锌溴液流电池利用金属锌和卤族元素溴组成氧化还原体系,完成电能转化与储能过程。因为水溶液中的锌离子(或者溴)在一次充电过程中可以储存2个电子,不像钒离子那样每次只有1个电子转移。
这样,同样体积的水溶液,锌溴液流电池就比全钒液流电池储存的电量多2倍。通常利用以下反应式表述锌溴液流电池的电极反应原理:
正/负极电解液同为ZnBr2 水溶液,电解液通过泵循环流过正/负电极表面 。
充电时锌沉积在负极上,正极生成的溴迅速被电解液中的溴络合剂配合,生成油状配合物,使水溶液中的溴含量大幅度减少;由于络合物密度大于电解液密度,电解液循环过程中逐渐沉积在储罐底部,显著降低电解液中溴的挥发性,提高了系统安全性。
在放电时,负极表面的锌溶解,同时配合溴被重新泵入循环回路中分散后转变成溴离子。此时,溴化锌成为电解液的主要成分,该反应具有良好的电化学完全可逆性。
锌溴液流电池主要由三部分组成,包括电解液循环系统、电解液以及电堆。其中,电堆为双极性结构,通过双极板将多个单电池相互连接,形成串联结构的电路。电解液流过电堆内部的管路分配到每个单电池中,用以提高电池的功率密度。
电解液并联结构设计使得流经各单电池的电解液流量比较均匀,电压在各单电池上分布一致性良好,电堆性能容易得到保障。
电解液循环系统主要由储罐、管件、普通阀门、单向阀及传感器构成,在进行电解液循环的同时,传感器实时反馈电池的各项参数,例如:电压、电流、液位和温度等。
作为锌溴液流电池的核心部件,电堆由以下几部分组成:外部的端板为电堆的紧固提供刚性支撑,通过两端的电极与外部设备相连,实现对电池的充放电。
双极板和隔膜与具有流道设计的边框连接,在极板框和隔膜框中加入隔网,提供电池内部支撑,一组极板框和膜框构成锌溴液流电池的单电池,多组单电池叠合在一起组成锌溴液流电池的电堆。
目前,澳大利亚电池制造商RedFlow公司已经开发出锌溴液流电池的大型储能系统,并完成工程验证工作。
RedFlow将48组电池分四组进行了充放电测试,接入电网中的14kW逆变器与直流母线相连,产生50~720V电压。RedFlow公司的储能系统在440~750V的标定电压下,能够储存600kW·h电量。该储能系统包含装入20ft集装箱内的60块电池。
据RedFlow公司称,所研制开发的3kW×8h的锌溴电池储能模块适于多种固定型应用场合,并且每天可进行深度充放电。它能够将可再生能源产生的间歇性电能存储下来待用、调节电网峰谷负荷,以及在微电网中进行储能供电,其应用市场相当可观。
国内也有一些企业或单位在开发锌溴液流电池,例如北京华科储能(华电科工),江苏恒安储能(收购百能汇通),安境能源,温州锌时代 ,大连化物所等等。
华科电工锌溴液流电池储能系统具有高安全、高可靠、长寿命等产品优势。产品采用水系电解液,无起火爆炸风险,安全性高,具有更高的能量密度;电堆采用外部封装结构,具有更高的密封可靠性;通过集成技术的优化,系统更利于模块化集成与构建,运行寿命达15年。
国内首台兆瓦时级锌溴液流电池储能系统由百能汇通生产。2022年,恒安储能收购了百能汇通锌溴液流电池相关的知识产权与生产研发设备。目前,恒安储能已实现年产能200MWh。2023年11月,恒安储能母公司中国安储能源及恒安储能计划于宿迁开发区内建设年产能10GWh的锌溴液流电池生产项目。
安境能源(南京)计划总投资110亿元,分两期建设20GWh锌溴液流储能电池生产线,项目位于江苏南京溧水。安境能源分别与京能集团、上海誉硕能源签署《储能电池采购战略合作协议》。根据协议,安境能源将在五年内为两家企业供应储能电池。
温州锌时代建成国际先进锌溴液流储能电池中试产线,研制出凝聚五大核心自主知识产权的锌溴液流电堆产品,并成功并网浙江省首个锌溴液流示范项目。
大连化物所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员和袁治章研究员团队开发出面向用户侧的30kWh锌溴液流电池系统。该系统由电解液循环系统、2个独立的电堆、以及与其配套的电力控制模块组成,设计容量为30kWh。经测试,该系统在额定10kW功率下放电时,放电电量为30kWh。该系统可应用于分布式能源及家用储能等领域。
资料来源:丁玉龙,来小康等,中国化工学会储能工程专业委员会,“储能技术及应用”,化学工业出版社;北京华科储能科技有限公司(华电科工),江苏恒安储能科技有限公司,安境能源(南京)有限公司,温州锌时代能源有限公司,大连化物所等等
原文始发于微信公众号(艾邦液流电池网):一文带你了解锌溴液流电池!