太阳能和风能等可再生能源将越来越多地主导传统电网

太阳能和风能等可再生能源将越来越多地主导传统电网。由于这些来源仅在晴天或多风时发电，因此确保可靠的电网（可以 24/7 全天候供电）需要采取某种方式在供应充足时储存电力，并在供应不足时稍后输送。并且因为可能有几个小时甚至几天没有风，例如，一些储能设备必须能够长时间储存​​大量电力。

执行该任务的一项有前途的技术是液流电池，这是一种电化学装置，可以存储数百兆瓦时的能量——一次充电足以让数千个家庭运行数小时。液流电池具有长寿命和低成本的潜力，部分原因在于其不寻常的设计。在手机和电动汽车中使用的日常电池中，储存电荷的材料是电极上的固体涂层。“液流电池采用这些固态电荷存储材料，将它们溶解在电解质溶液中，然后将溶液泵入电极，”麻省理工学院化学工程副教授 Fikile Brushett 说。该设计提供了许多好处，也带来了一些挑战。

液流电池：设计和操作

液流电池包含两种物质，它们会发生电化学反应，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一种“能量不太有利”的状态，因为它会储存额外的能量。（想象一个球被推到山顶。）当电池放电时，电子的转移将物质转移到能量更有利的状态，因为储存的能量被释放。（球被释放并允许滚下山坡。）

液流电池的核心是两个装有液体电解质的大槽，一个正极，另一个负极。每种电解质都含有溶解的“活性物质”——会发生电化学反应以释放或储存电子的原子或分子。在充电过程中，一种被“氧化”（释放电子），另一种被“还原”（获得电子）；在放电期间，他们交换角色。泵用于通过单独的电极循环两种电解质，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发生反应。相邻电极之间的薄膜防止两种电解质直接接触并可能发生反应，这会释放热量并浪费能量，否则这些能量可以用于电网。

当电池放电时，负极的活性物质氧化，释放出流过外部电路的电子到正极，导致那里的物质减少。这些电子流过外部电路可以为电网供电。除了电子的运动之外，“支持”离子——电解质中的其他带电物质——穿过膜以帮助完成反应并保持系统电中性。

一旦所有物种都发生反应并且电池完全放电，系统就可以重新充电。在此过程中，来自风力涡轮机、太阳能发电场和其他发电源的电力驱动逆反应。正极上的活性物质会氧化，通过导线将电子释放回负极，在那里它们会重新加入原来的活性物质。电池现在已重置并准备好在需要时发出更多电力。Brushett 补充道，“电池可以以这种方式反复循环使用多年。”

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——它可以储存多少能量——和它的功率——它可以充电和放电的速率——可以单独调整。“如果我想拥有更多的容量，我可以把水箱做得更大，”22 年毕业的 Kara Rodby 博士解释道，她曾是 Brushett 实验室的成员，现在是 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液流电池以适应特定应用并在未来需要更改时对其进行修改成为可能。

然而，液流电池中的电解质会随着时间和使用而降解。虽然所有电池都会经历电解质降解，但液流电池尤其会遭受一种相对较快的降解形式，称为“交叉”。该膜旨在允许小的支持离子通过并阻挡较大的活性物质，但实际上，它并不是完全选择性的。一个槽中的一些活性物质可以潜入（或“交叉”）并与另一个槽中的电解质混合。然后这两种活性物质可能会发生化学反应，从而有效地使电池放电。即使他们不这样做，一些活性物质也不再在它所属的第一个槽中，因此电池的整体容量较低。

恢复因交叉而损失的容量需要某种补救措施——例如，更换一个或两个槽中的电解质，或找到一种方法来重建两个槽中活性物质的“氧化态”。（氧化态是分配给原子或化合物的一个数字，用于判断它的电子数是否比处于中性状态时的电子数多或少。）这种修复更容易 - 因此更具成本效益 - 在液流电池中执行因为与传统电池相比，所有组件都更容易接触到。