液流电池 更新时间：2017-11-29 16:14

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电化学液流电池(electrochemical flow cell)一般称为氧化还原液流电池(flow redox cell或者redox flow cell)是一种新型的大型电化学储能装置，正负极全使用钒盐溶液的称为全钒液流电池，简称钒电池.其荷电状态 100%时电池的开路电压可达1.5V。

工作原理

液流电池一种新的蓄电池，液流电池是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池.具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点.是目前的一种新能源产品。氧化还原液流电池是一种正在积极研制开发的新型大容量电化学储能装置,它不同于通常使用固体材料电极或气体电极的电池,其活性物质是流动的电解质溶液,它最显着特点是规模化蓄电,在广泛利用可再生能源的呼声高涨形势下,可以预见,液流电池将迎来一个快速发展的时期。目前,液流电池普遍应用的条件尚不具备,对许多问题尚需进行深入的研究。 循环伏安测试表明:石墨毡具有良好导电性、机械均一性、电化学活性、耐酸且耐强氧化性,是一种较好的电极材料,与石墨棒和各种粉体材料相比,更适合用于液流电池的研究和应用。论文对采用的石墨毡电极分别进行了未处理、热处理、酸热处理。借助于扫描电镜,观察了三种处理方式的石墨毡表面形貌的差异,热处理和酸热处理能除去石墨毡表面的杂质和影响电化学反应的污染物,使石墨毡表面干净平整,石墨毡的表面状况得到明显改善。交流阻抗实验表明,与未处理石墨毡相比,经过热处理、酸热处理石墨毡的电阻明显减小,证实了活化处理对石墨毡表面状况的改善,使石墨毡材料得到改性,降低了电阻,增强了电化学活性。

特点

钒氧化还原液流电池是一种优秀的储能系统，它有如下的优点：

(1)额定功率和额定能量是独立的，功率大小取决于电池堆，能量的大小取决于电解液。可随意增加电解液的量，达到增加电池容量的目的。

(2)在充放电期间，钒氧化还原蓄电池只是液相反应，不象普通电池那样有复杂的可引起电池电流中断或短路的固相变化。

(3)电池的保存期无限，储存寿命长。因为电解液是循环使用的，不存在变质问题，只是长期使用后，电池隔膜电阻有所增大。

(4)能深放电但不会损坏电池，可100%放电。

(5)电池结构简单，材料价格便宜，更换和维修费用低。

(6)通过更换电解液，就可实现“瞬间再充电”。

基于这些优点，钒电池有很广泛的用途：可作为UPS用于剧院、医院等需要紧急照明的地方;可用于通讯、铁路发送信号、无线电转播站等;可用于电动汽车、潜艇等;可作为边远地区的储能、发电系统;可进行电调峰。钒电池可实现“瞬间再充电”，对于电动汽车的开发很大的意义，电动汽车可以在加油站直接更换电解质，达“再充电”。

组成材料

电解质溶液

全钒液流电池中的溶液既是电极活性物质又是电解液，如果浓度太高，则活性物质体积比能量高，但是势必增大电解液的电阻、黏度等;同时由于五价钒离子溶解度不高，高浓度的正极溶液在接近全充电态时，会析出红色多钒酸盐沉淀，从而堵塞多孔电极表面，导致电池无法使用。为了增大钒溶液的稳定性，考虑在溶液中加入添加剂，如一些络合剂、EDTA、吡啶等，还有如明胶等稳定剂。因此，适当提高溶液浓度和适量加入添加剂，是钒电池溶液的重要研究方向。研究表明，在钒硫酸溶液中分别添加2%甘油和2%硫酸钠，可提高溶液中钒离子的溶解度和稳定性。利用循环伏安法测量含添加剂的钒硫酸溶液，得出溶液中少量的甘油和硫酸钠不会对钒氧化还原反应的可逆性产生不利的影响;用含甘油的钒硫酸溶液作为电解液组装全钒电池，测试了电池的充放电性能，表明含2%甘油的钒硫酸溶液单位体积的电容量较大。

离子交换膜

隔膜起着隔离正负极电解质溶液、阻止不同价态钒离子相互渗透的作用，通过氢离子在膜中自由迁移传递电荷。电池要求选用钒离子透过率低、交叉污染小、H+离子透过率高、膜电阻小的离子交换膜。

离子交换膜是液流电池的重要组成部分，要求具备高离子选择性、高离子传导率及良好的化学稳定性。常见的离子交换膜主要有两类，即Nafion膜和聚烯烃类膜.。Nafion膜价格昂贵，而且大多数离子在膜内渗透严重，易造成膜的堵塞.聚烯烃类离子膜化学稳定性欠佳，影响系统使用寿命。对此，制备性能优良的新型离子交换膜是目前研究中的一个热点问题。

针对不同的液流电池体系，一些研究者分别合成了含磺酸基、羧基、季铵基等杂环联苯聚芳醚等一系列膜材料。为了提高膜的亲水性，通常采用共聚方法，即在聚合物主链中同时引入磺酸基或羧基，或采用含季铵基的离子膜和含磺酸基或羧基的离子膜复合等方法，以期在提高离子选择性的同时提高离子传导率。研究中还同时应用现代分析技术对合成的离子交换膜进行表征，包括膜的离子传导率、离子在膜内的扩散系数和膜的离子迁移数等的测定，研究离子交换膜材料的主链结构和离子基团种类(磺酸基、羧基、季铵基等)、数量、分布以及离子交换膜的微观结构等对膜的选择性、离子传导性的影响。表面处理和修饰可以改变膜的性能，例如，可利用辐射接枝等方法作膜的表面改性，或以多元胺等作交联剂使膜内聚合物适当交联，目的是提高膜的强度及其抗腐蚀性能，从而提高膜的使用寿命;又如，应用接枝技术在现有膜材料上引入不同的功能基团，以提高膜的亲水性、获得大小适中的膜孔、降低水及相关离子的透过率，从而提高膜的离子传导率。

离子在膜内的传递速率是衡量膜性能的重要指标，研究物质在离子交换膜内的传递机理将为提高离子传导率提供可靠依据.深入认识并建立离子在交换膜内的传递模型，研究在系统运行条件下物质与阳/阴离子交换膜内离子基团的相互作用，以及物质在膜内传递的动力学具有十分重要意义。