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新一代液流电池储能技术及产业化团队——

让能源“存取”更自如

发布时间:2022-02-10

来源:中国科学报 卜叶【字号:

  能源俯拾皆是,能源供应却依然告急。广袤的西北地区蕴含大量“风”“光”等可再生能源,然而这些能源与处于用能中心的城市往往距离过远。当前,实现能源的远距离输送似乎是解决矛盾的最佳选择。

  长久以来,输电线路和电站充当着能源“搬运工”,但总有难以跨越的沟沟坎坎。为了实现更灵活的电力供给,科研人员希望在能源收集和利用之间架起一座桥梁,创新储能方式。

  中科院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)研究员李先锋团队深耕液流电池领域20余年。近日,该团队领衔的“新一代液流电池储能技术及产业化团队”获得2021年亚博yabo888vip网页版登录科技促进发展奖。

  “与传统电池不同,液流电池将液体电解质存储在外部,储能介质为水溶液,无着火爆炸风险,安全性高、寿命长,还可按需组合,实现功率与容量的自主调控,在电力系统储能领域具有广阔的应用前景。”李先锋告诉《中国科学报》。

  从电池内部突破

  电池看似是一个黑匣子,实际内部有着复杂的结构,主要由隔膜、双极板、电极等关键材料和核心部件构成。“提高储能电池性能需兼顾局部和整体,研发过程需考虑多种因素的相互作用和影响。”李先锋说。

  膜材料主要起着阻隔正负极、传输离子的作用。“膜的离子传导性越高,质子通过的速度越快,但离子选择性会随之变差,导致膜两侧的离子互相‘穿梭’,增加电池副反应,影响电池性能。”大连化物所高级工程师史丁秦说。因此,如何平衡膜的离子传导性和离子选择性。开发出两者兼顾的新型隔膜材料,是科研人员要解决的关键技术问题。

  为了阻止离子从膜的一侧穿梭到另一侧,研究人员致力于膜离子传输机理的研究,通过切断离子在隔膜内的传输通路,提高膜离子选择性。但此法依然无法完全解决两者的平衡问题。

  李先锋团队在研究过程中发现,液流电池电解液中不同离子的半径大小不同,“能否通过调控膜的孔径大小来实现离子的选择性传输呢?”带着这一想法,团队踏上研发多孔离子传导膜材料的新征程。

  微观世界复杂多变,调控困难,研究了相当一段时间未能取得突破,但团队的信念从未动摇。最终,他们从创新分子结构入手,突破了膜离子传导性与离子选择性之间的制衡,制备出高选择性、高传导性、低成本的多孔离子传导膜材料,并成功实现批量化生产。

  双极板是电池的又一关键材料,起到将每节单电池串联成电堆与集流的作用。与膜材料类似,双极板材料也面临“双高”矛盾。“碳含量越高,导电性越强,但韧性会变差,不利于电堆压紧组装。”大连化物所博士刘涛说,研发具有高导电性、高韧性的新型双极板材料是团队的主要攻关目标。

  近年来,团队着眼于双极板材料的创新和结构设计,将多尺度及多维度的碳粉颗粒融于聚合物增韧网络中,成功构建出更发达的导电网络。

  然而,目前市场上碳粉和聚合物材料不计其数,如何从众多的材料中找到最佳材料和配比是亟待解决的问题。团队曾为此试验过上千种配方。“即使配方确定了,仍不足以满足实际应用,还要保证制备和规模化生产的需要,提高材料的生产效率,降低成本。”刘涛说。

  为此,团队在规模放大和批量化生产工艺上不断探索尝试,最终开发出新型高导电、高韧性、可焊接的碳塑复合双极板,并实现批量化生产。

  给功率算笔账

  电堆好不好关键看放电功率和效率,高效率能保证相同储电量下,放出来的电量更多。但所有电池充放电过程中都存在损耗。“存进去1度电,放出来0.8度电,凭空消失的电量就是损耗。”大连化物所副研究员郑琼举例。

  在成功开发出性能优异的隔膜和双极板材料后,接下来便是使尽浑身解数,优化电堆结构和工艺,力求将损耗降到最低,让功率提升到更大。

  功率由电流和电压决定。理论上,电压不变,增加电流,功率就会增大,但所有电池都存在极化问题。大连化物所副研究员邢枫介绍,“极化”的存在使得电池功率提升的同时其效率反而下降。因此,科研人员渴望在增加电流、提升功率的同时,电堆能够始终处于高效率运行状态。

  科研中,邢枫添了一个“职业病”——爱算账。“提高功率、提高效率、降低成本,核心就是控制极化,需要不断对细节进行模拟仿真计算。”邢枫说。

  在实际工作中,电池极化不会等于零,只能通过技术改进使其不断降低。“只有对电池内的反应、传递过程中的每个细节做到潜精研思,电堆效率才会更高。”邢枫说。

  电堆之于电池系统就像心脏之于人体,功能重要、结构复杂、调试优化工作繁琐,牵一发动全身。往往这个指标提高了,其它指标却低了,追求指标全面提升简直难于登天。

  刚开始,团队只能做出功率不足1千瓦的电堆,且成本较高,远达不到市场准入门槛。如今,团队已开发出新一代30千瓦级高功率密度电堆,功率密度提高近1倍,成本下降近四成,已经处于商业化和产业化初期阶段。

  如今,产业化推进如火如荼。团队利用激光焊接技术实现了多孔离子传导膜与电极框的直接密封,摆脱了电堆内部部件之间对密封垫的依赖,提高了电堆的可靠性和装配水平。“新一代全钒液流电池技术初具雏形,继续研发,持续推进。”李先锋如是说。

  服务新型电力系统建设

  电解液是电池运转的“血液”,钒离子是团队十分看好的电解液类型。这种离子有4种价态,不同价态钒离子之间可进行可逆的转化,完成充电、放电、再充电的循环。同时,由钒离子构成水系全钒液流电池,可以大大降低着火、爆炸等风险,安全性极高。

  研究发现,全钒液流电池可以自由组合成电池组,其输出功率可达数百兆瓦,储能容量达数百兆瓦时,能存放10万度电。

  大连融科储能技术发展有限公司(以下简称大连融科)是依托于大连化物所技术成立的专注于全钒液流电池储能技术产业化的企业。双方一直深入合作,共同推动了全钒液流电池商业化示范项目落地,验证了实验室成果的可行性。

  2016年,基于团队技术支撑,大连融科承接全球最大功率全钒液流电池储能调峰电站国家示范项目工程建设任务。2020年,团队推出新一代全钒液流电池技术30千瓦级电堆,获得众多好评,多家意向合作单位慕名而来。目前,该团队与国内外多家企业建立合作意向关系,团队的全钒液流电池技术已占据超六成市场。

  在产业化过程中,团队发现,企业具有强烈的研发需要。为此,团队拓展合作维度,在企业成立实验室,搭建联合研发平台。“市场需要从一开始就长在科研的培养皿上。” 大连融科副总经理王晓丽说。

  产业发展,标准先行。团队还牵头制定了包括首项液流电池国际标准在内的20余项标准,提高了我国液流电池技术在国际上的话语权。

  “说到底,全钒液流电池解决的是发电侧富余电能的储存问题,从长远发展看,还需要解决用户侧的储能问题。”大连化物所研究员袁治章说。

  用锌基液流电池解决用户侧需求是团队的又一产业化方向。锌储量大、成本低、电位低、能量密度高,但锌基液流电池在长循环过程中,电解液中的反应物离子更容易扩散至电极表面的凸起处,形成锌枝晶,后者的不断生长会刺破隔膜,最终导致电池短路失效。

  因此,必须解决锌枝晶形成和生长问题,锌基液流电池才能实现真正的应用。经过多年攻关,团队研发出新型电极材料,实现了对锌沉积形貌的有效调控,很好地解决了锌枝晶的形成和生长问题,让锌基液流电池向大规模应用更进一步。

  李先锋表示,碳达峰、碳中和目标给现有电力系统带来了更大挑战,发展大规模储能技术、让新能源产生的电力耦合现有电力系统,将会使电力传输更高效、电力更加触手可及,从而助力以新能源为主体的新型电力系统构建。

  (原载于《中国科学报》 2022-02-10 第1版 要闻)

(责任编辑:阎芳)

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