网讯：
导读
实现碳中和目标，离不开风能和太阳能等可再生能源的投入使用，但这些能源的间歇性与不稳定性给其大规模应用带来了挑战。为此，我们亟需一种既安全又高效的储能技术来保障能源的稳定供应。液流电池凭借其卓越的本征安全性和长时储能能力，成为解决这一问题的重要选择。本文深入探讨了液流电池在大规模储能中的优势，并通过电堆和系统设计，充分挖掘其在未来能源体系中的潜力，为推动清洁能源的可持续发展提供新的思路。
图1 图文摘要
随着可再生能源的日益增长，储能系统在平衡能源供需方面的重要性日益凸显。在此背景下，氧化还原液流电池作为一种新兴的储能技术，以其容量与功率解耦、本征安全、寿命长、易规模化、能量效率高、容量可恢复等优点，成为应对可再生能源波动性的有效缓冲器。
在液流电池中，电堆作为核心组件，不仅决定了电池的功率输出，还直接影响容量的利用效率。提升功率密度和容量利用率可以显著降低系统成本，进而提升液流电池在大规模储能应用中的经济性。实现高性能液流电池电堆的设计，需要关注关键部件和系统集成方面的研究进展及现存挑战。
因此，本综述将重点探讨电堆的关键部件设计与系统集成两个方面，包括电解液、流场、电极和膜等核心部件的设计优化，以及系统集成中的高效密封、均匀性控制、热管理和电池管理系统等问题。
图2 液流电池电堆结构
作为关键部件之一，流场设计对液流电池性能有着至关重要的影响。传统的流场配置为流经型设计，虽然结构简单，但在均匀分布电解液和降低压力损失方面存在不足。为了提升系统的整体性能，蛇形流场和叉指形流场等被引入液流电池。然而，传统流场设计难以兼顾高传质效率与小流动阻力。目前的研究通过调控流道排布、宽度、间距、深度等因素，提升了电解液分布的均匀性，减少了局部流阻，并提升了传质效率。未来，模块化流场、仿生设计和机器学习辅助设计等方法值得进一步研究。
图3 液流电池流场设计
电极作为液流电池的另一个关键部件，其设计和材料选择直接决定了电化学反应的效率和电池的整体性能。目前研究以碳布、碳毡等碳纤维电极为基础，提出了构建多孔结构和沉积纳米材料等方案，以增加比表面积。此外，通过引入含氧官能团和异质原子掺杂，能够增强电化学反应的动力学。结合静电纺丝、机器学习辅助设计和3D打印等新方法，有助于进一步提高反应活性、减少传质阻力，并延长电极的使用寿命。
图4 液流电池电极设计
除了流场和电极，本文还探讨了膜、电解液等其他关键组件的优化设计。在关键组件优化的基础上，我们进一步探讨了液流电池系统的集成与控制策略，通过合理设计系统布局，优化电解液循环路径，提升系统的整体效率。尽管液流电池在设计和优化上取得了显著进展，但仍面临许多挑战。本文通过总结现有研究成果，探讨了液流电池在组件设计、系统集成、物质传输问题、热管理系统、电池及能量管理系统等方面的挑战，旨在弥合学术研究与工业应用之间的差距，推动液流电池从实验室单体电池到电网规模的商业电堆的发展。
总结与展望
尽管当前在电堆设计和系统优化上仍存在诸多挑战，但随着技术的不断进步和研究的深入，液流电池有望在未来的新型电力系统中发挥更为重要的作用。未来的研究应重点关注流场结构的创新、电极设计的优化、新体系的开发以及系统集成技术的突破，随着技术的进一步成熟和成本的降低，液流电池将在全球能源市场中占据重要地位，为实现碳中和目标提供强有力的支持。
