“雙碳”目標(biāo)下的鋅基液流電池
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和最主要的舉措之一，儲(chǔ)能肩負(fù)重任。隨著大規(guī)模新能源電力接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特征，電力系統(tǒng)“雙側(cè)隨機(jī)性”特征將進(jìn)一步凸顯。為此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)用戶側(cè)資源的管理，使其逐步成為與電網(wǎng)廣泛互動(dòng)的重要資源，實(shí)現(xiàn)供需雙側(cè)資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化，助力保障電力系統(tǒng)供需平衡。
鋅基液流電池儲(chǔ)能技術(shù)具有成本低、安全性高、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，是混合型液流電池的典型代表 ，適用作為固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)用于用戶側(cè)，助力推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。
鋅基液流電池的原理
通常，鋅基液流電池（ZFBs）負(fù)極電解液的活性物質(zhì)是Zn 2+（中性或弱酸性環(huán)境）或 Zn(OH)42-（堿性環(huán)境）。在充電過(guò)程中，負(fù)極側(cè)的Zn 2+或Zn(OH)42-得到電子形成金屬鋅，同時(shí)正極側(cè)的活性物質(zhì)則被氧化。放電過(guò)程則與之相反，負(fù)極側(cè)的鋅溶解形成Zn 2+或 Zn(OH)42-，同時(shí)正極側(cè)的活性物質(zhì)被還原。
鋅基液流電池的優(yōu)勢(shì)
金屬鋅資源豐富、成本低廉，使用金屬鋅的沉積溶解作為負(fù)極電對(duì)的鋅基液流電池大多數(shù)電解液具有較低的成本和較高的能量密度。同時(shí)，鋅基液流電池體系中，鋅負(fù)極具有環(huán)境友好、在空氣和水溶液中較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，電池體系中電解液為水系電解液，這都使電池的安全性得到了保障。因此成本低、安全性高、能量密度高的鋅基液流電池在分布式儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
鋅基液流電池的發(fā)展
鋅基液流電池具有電解液成本低、安全性高、電位高等優(yōu)勢(shì)，在分布式儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。從1977年鋅溴液流電池問(wèn)世以來(lái)，通過(guò)將鋅負(fù)極與不同的正極氧化還原電對(duì)配對(duì)，已發(fā)展成為儲(chǔ)能系統(tǒng)中種類最多的液流電池。其中，鋅溴液流電池已經(jīng)較為成熟，得到了市場(chǎng)的推廣和認(rèn)可，其他鋅基液流電池體系仍然處在“應(yīng)用示范，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段”，尚有關(guān)鍵問(wèn)題亟需解決。
鋅負(fù)極的問(wèn)題及改善策略
鋅基液流電池中的鋅負(fù)極主要面臨著鋅枝晶、鋅脫落、面容量受限的問(wèn)題。
鋅枝晶：電池充電時(shí)，電極表面濃差極化增大，電極表面附近離子濃度降低，反應(yīng)物離子更容易擴(kuò)散至電極表面的凸起處，誘導(dǎo)了鋅枝晶的進(jìn)一步生長(zhǎng)。隨著枝晶的不斷生長(zhǎng)，最后刺破隔膜導(dǎo)致電池短路失效。
鋅脫落：在放電過(guò)程中，與電極緊密接觸的金屬鋅優(yōu)先溶解，在有枝晶產(chǎn)生的情況下，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，枝晶的尖端將會(huì)失去與電極之間的連接；除此之外，沉積在電極表面的鋅金屬也會(huì)由于與電極連接不緊密，從電極上脫落。這些脫落的鋅將無(wú)法被繼續(xù)利用，造成了電池性能的下降。
面容量受限：鋅基液流電池多以多孔碳?xì)只蛘咂桨咫姌O作為電極。隨著充電的進(jìn)行，鋅酸根或者鋅離子會(huì)在電極上連續(xù)被還原為金屬鋅，最終沉積在電極上。一旦電極表面被鋅金屬完全覆蓋，就不能再進(jìn)行電沉積，導(dǎo)致電池面容量受限。同時(shí)，進(jìn)一步充電將導(dǎo)致電池的充電電壓急劇增加，從而在負(fù)極半電池中導(dǎo)致不可逆的析氫反應(yīng)。
這些問(wèn)題都是限制鋅基液流電池性能提升的“攔路虎”，也是實(shí)現(xiàn)鋅基液流電池實(shí)用化進(jìn)程中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。
針對(duì)鋅負(fù)極存在的鋅枝晶、鋅脫落、面容量受限等主要問(wèn)題：從電解質(zhì)溶液化學(xué)的角度入手，可以調(diào)控鋅沉積歷程；從電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度切入，可以調(diào)控鋅沉積過(guò)電位；從膜材料結(jié)構(gòu)角度來(lái)設(shè)計(jì)，可以抑制金屬鋅對(duì)其造成的破壞；從電池結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行優(yōu)化，可以調(diào)控膜與電極界面空間，提高鋅基液流電池面容量。最終突破鋅基液流電池的“瓶頸”，助力用戶側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。
在高能量密度的鋅基液流電池中，正極與負(fù)極的作用旗鼓相當(dāng)。鋅基液流電池的各類正極中，各自有什么樣的特點(diǎn)？存在什么樣的問(wèn)題？面對(duì)這些問(wèn)題應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)？
留個(gè)懸念，下期再見(jiàn)。
前景與展望
在新型電力系統(tǒng)的框架中，高能量密度的鋅基液流電池憑借體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)，在用戶側(cè)嶄露頭角，與在發(fā)電側(cè)發(fā)揮可靠作用的全釩液流電池相輔相成，共同推動(dòng)構(gòu)建以“新能源+儲(chǔ)能”為主體的新型電力系統(tǒng)，提高電網(wǎng)對(duì)高比例可再生能源的消納和調(diào)控能力，加速推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。
