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

傳統(tǒng)的儲能電池正負極活性物質(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極活性物質(zhì)直接存儲在電池的外部的“正負極儲料筒”中，在放電的時候溶液狀態(tài)的正負極活性物質(zhì)分別進入到液流電池“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)，進入到“正負極廢液儲料筒”之中，充電過程則正好相反。我們可以通過增加正負極儲料筒的體積，減少液流電池的正負極集流體等結(jié)構(gòu)占整個電池的比例，提高電池的比能量，此外還可以通過快速更換正負極活性物質(zhì)溶液的方式，實現(xiàn)電池的快速“充電”，就像汽車加油一樣方便，因此僅從這一點來說，液流電池非常適合在電動汽車上使用。

雖然目前針對鋰離子電池安全性的研究已經(jīng)很多，但是針對液流電池安全性的研究還比較少，雖然液流電池設(shè)計上很少會發(fā)生短路，但是在電池維護、組裝和拆解等過程中仍然可能發(fā)生短路，此外在液流電池工作過程中，金屬枝晶的生長仍然可能會導致正負極之間發(fā)生內(nèi)短路，因此對于液流電池的安全性研究是相當必要的。來自奧地利的A.H. Whitehead等人針對釩液流電池在各種短路情況下的電安全性進行了研究。

實驗中A.H. Whitehead采用SoC為83%的液流電池電解液，正負極的電解液量都為115L。用于短路測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短路器進行測量，溫度測量則使用Pt1000熱電阻直接在電池組的外殼和正負極的極柱上進行測量。

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

有保險絲的情況下短路

一般來說，電池與電子設(shè)備之間都會使用保險絲進行保護，如果短路發(fā)生在保險絲之外，那么短路電流將快速熔斷保險絲，從而保護電池，試驗結(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到了730A，電池組電壓下降到了0.6V，電池在短路8s后保險絲熔斷，電池電壓恢復正常，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，因此此時電池仍然存在著短路的風險，A.H. Whitehead針對這種情況下的短路進行了測試，短路發(fā)生后會一直持續(xù)到電流下降到非常小(<5A)，測試結(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了700A，但是電流下降速度非常快，電池溫升非常小，短路12min電解液僅僅升高了11.3℃，整個過程中電池沒有發(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)象與這個非常類似，只不過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

對于液流電池最危險的短路情況就是，在電解液循環(huán)泵工作的情況下發(fā)生短路，并且沒有保險絲的保護，一般來說這種情況容易在電池組維護的過程中發(fā)生。A.H. Whitehead利用20串電池對這種情況進行了模擬，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)，測試結(jié)果如下圖所示，在短路的瞬間電池電流超過了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極接線柱上，在整個測試過程中電池沒有發(fā)生泄漏、起火等。電池在短路測試后進行的電化學測試，也表明電池性能沒有受到短路的影響。

電池內(nèi)短路

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

結(jié)論

通過測試表明，液流電池在短路的情況下相當安全，在所有的短路測試實驗中都沒有發(fā)生泄漏、起火和爆炸，短路也沒有對電池的循環(huán)性能產(chǎn)生影響，即便是內(nèi)短路對電池的安全性也沒有太大的影響。可以說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有發(fā)生安全問題，加之液流電池可以通過快速更換正負極電解液的方式實現(xiàn)快速“充電”，因此非常適合在電動汽車上使用。

本文主要參考以下文獻，文章僅用于對相關(guān)科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，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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