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QUANT48Volt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(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)直接存儲在電池的外部的“正負(fù)極儲料筒”中，在放電的時候溶液狀態(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)極廢液儲料筒”之中，充電過程則正好相反。我們可以通過增加正負(fù)極儲料筒的體積，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(fù)極活性物質(zhì)溶液的方式，實(shí)現(xiàn)電池的快速“充電”，就像汽車加油一樣方便，因此僅從這一點(diǎn)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(jì)上很少會發(fā)生短路，但是在電池維護(hù)、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(dǎo)致正負(fù)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(dāng)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(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(jìn)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(fù)極的極柱上進(jìn)行測量。
 

 

    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(jìn)行保護(hù)，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(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，因此此時電池仍然存在著短路的風(fēng)險，A.H.Whitehead針對這種情況下的短路進(jìn)行了測試，短路發(fā)生后會一直持續(xù)到電流下降到非常?。?lt;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?？?，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(hù)，一般來說這種情況容易在電池組維護(hù)的過程中發(fā)生。A.H.Whitehead利用20串電池對這種情況進(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(fù)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(jìn)行的電化學(xué)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(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(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，隨后電池拆開后，隔膜上的微孔尺寸并沒有擴(kuò)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