在今年三月份的日內瓦車展上，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都是固定在電極集流體之上，或者電池內部的，但是液流電池將正負極活性物質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)的正負極活性物質分別進入到液流電池“主體”中，參加反應，隨后反應完的活性物質流出電池結構，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構占整個電池的比例，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溶液的方式，實現電池的快速“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?。?lt;5A），測試結果如下圖所示，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只電池串聯的情況下，電池的現象與這個非常類似，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)現短路后能夠在280s內關閉電解液循環(huán)泵），測試結果如下圖所示，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。
 

 

 

    電池內短路

 

    對于液流電池而言，內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)現流出的電解液與流入的電解液溫度沒有太大的變化，經過計算，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)生過熱的現象。整個過程電池沒有發(fā)生泄漏、起火和冒煙的現象。

 

    結論