在流式电池系统中同时实现热能和电能的储存

《ACS Omega》：Simultaneous Heat and Electricity Storage in a Flow Battery System

红ox电池（RFB）系统通过整合热交换器实现电能与热能同步存储，电化学性能与热释放功能独立且互不干扰，总能量密度提升约100%，系统综合效率达78%，成本较单一电化学存储降低40%。

　　本研究探讨了一种红ox流电池（RFB）系统的双重储能能力，使该系统能够同时存储热能和电能。通过电化学和热实验，我们评估了热能存储对电池性能的影响，以及电池性能对热能存储的反作用。研究中引入了一个逆流热交换器，将其集成在传统的RFB系统中，以实现热能和电能的协同存储。实验结果表明，热能存储对电化学充放电过程的影响非常有限。此外，热能释放过程与电化学储能过程是相互独立的，这证实了热能和电能可以共存于同一系统中而不互相干扰。同时，该组合系统还提高了整体的能量转换效率，展示了其作为高效热电联供解决方案的潜力。

当前，全球能源需求持续增长，同时对减少碳排放的迫切要求也凸显了可再生能源利用的重要性。然而，可再生能源如太阳能和风能存在间歇性问题，使得大规模储能系统成为关键。目前，我们的能源消耗主要分为两个部分：热能和电能，分别占总能耗的约50%和20%。传统的热能供应主要依赖天然气或其他碳排放源，这种模式正逐步向电驱动的热泵和冷却系统转变，以实现碳中和目标。然而，随着电热系统的增加，可能会加剧能源供应与需求之间的不匹配。因此，确保热能应用主要由热能供应，而电能应用则由电能供应，成为减少能源浪费和提高整体系统效率的重要方向。

面对这些挑战，热能存储（TES）和电能存储系统（如RFB）的研究正变得越来越重要。热能存储主要分为两类：基于热物理机制的显热存储和基于热化学反应的潜热存储。显热存储通过提高储能材料的温度来存储热能，而潜热存储则依赖于吸热和放热反应。这些系统通常具有较低的成本和较高的可扩展性，但能量密度相对较低。相比之下，基于电化学反应的电能存储系统往往具有更高的能量密度，但成本也相对较高。RFB系统因其将储能电解质与反应单元分离的特性，在电网规模的电能存储中展现出独特的优势，能够通过规模效应降低成本，并克服传统电池的能量密度限制。

本研究提出了一种创新的储能策略，即在RFB系统中实现热能和电能的双重存储。这一策略利用了水基RFB电解质的高热容量特性，通过将电解质加热至较高温度，实现热能的存储。同时，由于RFB系统的反应单元可以独立运行，电化学储能和热能存储可以在同一系统中实现，无需额外的能源转换步骤或多个独立设备。这种一体化设计不仅提升了系统的能量密度，还增强了其在热电联供中的灵活性和效率。

在实验中，我们首先对不含热能存储的ZnI?水溶液RFB系统进行了电化学性能测试。使用0.085 M ZnI?溶液，在玻璃碳工作电极上进行循环伏安法（CV）测试，扫描范围为?1.8至1.0 V（相对于Ag/AgCl），扫描速率为50 mV/s。实验结果表明，I??/I?和Zn/Zn2?两种氧化还原反应对分别在正负极半电池中发生，且未检测到氢气或氧气的析出峰，这与文献中的ZnI?水溶液RFB反应一致。通过CV测试，我们观察到了电化学反应的可逆性和稳定性，为后续的热能存储研究奠定了基础。

随后，我们对热能存储系统的性能进行了独立测试。实验中采用五组串联的铜焊热交换器，将去离子水加热后通过热交换器进行热能传递。冷流体进入热交换器的另一侧，与热流体进行逆流交换，以提高热能传输效率。通过测量热交换器入口和出口的温度变化，我们评估了热能的存储和释放能力。实验结果显示，在平衡流速（2 mL/s）下，热流体的温度下降与冷流体的温度上升相似，且热能损失非常小。当冷流体流速增加时，热流体的温度下降幅度增大，而冷流体的温度上升幅度减小，这表明热能传输效率会受到流速不平衡的影响。然而，热能释放过程与电化学储能过程之间不存在直接的相互干扰。

在同时存储热能和电能的实验中，我们采用了一种改进的RFB系统配置，其中阴极侧的电解质直接进入反应单元，而阳极侧的电解质则被加热并经过热交换器进行热能释放。在充放电过程中，阳极侧的电解质温度被维持在约60 °C，以确保热能的高效存储。通过热交换器，热能可以被释放到冷流体中，用于其他热能需求。实验结果显示，热能存储对电化学充放电过程的影响非常有限，仅在充放电电压和库仑效率上表现出轻微的变化。这些变化可能是由于热能释放过程中电解质温度的降低，使得电化学反应的条件更接近于常规RFB系统。

同时，热能释放的效率并未受到电化学储能的影响。通过测量热交换器两端的温度变化，我们发现热能释放过程与电化学储能过程可以独立运行。这一结果表明，热能和电能的存储可以共存于同一系统中，而不影响彼此的性能。此外，热能和电能的联合存储显著提高了整体的能量转换效率，从仅电化学储能的0.73提升至0.78。这说明，通过将热能和电能存储功能集成在一个系统中，可以实现更高的能源利用效率，为未来的热电联供系统提供了一种新的解决方案。

本研究的结果表明，ZnI?水溶液RFB系统在同时存储热能和电能方面具有显著的优势。热能存储不仅不会影响电化学储能的性能，反而能够提高整体系统的能量密度和效率。此外，该系统在成本方面也具有竞争力。通过将热能和电能的存储功能整合，可以减少对多个独立设备的需求，从而降低系统复杂性和成本。这种一体化设计为未来高效、经济的储能系统提供了新的思路，特别是在需要同时满足热能和电能需求的应用场景中，如工业生产、建筑供暖和电网调峰等。

总的来说，本研究通过实验验证了ZnI?水溶液RFB系统在热电联供方面的可行性。热能存储对电化学储能的影响非常有限，且热能释放过程与电化学储能过程可以独立运行。这不仅提高了系统的整体效率，还展示了其在实际应用中的潜力。未来的研究可以进一步优化热交换器的设计，以提高热能传输效率，并探索更多适用于热电联供的电解质材料。此外，还需要对热能存储过程中可能产生的副反应进行深入研究，以确保系统的长期稳定性和安全性。通过这些努力，ZnI?水溶液RFB系统有望成为一种高效、经济、环保的热电联供解决方案，为实现碳中和目标提供有力支持。