界的公用事業(yè)公司正在試點(diǎn)項(xiàng)目中對(duì)RFB進(jìn)行狂熱的測試，而中國正在建設(shè)世界上最大的電池（200MW/800MWh），該電池將完全由氧化還原液流電池供電。如果成功，該項(xiàng)目將在全國范圍內(nèi)復(fù)制，并可能在歐洲和美國復(fù)制。

RFB通過溶解在稱為陽極液和陰極液的液體溶液中的電活性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行操作，并存儲(chǔ)在槽中。通過膜交換離子，可以產(chǎn)生電池電壓并從這種系統(tǒng)中提取能量。可以獨(dú)立調(diào)節(jié)水箱和隔膜的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)功率和能量功能的解耦，從而使該技術(shù)非常靈活，可根據(jù)用戶需求量身定制。

固定式能量存儲(chǔ)是在住宅，工業(yè)和電網(wǎng)級(jí)別提高可再生能源利用率以及實(shí)施能效措施的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。氧化還原液流電池技術(shù)盡管具有較高的前期成本和較低的能量密度，但即使經(jīng)過數(shù)千次循環(huán)后仍具有良好的容量保持能力，因此投資回收期較短。此外，氧化還原液流電池（RFB）保留了大部分初始值，這是因?yàn)槠浔绕渌姵鼗瘜W(xué)物質(zhì)更容易回收其核心組件。RFB的一些化學(xué)藥品，例如基于釩的化學(xué)藥品，已經(jīng)商業(yè)化，將占據(jù)60億美元市值的大部分。其他化學(xué)物質(zhì)，例如鋅/溴和氫/溴，

鋰離子電池將因?qū)嵱眉?jí)液流電池的出現(xiàn)而遭受挫折，這將有助于緩解電動(dòng)汽車應(yīng)用中對(duì)鋰資源的壓力。最后一個(gè)有趣的說法是，除顯著例外外，RFB行業(yè)的很大一部分位于歐洲和美國。上述公司的成功將推動(dòng)西方世界與亞洲鋰離子電池市場競爭者的競爭力。

VRFBs的主要障礙是低可用性和高釩成本，以及需要一個(gè)雙向DC/AC逆變器來連接電網(wǎng)。然而，最近在電解質(zhì)組成、膜和電極以及效率、功率和電流密度方面取得了進(jìn)展。

研究人員說，這些技術(shù)的另一大優(yōu)勢是能夠立即對(duì)電網(wǎng)激增的電力需求作出反應(yīng)，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)服務(wù)的電能質(zhì)量，如凹陷補(bǔ)償和頻率調(diào)節(jié)。據(jù)估計(jì)，這種電池的平準(zhǔn)化存儲(chǔ)成本（LCOS）為每小時(shí)0.18千瓦（1次循環(huán)1次）。

科學(xué)家們說：“目前的研究目標(biāo)是能夠提高活性物質(zhì)濃度和能量密度的電解質(zhì)，具有更高質(zhì)子傳導(dǎo)性和更低離子交叉的膜，具有更好水力性能的多孔電極。盡管如此，重大問題仍然存在。較低的能量密度使VRFB系統(tǒng)比同等的鋰離子系統(tǒng)體積大得多。”

鋅基電池

ZBFB是具有相當(dāng)?shù)偷碾娏髅芏鹊珱]有循環(huán)壽命限制的器件，因?yàn)殡娊赓|(zhì)不受老化影響。

“ZBFB試點(diǎn)系統(tǒng)的充放電持續(xù)時(shí)間可達(dá)10小時(shí)，這一性能可與商用VRFB媲美，電流密度可達(dá)80毫安厘米－2，能效約為80%。”學(xué)者們說。

他們還解釋說，鋅基氧化還原流動(dòng)儲(chǔ)存技術(shù)并不比釩基技術(shù)便宜，盡管鋅和溴是低成本的材料。這些電池實(shí)際上需要昂貴的隔離劑來避免有毒的溴蒸汽排放。他們的LCO估計(jì)超過了每小時(shí)0.20千瓦。

其他設(shè)備

研究人員還研究了替代的水性無機(jī)純液流電池，如釩氧氧化還原液流電池（VORFBs）、釩溴氧化還原液流電池（VBFBs）、氫溴氧化還原液流電池（HBFBs）、多金屬氧酸鹽基氧化還原液流電池（POMs-RFBs）和水性有機(jī)氧化還原液流電池（AORFBs）。此外，他們還分析了電解質(zhì)和膜的不同材料。他們介紹了半固態(tài)流動(dòng)電池（ssfb）和固態(tài)靶向/介導(dǎo)/增強(qiáng)流動(dòng)電池（smfb）的情況。

他們還研究了混合流動(dòng)/非流動(dòng)裝置，如基于金屬溶液的氧化還原雙流電池，以及鋅基、鐵基、銅基或金屬-空氣基氧化還原流動(dòng)儲(chǔ)存系統(tǒng)。此外，科學(xué)家們還研究了太陽能氧化還原液流電池（SRFB）、空氣呼吸硫液流電池和金屬二氧化碳電池的潛力。

研究人員說：“以低成本rfb為目標(biāo)的研發(fā)不僅要注重經(jīng)濟(jì)材料，還要注重優(yōu)化系統(tǒng)性能，主要是在能量密度和功率密度方面，同時(shí)保持高效率。由于固定儲(chǔ)能靶的長壽命和大規(guī)模應(yīng)用，所用材料的穩(wěn)定性和安全性是保證其可持續(xù)性和最終成功的關(guān)鍵。”

他們聲稱，到2030年，最有前途的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)0.05kwh（1次循環(huán)）的總LCO。他們在“氧化還原液流電池：可持續(xù)固定能源儲(chǔ)存的現(xiàn)狀和前景”一文中發(fā)表了他們的研究結(jié)果，該論文最近發(fā)表在《能源雜志》上。

盡管前期成本較高，但氧化還原流動(dòng)電池（RFB）技術(shù)的回報(bào)時(shí)間更短，這主要是因?yàn)榧词菇?jīng)歷多次次循環(huán)，其容量保持率仍然很可觀。由于核心組件可回收，RFB可保留其大部分初始價(jià)值。鋰離子電池將因?yàn)閷?shí)用級(jí)RFB的興起而受到影響，而且能夠承受電動(dòng)汽車應(yīng)用所需的鋰資源的壓力。