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導(dǎo)讀
實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，離不開風(fēng)能和太陽能等可再生能源的投入使用，但這些能源的間歇性與不穩(wěn)定性給其大規(guī)模應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。為此，我們亟需一種既安全又高效的儲能技術(shù)來保障能源的穩(wěn)定供應(yīng)。液流電池憑借其卓越的本征安全性和長時儲能能力，成為解決這一問題的重要選擇。本文深入探討了液流電池在大規(guī)模儲能中的優(yōu)勢，并通過電堆和系統(tǒng)設(shè)計，充分挖掘其在未來能源體系中的潛力，為推動清潔能源的可持續(xù)發(fā)展提供新的思路。
圖1 圖文摘要
隨著可再生能源的日益增長，儲能系統(tǒng)在平衡能源供需方面的重要性日益凸顯。在此背景下，氧化還原液流電池作為一種新興的儲能技術(shù)，以其容量與功率解耦、本征安全、壽命長、易規(guī)模化、能量效率高、容量可恢復(fù)等優(yōu)點，成為應(yīng)對可再生能源波動性的有效緩沖器。
在液流電池中，電堆作為核心組件，不僅決定了電池的功率輸出，還直接影響容量的利用效率。提升功率密度和容量利用率可以顯著降低系統(tǒng)成本，進(jìn)而提升液流電池在大規(guī)模儲能應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性。實現(xiàn)高性能液流電池電堆的設(shè)計，需要關(guān)注關(guān)鍵部件和系統(tǒng)集成方面的研究進(jìn)展及現(xiàn)存挑戰(zhàn)。
因此，本綜述將重點探討電堆的關(guān)鍵部件設(shè)計與系統(tǒng)集成兩個方面，包括電解液、流場、電極和膜等核心部件的設(shè)計優(yōu)化，以及系統(tǒng)集成中的高效密封、均勻性控制、熱管理和電池管理系統(tǒng)等問題。
圖2 液流電池電堆結(jié)構(gòu)
作為關(guān)鍵部件之一，流場設(shè)計對液流電池性能有著至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的流場配置為流經(jīng)型設(shè)計，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但在均勻分布電解液和降低壓力損失方面存在不足。為了提升系統(tǒng)的整體性能，蛇形流場和叉指形流場等被引入液流電池。然而，傳統(tǒng)流場設(shè)計難以兼顧高傳質(zhì)效率與小流動阻力。目前的研究通過調(diào)控流道排布、寬度、間距、深度等因素，提升了電解液分布的均勻性，減少了局部流阻，并提升了傳質(zhì)效率。未來，模塊化流場、仿生設(shè)計和機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計等方法值得進(jìn)一步研究。
圖3 液流電池流場設(shè)計
電極作為液流電池的另一個關(guān)鍵部件，其設(shè)計和材料選擇直接決定了電化學(xué)反應(yīng)的效率和電池的整體性能。目前研究以碳布、碳?xì)值忍祭w維電極為基礎(chǔ)，提出了構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)和沉積納米材料等方案，以增加比表面積。此外，通過引入含氧官能團(tuán)和異質(zhì)原子摻雜，能夠增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)。結(jié)合靜電紡絲、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計和3D打印等新方法，有助于進(jìn)一步提高反應(yīng)活性、減少傳質(zhì)阻力，并延長電極的使用壽命。
圖4 液流電池電極設(shè)計
除了流場和電極，本文還探討了膜、電解液等其他關(guān)鍵組件的優(yōu)化設(shè)計。在關(guān)鍵組件優(yōu)化的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步探討了液流電池系統(tǒng)的集成與控制策略，通過合理設(shè)計系統(tǒng)布局，優(yōu)化電解液循環(huán)路徑，提升系統(tǒng)的整體效率。盡管液流電池在設(shè)計和優(yōu)化上取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨許多挑戰(zhàn)。本文通過總結(jié)現(xiàn)有研究成果，探討了液流電池在組件設(shè)計、系統(tǒng)集成、物質(zhì)傳輸問題、熱管理系統(tǒng)、電池及能量管理系統(tǒng)等方面的挑戰(zhàn)，旨在彌合學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用之間的差距，推動液流電池從實驗室單體電池到電網(wǎng)規(guī)模的商業(yè)電堆的發(fā)展。
總結(jié)與展望
盡管當(dāng)前在電堆設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化上仍存在諸多挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，液流電池有望在未來的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮更為重要的作用。未來的研究應(yīng)重點關(guān)注流場結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、電極設(shè)計的優(yōu)化、新體系的開發(fā)以及系統(tǒng)集成技術(shù)的突破，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成本的降低，液流電池將在全球能源市場中占據(jù)重要地位，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供強(qiáng)有力的支持。
