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随着世界各国迈向净零排放的步伐加快，人们需要直面可再生能源的间歇性、波动性问题。
通常要达到4小时以上甚至跨周、跨季节的长时储能技术，才能保证电力系统的安全稳定运行。通过长时储能，我们可以以负担得起、可靠和可持续的方式转型到可再生能源，并能解决风电和太阳能发电的间歇性和不稳定性。
近年来，长时储能市场越来越火。据咨询机构伍德麦肯兹统计，全球投运及在建的长时储能项目，价值已超过300亿美元。长时储能委员会的最新研究估计，到 2030 年，长时储能将成为一个价值 3.6 万亿美元的行业，装机容量潜力将达到4-6太瓦。
面对广阔的市场潜力，长时储能技术的创新也层出不穷。近日，美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）团队在一种新的电池设计中，创新性地将水处理设施中使用的一种常见化学品用于大规模储能。该设计为通过地球上储备丰富的材料造出安全、经济的水基液流电池开辟了新途径。同时，这种新型铁基液流电池为将风能和太阳能等间歇性能源接入电网提供了可能。
该研究成果发表在最新的《自然·通讯》上，研究人员表示，此次实验室规模的新铁基电池，在连续1000次充电循环中表现出卓越的循环稳定性，同时保持其最大容量的98.7%。相比之下，先前类似铁基电池在更少的充电周期内，充电容量会下降两个数量级。
01 什么是液流电池？
通常，液流电池由两个室组成，每个室填充不同的液体。电池通过电化学反应充电并以化学键储存能量。当连接到外部电路时，它们会释放能量，为电气设备供电。
与其他传统电池不同，液流电池具有两个外部供应罐，液体不断循环通过其提供电解液，充当电池系统的“血液供应”。电解液供应罐越大，液流电池能储存的能量就越多。
通常情况下，液流电池的功率输出取决于电极的表面积，而存储持续时间取决于电解质体积。因此，输出不同外部罐体的功率和储能容量相互独立，可拓展性能良好，可以以任何规模建造，从实验室规模到城市街区的规模。
而且，液流电池在充放电的过程中，不涉及物相的变化，因此循环寿命可达上万次，整体使用寿命可以达到20年或者更长时间。另外，因其水系的特质，一般不燃烧、不起火，安全性能突出，且环境友好。
02 新型铁基液流电池有何特点？
专为大规模储能而设计的铁基液流电池自 20 世纪 80 年代以来就已出现，其中一些现已商用。
在运行过程中，水性铁 (Fe) 氧化还原液流电池从可再生能源中捕获电子 (e-) 形式的能量，并通过改变流动液体电解质中铁的电荷来存储能量。当需要储存的能量时，铁可以释放电荷，向电网提供能量（电子）。
本次新型铁基液流电池的与众不同之处在于，它以独特的液体化学配方储存能量，该配方将带电铁与中性pH值的磷酸盐液体电解质或能量载体结合在一起。至关重要的是，这种被称为含氮三膦酸酯、次氮基三甲基膦酸（NTMPA）的化学物质可以工业批量购买，因为它通常被水处理厂用于抑制腐蚀。
膦酸盐（包括 NTMPA）是基于磷元素的广泛化学家族。许多膦酸盐在水中溶解良好，是用于肥料和洗涤剂等用途的无毒化学品。
论文作者、PNNL 电池材料和系统小组的团队负责人 Aaron Hollas 说：“使用与我们在这里开发的化学物质类似的电池储能系统（BESS）设备将具有在中性pH 值的水中运行的优势。此外，我们的系统使用的试剂可以在市场上买到，以前还没有研究将其用于液流电池。”
研究小组报告说，他们的初始设计的能量密度最高可以达到 9 瓦时/升（Wh/L）。相比之下，商业化的钒基系统的能量密度是其两倍多，达到25 瓦时/升。能量密度较高的电池可以在较小的面积内储存更多的能量，但用地球上储量丰富的材料构建的新型铁基液流电池，可轻松进行扩展以提供相同的能量输出。
03 未来
液流电池可作为电网的备用发电机，将成为可再生能源储能脱碳战略的关键支柱之一。
负责可充电储能设备的材料开发的PNNL 高级科学家李国胜（Guosheng Li）说：“我们的下一步是通过关注电压输出和电解质浓度等方面来提高电池性能，这将有助于提高能量密度。目前，该电池的电压输出低于典型的钒液流电池输出。我们正在研究改进这一点的方法。”
PNNL 研究人员计划在 2024 年在 PNNL 开设的名为电网存储发射台 (GSL)的新设施中扩大这项技术和其他新电池技术的规模，这将有助于加速未来液流电池技术和策略的发展，使新能源存储系统能够安全部署。
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