釩液流電池安全性探討

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的QUANT 48Volt的概念車，這也是液流電池技術首次利用在電動車上，那么什么是液流電池呢？

傳統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筆直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車上使用。

雖然目前針對鋰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生短路，但是在電池維護、組裝和拆解等過程中依然可能發生短路，此外在液流電池工作過程中，金屬枝晶的生長依然可能會導致正負極之間發生內短路，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。

試驗中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。用于短路探測的電路如下圖所示，電池包分別由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熱電阻筆直在電池包的外殼和正負極的極柱上進行測量。

為了模擬在真切環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，實驗結果如下圖所示，從圖中我們可以看到，在短路的瞬間電流達到了730A，電池包電壓下降到了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%。

在電解液不循環的情況下短路

在電池拆解的情況下，電解液循環泵停止工作，但是電池內部依然殘留著少量的電解液，因此此時電池依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探測，短路發生后會一直繼續到電流下降到非常小(<5A)，探測結果如下圖所示，從圖上我們可以留意到，最大短路電流依然超過了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。

在電解液循環的情況下發生短路

對于液流電池最危險的短路情況就是，在電解液循環泵工作的情況下發生短路，并且沒有保險絲的保護，一般來說這種情況容易在電池包維護的過程中發生。A.H. Whitehead利用20串電池對這種情況進行了模擬，短路發生后電解液循環泵將持續工作280s(一般而言，電池管理系統在發現短路后能夠在280s內封閉電解液循環泵)，探測結果如下圖所示，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，并繼續到電解液循環泵封閉，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，在整個探測過程中電池沒有發生泄漏、起火等。電池在短路探測后進行的電化學探測，也聲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，內短路經常由制造缺陷和離子交換隔膜破碎等問題導致正負極電解液筆直接觸，引發短路，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張大，也沒有發生過熱的現象。整個過程電池沒有發生泄漏、起火和冒煙的現象。

結論

通過探測聲明，液流電池在短路的情況下相當安全，在所有的短路探測試驗中都沒有發生泄漏、起火和爆炸，短路也沒有對電池的循環性能萌生影響，即便是內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快速充電，因此非常適合在電動車上使用。（作者：新能源Leader）

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