中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長(zhǎng)沙市人民政府、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長(zhǎng)沙）電池博覽會(huì)暨第二屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在長(zhǎng)沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會(huì)主題是“新能源、新機(jī)遇、新高度”。
會(huì)議期間，組委會(huì)邀請(qǐng)了香港科技大學(xué)能源研究院博士后張成分享主題報(bào)告《低成本有機(jī)液流電池研發(fā)及新型高功率液流電池電堆》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
張成：各位嘉賓，大家上午好！我是香港科技大學(xué)能源研究院的博士后張成，我的導(dǎo)師是能源科學(xué)與工程熱物理專家趙天壽院士，很榮幸收到儲(chǔ)能應(yīng)用協(xié)會(huì)的邀請(qǐng)參與第二屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用及工程大會(huì)。
今天我將從兩個(gè)方面匯報(bào)我們組的科研進(jìn)展，其中包括我本人關(guān)于低成本有機(jī)液流電池研發(fā)的工作，以及我們團(tuán)隊(duì)在新型高功率液流電池電堆的工程化進(jìn)展。
為了應(yīng)對(duì)能源安全和氣候變化挑戰(zhàn)，習(xí)主席在2020年第一次向全世界承諾中國(guó)在碳排放力爭(zhēng)將于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”。其實(shí)實(shí)現(xiàn)“碳中和”也是我們社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然需求，未來(lái)社會(huì)是需要由非化石能源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，而實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)最重要的支撐就是太陽(yáng)能和風(fēng)能的規(guī)模化替代。這就代表著我們的能源結(jié)構(gòu)將會(huì)從目前以化石能源為主的能夠結(jié)構(gòu)，全面地調(diào)整為“碳中和”時(shí)代的能源結(jié)構(gòu)。需要把風(fēng)能、太陽(yáng)能、清潔可再生的能源比例提高到60%以上，現(xiàn)在的比例只有8% 左右。其實(shí)近幾年由于技術(shù)的發(fā)展，光電和風(fēng)電的成本是快速下降的，但是他們?cè)谀壳暗捅壤逻€沒有遇到大規(guī)模并網(wǎng)之后產(chǎn)生的問題，當(dāng)比例提升之后，它的分散性、間歇性以及波動(dòng)性都會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)是非常困難的，所以儲(chǔ)能能夠平衡能量供需，平抑電力系統(tǒng)的波動(dòng)，是新型“碳中和”時(shí)代電力系統(tǒng)必須的環(huán)節(jié)。
根據(jù)未來(lái)碳中和的目標(biāo)，未來(lái)儲(chǔ)能市場(chǎng)的新增規(guī)模也是巨大的，我們釩液流電池在長(zhǎng)時(shí)的儲(chǔ)能空間市場(chǎng)規(guī)模也是巨大的。就以新能源發(fā)電側(cè)來(lái)說(shuō)，以隆基總裁李振國(guó)先生的預(yù)測(cè)，2030年這一年風(fēng)光的新增裝機(jī)在我國(guó)就能達(dá)到600GW，發(fā)電側(cè)的儲(chǔ)能新增裝機(jī)規(guī)模以15%，4小時(shí)的比例去預(yù)測(cè)，也要有是90GW、360GWh的規(guī)模。除此之外，電網(wǎng)側(cè)的儲(chǔ)能也是非常巨大的一塊市場(chǎng)，因?yàn)槭〖?jí)電網(wǎng)將基本具備5%以上的尖峰負(fù)荷響應(yīng)能力，這個(gè)規(guī)模也是在118GW左右。其他的包括電源側(cè)的輔助服務(wù)，以及每年都在增長(zhǎng)的工商業(yè)儲(chǔ)能的裝機(jī)市場(chǎng)，合計(jì)下來(lái)2030年一年的市場(chǎng)將達(dá)到1000GWh以上。我們可以看出來(lái)，當(dāng)新能源發(fā)電占比增高的時(shí)候，我們對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，也就是大于4小時(shí)的需求增大，液流電池技術(shù)將占據(jù)非常大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前液流電處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期，后續(xù)它將憑借自身安全、長(zhǎng)壽和靈活的多重優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)份額的持續(xù)提升。
我們按照它在新型儲(chǔ)能市場(chǎng)20%左右的裝機(jī)占比測(cè)算，僅2030年一年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到6000億元，如果占到30%以上，它基本上是一個(gè)萬(wàn)億左右的市場(chǎng)。目前雖然說(shuō)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還比較初期，我們認(rèn)為可以通過(guò)用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用來(lái)發(fā)展技術(shù)的成熟度，我們瞄定了市場(chǎng)一定是未來(lái)新能源發(fā)電側(cè)的市場(chǎng)。液流電池為什么在大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能具有非常大的優(yōu)勢(shì)？和它的工作原理是有關(guān)的，前面的老師已經(jīng)講了不少液流電池的工作原理，它的主要優(yōu)勢(shì)，首先它是本征安全的，因?yàn)檫@個(gè)體系采用的是水系的電解液，而且反應(yīng)是比較溫和的，沒有任何的燃爆風(fēng)險(xiǎn)，就帶來(lái)了非常根本性的，有區(qū)別與鋰電的優(yōu)勢(shì)。此外，由于反應(yīng)過(guò)程中主要是離子的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換，它不包含相變的過(guò)程，所以它的壽命也非常長(zhǎng)，而且可以深度、大電容的充電。由于功率模塊和能量模塊是分開的，所以也讓這個(gè)設(shè)計(jì)非常的靈活，我們的體系可以輕松的實(shí)現(xiàn)6小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，而且儲(chǔ)能時(shí)間越長(zhǎng)成本是越低的。此外，相比鋰電來(lái)說(shuō)，液流電池目前發(fā)展最好的釩電池來(lái)說(shuō)還具有資源自主的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵蹅冣C的資源在中國(guó)資源是全球第一，占34%左右，所以說(shuō)還是自主可控的。而且我們這個(gè)體系有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在電池的壽命到期之后釩的電解液溶液幾乎是可以完全回收和再次利用的，而相比鋰電池回收殘值就是比較低的。
全釩液流電池目前還是面臨著商業(yè)化的挑戰(zhàn)，其中最大的挑戰(zhàn)就是它初次建造成本還是較高，我們以4小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，功率模塊大概是六七千每千瓦，電解液模塊大概是2000元每千瓦時(shí)，系統(tǒng)綜合下來(lái)初次建造成本大概是3700元每千瓦時(shí)，這個(gè)成本大概是現(xiàn)在鋰電的兩倍。在后續(xù)，我們預(yù)測(cè)光伏和風(fēng)電發(fā)電的成本會(huì)進(jìn)一步下降，也會(huì)給我們儲(chǔ)能留下更多成本的空間。第二個(gè)缺點(diǎn)，目前來(lái)說(shuō)它的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)水平有待提高，比如說(shuō)能量效率低，還有電解液泄漏等工程問題可能會(huì)造成使用壽命不達(dá)預(yù)期，影響實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)收益的問題。第三，能量密度比較低，當(dāng)然這方面我們有自知之明，比如說(shuō)我們?cè)诒憬莺蛣?dòng)力電池上的應(yīng)用方向沒有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的，但在大規(guī)模儲(chǔ)能方面咱們還是有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)槟壳皝?lái)說(shuō)鋰電考慮到安全性問題，國(guó)家要求鋰電的電站中間有3米的間隔，咱們是沒有這個(gè)需求的，所以說(shuō)這方面的缺點(diǎn)在未來(lái)最大的新能源發(fā)電側(cè)市場(chǎng)這個(gè)優(yōu)勢(shì)是并不明顯的。
針對(duì)以上幾個(gè)商業(yè)化挑戰(zhàn)，我們團(tuán)隊(duì)主要針對(duì)這些方向做了技術(shù)突破，其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是開發(fā)了高功率的電堆結(jié)構(gòu)。我們認(rèn)為提高系統(tǒng)的運(yùn)行功率可以減少電堆關(guān)鍵材料的用量，從而降低后續(xù)度電成本。比如說(shuō)目前市場(chǎng)上主要的電堆運(yùn)行的電能密度都是在100-150毫安每平方厘米之間，如果我們把電流密度提升3倍，提升到450毫安每平方厘米，我們?cè)陉P(guān)鍵材料的采用上也就降低了2/3。比如說(shuō)別人需要用3平方米的膜，我們只需要用1平方米的膜，別人需要用6平方米的電極，我們用2平方米的電極，這就是很大的成本上的降低。
其次，我們還通過(guò)從下而上的設(shè)計(jì)，通過(guò)從材料到界面、到器件、到系統(tǒng)性能銜接的智能調(diào)控來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。再就是我們開發(fā)了多尺度高性能的電極，從而提高性能，尤其是提高電解液的利用率，電解液也是成本很高的一個(gè)部分，提高電解液利用率一方面可以降低成本；另一方面也可以減少系統(tǒng)的尺寸，降低系統(tǒng)的占地空間面積。我們團(tuán)隊(duì)針對(duì)這些問題進(jìn)行了技術(shù)突破。
我們團(tuán)隊(duì)在電堆方向的技術(shù)核心人員主要是有范新莊博士，大家都比較熟悉，他也是液流電池專委會(huì)的籌備小組成員，曾經(jīng)在中科院金屬所工作，范博士主要研究方向也是液流電池先進(jìn)的電極材料的構(gòu)建和工程化制備。以及魏磊博士，他目前也是液流電池專委會(huì)的副秘書長(zhǎng)，也是一直致力于大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的研究，我本人也是從事液流電池的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，我還在有機(jī)體系的液流電池方向做了一些工作。我們團(tuán)隊(duì)還有孫靜博士主要做電極方向，研究方向是用靜電紡絲的方法，設(shè)計(jì)制備了多種高性能的液流電池電極。此外還有非常優(yōu)秀的兩位工程師，像謝恒星工程師，他是在電堆的機(jī)械設(shè)計(jì)方面非常有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師，以及林工程師，他主要是做BMS和EMS開發(fā)方向，我們后續(xù)會(huì)在集裝箱的電堆上和林工程師展開深入的合作。
目前我們組在液流電池電堆方面開發(fā)的進(jìn)展，從2018年開始做100瓦的小電堆，后來(lái)我們?cè)?019年開始開發(fā)千瓦級(jí)的電堆，我們從2021年、2022年開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了徹底的更改，我們開始開發(fā)高功率的電堆結(jié)構(gòu)，已經(jīng)開發(fā)完成了15千瓦的電堆。我們團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)30千瓦高功率的液流電池電堆，在明年預(yù)計(jì)開發(fā)250千瓦的集裝箱模塊電堆，我們目前也在積極洽談?wù)畬用娴耐顿Y以及工程化的項(xiàng)目落地工作，以及積極洽談對(duì)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目投融資的工作。我們千瓦級(jí)的電堆確實(shí)實(shí)現(xiàn)了非常優(yōu)秀的性能，在400毫安每平方厘米下，我們的能量效率已然可以達(dá)到80%以上，這個(gè)性能在市面上非常稀缺，非常罕見，而且我們優(yōu)化了一些參數(shù)、一些運(yùn)行和一些設(shè)計(jì)之后，可以實(shí)現(xiàn)550毫安每平方厘米下高達(dá)80%的能量密度。我們的電堆也在香港開展了光伏儲(chǔ)能示范系統(tǒng)的工程項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目包含10千瓦的光伏發(fā)電設(shè)備，包含了6千瓦的負(fù)載，開發(fā)了10千瓦的光儲(chǔ)系統(tǒng)，包括液流電池堆、儲(chǔ)液罐、電池管理系統(tǒng)以及管路系統(tǒng)等等，通過(guò)光儲(chǔ)一體機(jī)連接整個(gè)系統(tǒng)，目前這個(gè)系統(tǒng)還在示范當(dāng)中，正常運(yùn)行當(dāng)中。
后續(xù)，我們相信釩的資源，雖然說(shuō)在我國(guó)是非常能夠自主可控的資源，但是后續(xù)我們相信儲(chǔ)能的市場(chǎng)它會(huì)有很大的市場(chǎng)，釩的資源還是會(huì)面臨緊缺，面臨漲價(jià)必然市場(chǎng)化過(guò)程。所以我們也是針對(duì)這個(gè)問題做了一些儲(chǔ)備的技術(shù)工作，開發(fā)有機(jī)的液流電池，因?yàn)橛袡C(jī)液流電池不受資源局限，通常是由自然界比較豐富的元素組成的，比如說(shuō)碳、氮、氧、氫、硫、鐵。而且我們可以通過(guò)改變它的分子結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控電對(duì)的物理化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，比如說(shuō)它的穩(wěn)定性，它的氧化還原，它的溶解度和可逆性。比如目前比較火的醌類化合物，有機(jī)液流電池的電對(duì)，這個(gè)工作去研究它醌類化合物上不同取代的官能團(tuán)，可以看出對(duì)它的電位和溶解度都有非常大的影響。如果說(shuō)可調(diào)性，就給我們很大的科研空間。目前來(lái)說(shuō)醌類是非常優(yōu)秀的有機(jī)液流電池的電對(duì)，因?yàn)樗故玖朔浅?yōu)秀的電化學(xué)的動(dòng)力學(xué)特性，它的分子性能是非常穩(wěn)定的，它的電化學(xué)特性在循環(huán)之后都非常穩(wěn)定。其次，成本很低、含量豐富，而且環(huán)境友好。它現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)就是溶解度非常低，小于0.6摩爾，這樣就導(dǎo)致它體系的能量密度過(guò)于低了。針對(duì)這個(gè)方向，我做了一些工作，我找到了對(duì)苯醌、對(duì)苯酚的有機(jī)液流電對(duì)，它在水系電解液當(dāng)中溶解度是很低的，它的好處是電化學(xué)性能不錯(cuò)，而且是一個(gè)雙電子的反應(yīng)過(guò)程，但是它就是在水系電解液當(dāng)中溶解度比較低。我們根據(jù)相似相溶的原理找到了成本比較低，結(jié)構(gòu)比較相似的有機(jī)電解液，我們發(fā)現(xiàn)它在這種電解液當(dāng)中溶解度可以達(dá)到1.9摩爾，考慮到雙電子的反應(yīng)，這個(gè)體系它最后組成了電解液可以實(shí)現(xiàn)100Ah/L的能量密度，因?yàn)槟芰棵芏仍谟袡C(jī)電解液當(dāng)中是非常高的。我們通過(guò)對(duì)它的電化學(xué)測(cè)試也驗(yàn)證了這是一種非常高能量密度的正級(jí)電對(duì)，它的電位大概是在0.6-0.7V之間，可逆性也是非常不錯(cuò)的雙電子反應(yīng)。
我們后續(xù)把做成了電池，電池的能量效率達(dá)到80%以上，而且電解液的利用率也能夠達(dá)到78%以上。當(dāng)然我們還是發(fā)現(xiàn)了，問題就是它組成的電池在核心物質(zhì)的跨膜擴(kuò)散導(dǎo)致它系統(tǒng)的循環(huán)壽命是非常低的，循環(huán)了十幾圈之后，它的容量就衰減比較厲害。這個(gè)問題引發(fā)了我們后續(xù)開展了下一個(gè)工作，這個(gè)工作我們受到釩的體系的啟發(fā)，釩的體系它正負(fù)級(jí)采用了同樣的元素作為活性電對(duì)。釩體系現(xiàn)在是發(fā)展最好的體系主要的原因就是釩體系的容量活性物質(zhì)擴(kuò)散導(dǎo)致容量衰減，可以把電解液混溶，或者其他很簡(jiǎn)單的方式來(lái)恢復(fù)它的容量。我們是不是也能夠采用同樣的電解液、同樣的分子做一種對(duì)稱的、有機(jī)的液流電池呢？這個(gè)體系給我們帶來(lái)一些研究挑戰(zhàn)，這個(gè)挑戰(zhàn)主要是怎么樣尋找具有兩個(gè)以上的活性中性的分子，因?yàn)殁C是通過(guò)四五個(gè)價(jià)態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，我們就需要在有機(jī)體系里面，需要尋找兩個(gè)以上活性中性的分子。我們的方法就是通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)合成一個(gè)包含金屬中心的人造雙極分子，為什么要有一個(gè)金屬中心呢？因?yàn)榻饘僦行目梢宰尫肿拥碾姾蔂顟B(tài)保持不變，這樣我們?cè)谀さ钠ヅ渖媳容^容易，而且與傳統(tǒng)的金屬配體的雙極性分子來(lái)比較，氧化還原的路徑是比較少的，會(huì)讓這個(gè)系統(tǒng)不那么復(fù)雜。
我們成功的合成了這種分子之后，我們也去測(cè)試它的電化學(xué)性能，可以看出正負(fù)級(jí)都保持了比較好的電化學(xué)可逆性，它的活性還是比較可逆的，有大概1.5伏左右的充電電壓和1.1伏左右的放電電壓，我們也去測(cè)試了它充放電的循環(huán)性能，可以看出它在電池里可以穩(wěn)定的循環(huán)200圈以上，而且容量的衰減還是比較不錯(cuò)的。在組成了對(duì)稱流動(dòng)的液流電池體系里面也可以循環(huán)幾十圈以上，還是比較有意思的方向，我后續(xù)還會(huì)持續(xù)在這個(gè)方向做一些工作。
這是今天我想給大家匯報(bào)的全部?jī)?nèi)容，非常感謝您的聆聽和幫助，謝謝！
