什么是氧化还原液流电池？

什么是氧化还原液流电池？

2024/03/27

氧化还原液流电池

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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是氧化还原液流电池？

氧化还原液流电池是通过循环电解质充电和放电的蓄电池。氧化还原液流电池（RFB）这个名字来源于储存电力的物质的还原、氧化和流动。基本上，它由电池、正极、负极、槽、电解液和循环电解液的泵组成。其特点是安全性高、寿命长、易于增容、耐周期性波动。随着发电波动较大的可再生能源的普及，有望起到吸收发电波动的作用。

什么是氧化还原液流电池？通过液体中离子的氧化还原进行充电和放电

氧化还原液流电池（RFB）是一种在液体中储存电力的二次电池。它由一个电池、两个槽、电解质（溶解在液体中引起离子氧化还原反应的活性物质）、泵等组成。电池中的离子交换膜是两种不同离子价电解质之间的分界线。正极和负极与其各自的电解液接触，电解液通过泵循环，利用离子氧化还原反应进行充电和放电。

　该系统由国家航空航天局于1974年发明。大约在同一时间，电子技术研究所（AIST的前身之一电子研究所）也开始基于该原理进行电池的基础研究。

　当时，电工研究所使用铁和铬作为活性材料，但这些材料存在容易透过离子交换膜、腐蚀元件等问题，导致其功能持续时间不长，因此没有投入实用。随后，澳大利亚大学研究人员开发了一种利用钒的方法，并迅速在实际应用中取得进展。

优点包括安全性高、使用寿命长。另一方面，也存在问题

　RFB与其他电池相比的优势在于其高安全性。例如，锂离子二次电池存在着火风险，但RFB的电解液是水溶液，因此不存在着火风险。另一个优点是寿命长，当使用钒水溶液作为电解质时，据说其寿命可达20年以上。另一个优点是它可以扩大规模。它们不仅持久耐用，而且能够抵抗周期性波动（频率波动），因为它们可以像锂离子电池一样在短时间内切换。与锂离子电池不同，RFB可以将电池和槽分开设计，因此要增加电池的容量，只需将槽做得更大，并且即使在使用过程中也可以通过测量电解液的电压来确定充电状态。由于这些特性，它被认为适合大型固定蓄电设施，例如电力公司使用的蓄电设施。

　另一方面，一个问题是能量密度低。溶液中可溶解的活性物质数量有限，能量密度比锂离子电池低一个数量级左右。另一个问题是处理液体泄漏。使用钒的电解液是一种强酸性溶液，称为硫酸钒溶液，因此需要采取防止泄漏的措施。此外，资源限制也是一个主要问题。钒作为活性材料，生产国家较少，其中中国、俄罗斯和南非产量约占全球的95%，供应稳定面临挑战，价格波动风险较大。目前正在寻找能够解决这些风险的钒替代材料。

随着可再生能源的兴起重新回到聚光灯下

　随着锂离子电池和全固态电池的兴起，RFB的研发一度陷入衰退，但随着可再生能源的普及，它们再次受到关注。风力发电、太阳能发电等可再生能源电力波动较大，需要长期储存富余电力来吸收波动。 RFB适合吸收这个范围的波动，因为它具有安全性高、扩容容易、成本低、可以长期使用等优点。

　尤其是能够长时间反应，这是一个很大的优势。在美国，除了可再生能源外，电力公司正在推进引进蓄电池的措施，特别是加州正在推动引进可长时间充放电8小时以上的蓄电池。在日本，过去假设持续时间仅为 4 小时，但现在正在重新考虑这一点。可以说，这是RFB传播的顺风车。

从新型活性材料和组件的研究到合作普及

　AIST正在对RFB进行研究，不仅在电解质、电池和组件等材料的开发方面，而且还在性能评估等应用方面。

　首先，我们将寻找并合成一种安全且高能量密度（=高度溶于溶剂）的活性材料来替代钒。近年来，我们已经证明，通过将有机活性材料溶解在盐水中制成的电解质溶液理论上可以产生两倍于钒水溶液的电力容量。与此同时，我们还正在进行电极和电池的研究。另外，由于钒水溶液呈强酸性，因此在离子交换膜等中需要使用氟类物质。但是，如果电解液不含有机元素或稀有元素，则可以使用更常见的物质。我们正在开发二次电池，可以满足资源限制，同时确保应用所需的功能。 （AIST 杂志“什么是下一代二次电池？」 ）

　作为一项新技术，RFB也正在进行研究，它甚至可以用于难以还原或氧化的材料。通过在电解质中添加少量催化剂，我们建立了一个允许这些材料充电和放电的系统。作为模型，CO₂作为活性材料并证明 RFB 有效。 (2023/10/04 新闻稿）

　RFB是一项与水电解、制氢和运输极其兼容的技术，未来在此类领域具有应用和发展的潜力。 （AIST 杂志“什么是能量载体？'')从当地能源生产和消费的角度来看，将继续需要开发和推广RFB等安全储能技术。

RFB的开发需要多方面的努力，随着研究的进展，产业技术研究院将与化学品制造商、材料制造商、离子交换膜制造商等合作，推进研究开发，从而实现技术的普及。