面向电力系统的液态金属电池储能技术

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22154

摘要/Abstract

摘要：

电化学储能灵活高效，是大规模电力储能技术发展的重要方向。液态金属电池(liquid metal battery，LMB)采用液态金属和熔融无机盐分别作为电极和电解质，从根本上避免了传统电池的寿命限制问题，其具有长寿命、低成本、大容量的优势，在电力系统储能领域具有广阔的应用前景。主要介绍了LMB的工作原理，重点综述了其发展历程和重要研究进展，并指出了现有电池体系存在的局限性与面临的挑战，在此基础上，探讨并明确了LMB的重点发展方向。

关键词: 电力系统, 电化学储能, 液态金属电池(LMB), 液态金属电极, 熔盐电解质

Abstract:

Electrochemical energy storage is flexible and efficient, and it is an important direction for the development of large-scale power energy storage technology. Liquid metal battery (LMB) uses liquid metals and molten inorganic salts as electrodes and electrolytes, respectively, to fundamentally avoid the life-limiting problem of traditional batteries. LMB has the advantages of long life, low cost, and large capacity, and has broad application prospects in the field of power system energy storage. This paper mainly introduced the working principle of LMB, focused on its development history and important research progress, and pointed out the limitations and challenges of existing battery systems. On this basis, the key development directions of LMB were discussed and clarified.

Key words: power system, electrochemical energy storage, liquid metal battery (LMB), liquid metal electrode, molten salt electrolyte

中图分类号:

TK 02

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图/表 17

图1 LMB技术发展历程

Fig. 1 Development course of LMB

表 1 LMB电解质及其性质

Tab.1 Electrolyte of LMB and its properties

组成(组分摩尔分数比)	熔点/℃	离子电导率/(S/cm)	成本/(美元/mol)
LiF-LiCl (30∶70)^［17］	501	—	5.29
LiF-LiCl-LiBr (22∶31∶47)^［18］	430	3.21	7.83
LiF-LiCl-LiI (20∶30∶50)^［19］	341	2.77	9.31
LiCl-LiI (36∶64)^［20］	368	3.88	10.07
LiCl-KCl (58.8∶41.2)^［21］	353	1.69	2.90
LiCl-LiBr-KBr (33∶29∶38)^［22］	324	1.56	5.92
LiI-KI (63.3∶36.7)^［23］	260	1.56	21.07
NaF-NaCl-NaI (15∶32∶53)^［24］	530	1.7~2.0	6.41
LiCl-NaCl-KCl (59∶5∶36)^［25］	350	1.307	2.89
LiCl-CaCl₂-NaCl (38∶27∶35)^［26］	450	2.18	1.83
NaCl-CaCl₂ (47.9∶52.1)^［27］	504	—	0.11
LiCl-CaCl₂ (65∶35)^［28］	485	—	3.09
NaCl-KCl-MgCl₂ (30∶20∶50)^［29］	396	—	0.11

图2 LMB的结构及其充放电过程示意图

Fig.2 Structure of LMB and its charge-discharge processes

图3 700 ℃下Mg||Sb电池性能

Fig. 3 Performance of Mg||Sb battery at 700 ℃

图4 Li||Sb-Sn电池性能

Fig. 4 Performance of Li||Sb-Sn battery

图5 不同组分Li||Bi-Sb电池放电曲线图

Fig. 5 Discharge curves of different component Li||Sb-Sb battery

图6 Li||Sb电池性能

Fig. 6 Performance of Li||Sb battery

图7 Li||Sb电池放电过程原位观测图

Fig. 7 In-situ observation diagram of Li||Sb battery discharge process

表 2 一些LMB体系的主要性能参数

Tab.2 Main performance parameters of some LMB systems

体系	放电容量/(A⋅h)	放电能量/(W⋅h)	材料质量/g		能量密度/(W⋅h/kg)	成本/[美元/(kW⋅h)]
体系	放电容量/(A⋅h)	放电能量/(W⋅h)	负极	正极	能量密度/(W⋅h/kg)	成本/[美元/(kW⋅h)]
Mg\|\|Sb^［29］	2.5	0.475	2.27	17.06	24.58	276.17
Li\|\|Bi^［17］	48.8	26.84	13.9	166.8	148.5	78.2
Ca-Mg\|\|Bi^［28］	0.539	0.280	0.4(Ca)， 0.96(Mg)	6	38	144.7
Li\|\|Sb-Pb^［19］	61.78	39.1	16	101.7(Sb)， 260(Pb)	103.63	66.64
Li\|\|Sb-Sn^［18］	19.7	15.34	5.18	30.3(Sb)， 44.3(Sn)	192.3	115.5
Li\|\|Sb-Bi^［31］	2.75	1.95	1.04	1.82(Sb)， 4.68(Bi)	258.62	63.43
Li\|\|Te-Sn^［36］	2	2.968	0.55	4.72(Te)， 0.72(Sn)	495.9	143.3
Li\|\|Sb^［34］	46.4	37.4	13	75.7	421.6	42.4

图8 550 ℃下Li||Bi电池性能

Fig. 8 Performance of Li||Bi battery at 550 ℃

图9 500 ℃下Li||Te-Sn电池性能

Fig. 9 Performance of Li|Te-Sn battery at 500 ℃

图 10 Ca-Mg||Bi电池结构及其在550 ℃下电池性能

Fig. 10 Ca-Mg||Bi battery structure and its battery performance at 550 ℃

图 11 Na||Bi9Sb电池

Fig. 11 Na||Bi9Sb battery

图 12 基于置换反应的Na||Zn LMB

Fig. 12 Na-Zn LMB based on displacement reaction

图 13 中低温LMB

Fig. 13 LMB operated at low or intermediate temperatures

图14 FUDS测试下不同算法对SOC的估计

Fig. 14 Estimation of SOC by different algorithms under FUDS test

图15 基于模糊逻辑控制器的均衡控制策略结果

Fig. 15 Results of balanced control strategy based on fuzzy logic controller

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