索比光伏网
我要投稿
储能当红，“锌锌”向荣
“双碳”目标下的锌基液流电池
构建以新能源为主体的新型电力系统，是实现碳达峰、碳中和最主要的举措之一，储能肩负重任。随着大规模新能源电力接入电网，电力系统将呈现高比例可再生能源、高比例电力电子设备的“双高”特征，电力系统“双侧随机性”特征将进一步凸显。为此，应当加强对用户侧资源的管理，使其逐步成为与电网广泛互动的重要资源，实现供需双侧资源的协调优化，助力保障电力系统供需平衡。
锌基液流电池储能技术具有成本低、安全性高、能量密度高等优点，是混合型液流电池的典型代表 ，适用作为固定式储能系统用于用户侧，助力推动能源结构转型，实现“双碳”目标。
锌基液流电池的原理
通常，锌基液流电池（ZFBs）负极电解液的活性物质是Zn 2+（中性或弱酸性环境）或 Zn(OH)42-（碱性环境）。在充电过程中，负极侧的Zn 2+或Zn(OH)42-得到电子形成金属锌，同时正极侧的活性物质则被氧化。放电过程则与之相反，负极侧的锌溶解形成Zn 2+或 Zn(OH)42-，同时正极侧的活性物质被还原。
锌基液流电池的优势
金属锌资源丰富、成本低廉，使用金属锌的沉积溶解作为负极电对的锌基液流电池大多数电解液具有较低的成本和较高的能量密度。同时，锌基液流电池体系中，锌负极具有环境友好、在空气和水溶液中较为稳定的特点，电池体系中电解液为水系电解液，这都使电池的安全性得到了保障。因此成本低、安全性高、能量密度高的锌基液流电池在分布式储能领域具有很好的应用前景。
锌基液流电池的发展
锌基液流电池具有电解液成本低、安全性高、电位高等优势，在分布式储能领域具有很好的应用前景。从1977年锌溴液流电池问世以来，通过将锌负极与不同的正极氧化还原电对配对，已发展成为储能系统中种类最多的液流电池。其中，锌溴液流电池已经较为成熟，得到了市场的推广和认可，其他锌基液流电池体系仍然处在“应用示范，实验室研发阶段”，尚有关键问题亟需解决。
锌负极的问题及改善策略
锌基液流电池中的锌负极主要面临着锌枝晶、锌脱落、面容量受限的问题。
锌枝晶：电池充电时，电极表面浓差极化增大，电极表面附近离子浓度降低，反应物离子更容易扩散至电极表面的凸起处，诱导了锌枝晶的进一步生长。随着枝晶的不断生长，最后刺破隔膜导致电池短路失效。
锌脱落：在放电过程中，与电极紧密接触的金属锌优先溶解，在有枝晶产生的情况下，随着反应的进行，枝晶的尖端将会失去与电极之间的连接；除此之外，沉积在电极表面的锌金属也会由于与电极连接不紧密，从电极上脱落。这些脱落的锌将无法被继续利用，造成了电池性能的下降。
面容量受限：锌基液流电池多以多孔碳毡或者平板电极作为电极。随着充电的进行，锌酸根或者锌离子会在电极上连续被还原为金属锌，最终沉积在电极上。一旦电极表面被锌金属完全覆盖，就不能再进行电沉积，导致电池面容量受限。同时，进一步充电将导致电池的充电电压急剧增加，从而在负极半电池中导致不可逆的析氢反应。
这些问题都是限制锌基液流电池性能提升的“拦路虎”，也是实现锌基液流电池实用化进程中必须解决的关键技术难题。
针对锌负极存在的锌枝晶、锌脱落、面容量受限等主要问题：从电解质溶液化学的角度入手，可以调控锌沉积历程；从电极结构设计角度切入，可以调控锌沉积过电位；从膜材料结构角度来设计，可以抑制金属锌对其造成的破坏；从电池结构角度进行优化，可以调控膜与电极界面空间，提高锌基液流电池面容量。最终突破锌基液流电池的“瓶颈”，助力用户侧储能技术的发展。
在高能量密度的锌基液流电池中，正极与负极的作用旗鼓相当。锌基液流电池的各类正极中，各自有什么样的特点？存在什么样的问题？面对这些问题应该如何应对？
留个悬念，下期再见。
前景与展望
在新型电力系统的框架中，高能量密度的锌基液流电池凭借体积小、成本低等优势，在用户侧崭露头角，与在发电侧发挥可靠作用的全钒液流电池相辅相成，共同推动构建以“新能源+储能”为主体的新型电力系统，提高电网对高比例可再生能源的消纳和调控能力，加速推进能源结构转型，助力实现双碳目标。
