在今年三月份的日內(nèi)瓦車(chē)展上，來(lái)自列支敦士登的nano-FLOWCELL公司推出了一款基于液流電池開(kāi)發(fā)的QUANT 48Volt的概念車(chē)，這也是液流電池技術(shù)首次利用在電動(dòng)汽車(chē)上，那么什么是液流電池呢？

傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電池正負(fù)極活性物質(zhì)都是固定在電極集流體之上，或者電池內(nèi)部的，但是液流電池將正負(fù)極活性物質(zhì)直接存儲(chǔ)在電池的外部的“正負(fù)極儲(chǔ)料筒”中，在放電的時(shí)候溶液狀態(tài)的正負(fù)極活性物質(zhì)分別進(jìn)入到液流電池“主體”中，參加反應(yīng)，隨后反應(yīng)完的活性物質(zhì)流出電池結(jié)構(gòu)，進(jìn)入到“正負(fù)極廢液儲(chǔ)料筒”之中，充電過(guò)程則正好相反。我們可以通過(guò)增加正負(fù)極儲(chǔ)料筒的體積，減少液流電池的正負(fù)極集流體等結(jié)構(gòu)占整個(gè)電池的比例，提高電池的比能量，此外還可以通過(guò)快速更換正負(fù)極活性物質(zhì)溶液的方式，實(shí)現(xiàn)電池的快速“充電”，就像汽車(chē)加油一樣方便，因此僅從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，液流電池非常適合在電動(dòng)汽車(chē)上使用。

雖然目前針對(duì)鋰離子電池安全性的研究已經(jīng)很多，但是針對(duì)液流電池安全性的研究還比較少，雖然液流電池設(shè)計(jì)上很少會(huì)發(fā)生短路，但是在電池維護(hù)、組裝和拆解等過(guò)程中仍然可能發(fā)生短路，此外在液流電池工作過(guò)程中，金屬枝晶的生長(zhǎng)仍然可能會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極之間發(fā)生內(nèi)短路，因此對(duì)于液流電池的安全性研究是相當(dāng)必要的。來(lái)自?shī)W地利的A.H. Whitehead等人針對(duì)釩液流電池在各種短路情況下的電安全性進(jìn)行了研究。

實(shí)驗(yàn)中A.H. Whitehead采用SoC為83%的液流電池電解液，正負(fù)極的電解液量都為115L。用于短路測(cè)試的電路如下圖所示，電池組分別由20和27只電池串聯(lián)組成，電池的短路電流可以通過(guò)短路器進(jìn)行測(cè)量，溫度測(cè)量則使用Pt1000熱電阻直接在電池組的外殼和正負(fù)極的極柱上進(jìn)行測(cè)量。

為了模擬在真實(shí)環(huán)境下的電池短路情況，A.H.Whitehead設(shè)計(jì)了一下幾種情形。

有保險(xiǎn)絲的情況下短路

一般來(lái)說(shuō)，電池與電子設(shè)備之間都會(huì)使用保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)，如果短路發(fā)生在保險(xiǎn)絲之外，那么短路電流將快速熔斷保險(xiǎn)絲，從而保護(hù)電池，試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，從圖中我們可以看到，在短路的瞬間電流達(dá)到了730A，電池組電壓下降到了0.6V，電池在短路8s后保險(xiǎn)絲熔斷，電池電壓恢復(fù)正常，電池的SoC從83%下降到了63%。

在電解液不循環(huán)的情況下短路

在電池拆解的情況下，電解液循環(huán)泵停止工作，但是電池內(nèi)部仍然殘留著少量的電解液，因此此時(shí)電池仍然存在著短路的風(fēng)險(xiǎn)，A.H. Whitehead針對(duì)這種情況下的短路進(jìn)行了測(cè)試，短路發(fā)生后會(huì)一直持續(xù)到電流下降到非常小(<5A)，測(cè)試結(jié)果如下圖所示，從圖上我們可以注意到，最大短路電流仍然超過(guò)了700A，但是電流下降速度非?？欤姵販厣浅Ｐ?，短路12min電解液僅僅升高了11.3℃，整個(gè)過(guò)程中電池沒(méi)有發(fā)生泄漏和冒煙等情況。在27只電池串聯(lián)的情況下，電池的現(xiàn)象與這個(gè)非常類(lèi)似，只不過(guò)最大短路電流提高到了830A。

在電解液循環(huán)的情況下發(fā)生短路

對(duì)于液流電池最危險(xiǎn)的短路情況就是，在電解液循環(huán)泵工作的情況下發(fā)生短路，并且沒(méi)有保險(xiǎn)絲的保護(hù)，一般來(lái)說(shuō)這種情況容易在電池組維護(hù)的過(guò)程中發(fā)生。A.H. Whitehead利用20串電池對(duì)這種情況進(jìn)行了模擬，短路發(fā)生后電解液循環(huán)泵將繼續(xù)工作280s(一般而言，電池管理系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)短路后能夠在280s內(nèi)關(guān)閉電解液循環(huán)泵)，測(cè)試結(jié)果如下圖所示，在短路的瞬間電池電流超過(guò)了700A，隨后短路電流下降到490A左右，并持續(xù)到電解液循環(huán)泵關(guān)閉，電池的熱成像儀圖像如下圖所示，電池溫度升高主要在正負(fù)極接線柱上，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中電池沒(méi)有發(fā)生泄漏、起火等。電池在短路測(cè)試后進(jìn)行的電化學(xué)測(cè)試，也表明電池性能沒(méi)有受到短路的影響。

電池內(nèi)短路

對(duì)于液流電池而言，內(nèi)短路常常由制造缺陷和離子交換隔膜破裂等問(wèn)題導(dǎo)致正負(fù)極電解液直接接觸，引發(fā)短路，這也是比較難以進(jìn)行模擬的短路模式。為了模擬液流電池內(nèi)短路的情形，A.H. Whitehead在離子交換膜上開(kāi)了一個(gè)3mm2的微孔，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)流出的電解液與流入的電解液溫度沒(méi)有太大的變化，經(jīng)過(guò)計(jì)算，電池的短路電流僅有0.9A，但是在隔膜上微孔的地方，電流密度則達(dá)到了30A/cm2，隨后電池拆開(kāi)后，隔膜上的微孔尺寸并沒(méi)有擴(kuò)大，也沒(méi)有發(fā)生過(guò)熱的現(xiàn)象。整個(gè)過(guò)程電池沒(méi)有發(fā)生泄漏、起火和冒煙的現(xiàn)象。

結(jié)論

通過(guò)測(cè)試表明，液流電池在短路的情況下相當(dāng)安全，在所有的短路測(cè)試實(shí)驗(yàn)中都沒(méi)有發(fā)生泄漏、起火和爆炸，短路也沒(méi)有對(duì)電池的循環(huán)性能產(chǎn)生影響，即便是內(nèi)短路對(duì)電池的安全性也沒(méi)有太大的影響?？梢哉f(shuō)液流電池的安全性是非常出色的，在所有的短路情形下都沒(méi)有發(fā)生安全問(wèn)題，加之液流電池可以通過(guò)快速更換正負(fù)極電解液的方式實(shí)現(xiàn)快速“充電”，因此非常適合在電動(dòng)汽車(chē)上使用。

本文主要參考以下文獻(xiàn)，文章僅用于對(duì)相關(guān)科學(xué)作品的介紹和評(píng)論，以及課堂教學(xué)和科學(xué)研究，不得作為商業(yè)用途。

Critical safetyfeatures of the vanadium redox flow battery, Journal of Power Source, 351(2017), A.H. Whitehead, T.J. Rabbow, M. Trampert, P. Pokorny

原創(chuàng)撰稿：憑欄眺

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