隨著世界各國邁向凈零排放的步伐加快，人們需要直面可再生能源的間歇性、波動性問題。

通常要達到4小時以上甚至跨周、跨季節的長時儲能技術，才能保證電力系統的安全穩定運行。通過長時儲能，我們可以以負擔得起、可靠和可持續的方式轉型到可再生能源，并能解決風電和太陽能發電的間歇性和不穩定性。

近年來，長時儲能市場越來越火。據咨詢機構伍德麥肯茲統計，全球投運及在建的長時儲能項目，價值已超過300億美元。長時儲能委員會的最新研究估計，到 2030 年，長時儲能將成為一個價值 3.6 萬億美元的行業，裝機容量潛力將達到4-6太瓦。

面對廣闊的市場潛力，長時儲能技術的創新也層出不窮。近日，美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）團隊在一種新的電池設計中，創新性地將水處理設施中使用的一種常見化學品用于大規模儲能。該設計為通過地球上儲備豐富的材料造出安全、經濟的水基液流電池開辟了新途徑。同時，這種新型鐵基液流電池為將風能和太陽能等間歇性能源接入電網提供了可能。

該研究成果發表在最新的《自然·通訊》上，研究人員表示，此次實驗室規模的新鐵基電池，在連續1000次充電循環中表現出卓越的循環穩定性，同時保持其最大容量的98.7%。相比之下，先前類似鐵基電池在更少的充電周期內，充電容量會下降兩個數量級。

01 什么是液流電池？

通常，液流電池由兩個室組成，每個室填充不同的液體。電池通過電化學反應充電并以化學鍵儲存能量。當連接到外部電路時，它們會釋放能量，為電氣設備供電。

與其他傳統電池不同，液流電池具有兩個外部供應罐，液體不斷循環通過其提供電解液，充當電池系統的“血液供應”。電解液供應罐越大，液流電池能儲存的能量就越多。

通常情況下，液流電池的功率輸出取決于電極的表面積，而存儲持續時間取決于電解質體積。因此，輸出不同外部罐體的功率和儲能容量相互獨立，可拓展性能良好，可以以任何規模建造，從實驗室規模到城市街區的規模。

而且，液流電池在充放電的過程中，不涉及物相的變化，因此循環壽命可達上萬次，整體使用壽命可以達到20年或者更長時間。另外，因其水系的特質，一般不燃燒、不起火，安全性能突出，且環境友好。

02 新型鐵基液流電池有何特點？

專為大規模儲能而設計的鐵基液流電池自 20 世紀 80 年代以來就已出現，其中一些現已商用。

在運行過程中，水性鐵 (Fe) 氧化還原液流電池從可再生能源中捕獲電子 (e-) 形式的能量，并通過改變流動液體電解質中鐵的電荷來存儲能量。當需要儲存的能量時，鐵可以釋放電荷，向電網提供能量（電子）。

本次新型鐵基液流電池的與眾不同之處在于，它以獨特的液體化學配方儲存能量，該配方將帶電鐵與中性pH值的磷酸鹽液體電解質或能量載體結合在一起。至關重要的是，這種被稱為含氮三膦酸酯、次氮基三甲基膦酸（NTMPA）的化學物質可以工業批量購買，因為它通常被水處理廠用于抑制腐蝕。

膦酸鹽（包括 NTMPA）是基于磷元素的廣泛化學家族。許多膦酸鹽在水中溶解良好，是用于肥料和洗滌劑等用途的無毒化學品。

論文作者、PNNL 電池材料和系統小組的團隊負責人 Aaron Hollas 說：“使用與我們在這里開發的化學物質類似的電池儲能系統（BESS）設備將具有在中性pH 值的水中運行的優勢。此外，我們的系統使用的試劑可以在市場上買到，以前還沒有研究將其用于液流電池。”

研究小組報告說，他們的初始設計的能量密度最高可以達到 9 瓦時/升（Wh/L）。相比之下，商業化的釩基系統的能量密度是其兩倍多，達到25 瓦時/升。能量密度較高的電池可以在較小的面積內儲存更多的能量，但用地球上儲量豐富的材料構建的新型鐵基液流電池，可輕松進行擴展以提供相同的能量輸出。

03 未來

液流電池可作為電網的備用發電機，將成為可再生能源儲能脫碳戰略的關鍵支柱之一。

負責可充電儲能設備的材料開發的PNNL 高級科學家李國勝（Guosheng Li）說：“我們的下一步是通過關注電壓輸出和電解質濃度等方面來提高電池性能，這將有助于提高能量密度。目前，該電池的電壓輸出低于典型的釩液流電池輸出。我們正在研究改進這一點的方法。”

PNNL 研究人員計劃在 2024 年在 PNNL 開設的名為電網存儲發射臺 (GSL)的新設施中擴大這項技術和其他新電池技術的規模，這將有助于加速未來液流電池技術和策略的發展，使新能源存儲系統能夠安全部署。