未来几十年， 太阳能和风能等可再生能源将越来越多地主导传统电网

未来几十年， 太阳能和风能等可再生能源将越来越多地主导传统电网。由于这些来源仅在晴天或多风时发电，因此确保可靠的电网——可以 24/7 全天候供电——需要某种方式在供应充足时储存电力，并在供应不足时稍后输送。并且因为可能有几个小时甚至几天没有风，例如，一些储能设备必须能够长时间储存​​大量电力。

执行该任务的一项有前途的技术是液流电池，这是一种电化学装置，可以存储数百兆瓦时的能量——一次充电足以让数千个家庭运行数小时。液流电池具有长寿命和低成本的潜力，部分原因在于其不寻常的设计。在手机和电动汽车中使用的日常电池中，储存电荷的材料是电极上的固体涂层。“液流电池采用这些固态电荷存储材料，将它们溶解在电解质溶液中，然后将溶液泵入电极，”麻省理工学院化学工程副教授 Fikile Brushett 说。该设计提供了许多好处，也带来了一些挑战。

液流电池：设计和操作

液流电池包含两种物质，它们会发生电化学反应，其中电子从一种物质转移到另一种物质。当电池充电时，电子的转移迫使这两种物质进入一种“能量不太有利”的状态，因为它会储存额外的能量。（想象一个球被推到山顶。）当电池放电时，电子的转移将物质转移到能量更有利的状态，因为储存的能量被释放。（球被释放并允许滚下山坡。）

液流电池的核心是两个装有液体电解质的大槽，一个正极，另一个负极。每种电解质都含有溶解的“活性物质”——会发生电化学反应以释放或储存电子的原子或分子。在充电过程中，一种被“氧化”（释放电子），另一种被“还原”（获得电子）；在放电期间，他们交换角色。泵用于通过单独的电极循环两种电解质，每个电极由多孔材料制成，提供丰富的表面，活性物质可以在其上发生反应。相邻电极之间的薄膜防止两种电解质直接接触并可能发生反应，这会释放热量并浪费能量，否则这些能量可以用于电网。

当电池放电时，负极的活性物质氧化，释放出流过外部电路的电子到正极，导致那里的物质减少。这些电子流过外部电路可以为电网供电。除了电子的运动之外，“支持”离子——电解质中的其他带电物质——穿过膜以帮助完成反应并保持系统电中性。

一旦所有物种都发生反应并且电池完全放电，系统就可以重新充电。在此过程中，来自风力涡轮机、太阳能发电场和其他发电源的电力驱动逆反应。正极上的活性物质会氧化，通过导线将电子释放回负极，在那里它们会重新加入原来的活性物质。电池现在已重置并准备好在需要时发出更多电力。Brushett 补充道，“电池可以以这种方式反复循环使用多年。”