建模框架可以帮助加速大规模长期电力存储的液流电池的开发

未来几十年，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(能够24/7全天候供电)需要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FikileBrushett说。该设计提供了许多好处并带来了一些挑战。

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。充电时，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，“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补充说：“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，”KaraRodby博士解释说。22岁，曾是Brushett实验室的成员，现在是VoltaEnergyTechnologies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存在于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。

最先进的技术：钒

设计液流电池的一个关键因素是所选的化学物质。这两种电解质可以包含不同的化学物质，但如今使用最广泛的装置在两侧都有不同氧化态的钒。这种安排解决了液流电池的两大挑战。

首先，钒不会降解。“如果你将100克钒放入电池中，并在100年后回来，你应该能够回收100克钒-只要电池没有某种物理泄漏，”Brushett说.

其次，如果一个罐中的一些钒通过膜流到另一侧，则电解质不会发生永久性交叉污染，只会改变氧化态，这很容易通过重新平衡电解质体积来解决并通过次要充电步骤恢复氧化态。当今的大多数商业系统包括连接两个钒罐的管道，当两个钒罐失去平衡时，该管道会自动将一定量的电解液从一个罐转移到另一个罐。

然而，随着电网越来越多地由可再生能源主导，将需要越来越多的液流电池来提供长期存储。对钒的需求将会增长，这将是一个问题。“钒在世界各地都有发现，但含量很稀，而且提取起来很困难，”罗德比说。“因此，它的生产地点有限——主要是在俄罗斯、中国和南非——而且供应链也不可靠。”因此，钒的价格既高又极不稳定——这阻碍了钒液流电池的广泛部署。

超越钒

那么问题就变成了：如果不是钒，那又是什么?世界各地的研究人员都在试图回答这个问题，许多人正专注于使用比钒更丰富、更便宜的材料来开发有前途的化学物质。但这并不容易，Rodby指出。虽然其他化学品可能提供较低的初始资本成本，但随着时间的推移，它们的运营成本可能会更高。他们可能需要定期维修以恢复其中一种或两种电解质的活力。“你甚至可能需要更换它们，所以你实际上是在一次又一次地承担初始(低)资本成本，”Rodby说。

事实上，比较不同选择的经济性是很困难的，因为“因变量太多了，”Brushett说。“液流电池是一个电化学系统，这意味着有多个组件协同工作才能使设备发挥作用。正因为如此，如果你试图改进一个系统——性能、成本等等——这是非常困难的，因为当你触摸一件事，其他五件事就会改变。”

那么，我们如何才能以有意义的方式将这些新兴的化学物质与当今的钒系统进行比较呢?我们如何将它们相互比较，以便我们知道哪些更有前途以及每个潜在的陷阱是什么?Brushett说：“解决这些问题可以帮助我们决定将研究重点放在何处以及将我们的研发资金投资于何处。”

技术经济模型作为指导

理解和评估新兴能源技术的经济可行性的一个好方法是使用技术经济模型。使用某些模型，可以考虑已定义系统的资本成本，以及基于系统的预计性能的随时间推移的运营成本，从而产生在系统生命周期内贴现的总成本。该结果允许潜在购买者在“平准存储成本”的基础上比较选项。

使用这种方法，Rodby开发了一个框架来估算液流电池的平准化成本。该框架包括电池的动态物理模型，可跟踪其随时间的性能，包括存储容量的任何变化。因此，计算出的运营成本涵盖了数十年运营所需的所有服务，包括为应对物种退化和交叉而采取的补救措施。

分析所有可能的化学物质是不可能的，因此研究人员专注于某些类别。首先，他们将选择范围缩小到将活性物质溶解在水中的选择。“水性系统走得最远，最有可能在商业上取得成功，”罗德比说。接下来，他们将分析限制在“不对称”化学;也就是说，在两个水箱中使用不同材料的设置。(正如Brushett解释的那样，钒的不同寻常之处在于在两个罐中使用相同的“母体”材料几乎是不可行的。)最后，他们将可能性分为两类：具有有限寿命的物种和具有无限寿命的物种;也就是说，那些会随着时间的推移而退化，而那些不会。

他们的分析结果并不明确;没有一种特定的化学成分可以领先群雄。但它们确实为选择和追求不同的选择提供了一般指导方针。

有限寿命材料

虽然钒是单一元素，但有限寿命材料通常是由多种元素组成的有机分子，其中包括碳。有机分子的一个优点是它们可以在实验室和工业规模上合成，并且可以改变结构以适应特定功能。例如，可以使分子更易溶解，因此更多的分子会存在于电解质中，系统的能量密度会更大;或者它可以做得更大，这样它就不会穿过膜并穿过另一边。最后，有机分子可以由简单、丰富、低成本的元素制成，甚至可能来自其他行业的废物流。

尽管有这些吸引人的功能，但仍有两个问题。首先，有机分子可能需要在化工厂制造，而根据需要升级低成本前体可能证明比预期的更昂贵。其次，这些分子是大的化学结构，并不总是非常稳定，因此它们很容易降解。“因此，随着交叉，你现在有了一种随着时间的推移而发生的新的退化机制，”罗德比说。“此外，你可能会弄清楚降解过程以及如何在一种有机分子中逆转它，但在你研究的下一个分子中，这个过程可能完全不同，这使得每一种新化学的发现和发展都需要付出巨大的努力。“

研究正在进行中，但目前，Rodby和Brushett发现要证明有限寿命的化学物质具有挑战性，主要是基于其资本成本。Rodby引用了对这些材料的制造成本进行估算的研究，认为目前的选择无法以足够低的成本在经济上可行。“它们比钒便宜，但还不够便宜，”罗德比说。

结果向使用有机分子设计新化学物质的研究人员发出了一个重要信息：一定要尽早考虑操作挑战。Rodby和Brushett指出，通常直到“创新管道”的尽头，研究人员才开始着手解决与前景良好的系统的长期运行相关的实际问题。麻省理工学院团队建议，了解潜在的衰减机制以及如何经济有效地逆转或补救它们应该成为前期设计标准。

无限寿命物种

无限寿命物种包括像钒一样不会衰变的材料。最有可能的候选者是其他金属;例如，铁或锰。“这些是商品规模的化学品，成本肯定会很低，”罗德比说。

在这里，研究人员发现有更广泛的“设计空间”可供选择，可以与钒竞争。但仍有挑战需要解决。虽然这些物质不会降解，但它们在用于电池时可能会引发副反应。例如，许多金属催化氢的形成，这会降低效率并增加另一种形式的容量损失。虽然有多种方法可以解决析氢问题，但仍然需要一种足够低成本且有效的解决方案来应对这种副反应的高速率。

此外，交叉仍然是一个需要补救步骤的问题。研究人员评估了两种处理结合两种无限寿命物种的系统交叉的方法。

首先是“旁观者策略”。在这里，两个水箱都包含两种活性物质。Brushett解释说，“电池的两面都有相同的电解质混合物，但只有一种在工作，而另一种是旁观者。”因此，可以采用与钒液流电池中使用的方法类似的方式来修复交叉。缺点是每个槽中有一半的活性材料无法用于存储电荷，因此被浪费了。“在每单位能量的基础上，你的电解液成本基本上翻了一番，”罗德比说。

第二种方法要求制作一种具有完美选择性的膜：它必须只让维持两侧之间电平衡所需的支持离子通过。然而，这种方法会增加电池电阻，损害系统效率。此外，膜需要由特殊材料制成——比如陶瓷复合材料——根据目前的生产方法和规模，这将是极其昂贵的。Rodby指出，此类膜的研究正在进行中，但成本和性能指标“远未达到合理的水平。”

时间就是生命

研究人员强调气候变化威胁的紧迫性以及准备好电网规模、长期存储系统的必要性。“现在有很多化学物质正在研究中，”罗德比说，“但我们需要集中精力寻找一些实际上能够与钒竞争并且可以很快部署并长期运行的解决方案。”

技术经济框架旨在帮助指导这一过程。它可以计算特定设计的平均存储成本，以便与钒系统和彼此进行比较。它可以确定与长期运行或修复相关的知识中的关键差距，从而确定应优先考虑的技术开发或实验研究。它还可以帮助确定在这些下一代化学中，较低的前期成本和较高的运营成本之间的权衡是否有意义。

Rodby指出，好消息是在一种液流电池化学研究中取得的进展通常可以应用于其他类型。“很多从钒中学到的原理都可以转化为其他系统，”她说。她认为，该领域不仅在理解方面取得了进步，而且在设计解决所有液流电池常见问题的实验能力方面也取得了进步，从而有助于为该技术在未来的电网规模存储中发挥重要作用做好准备。