中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2023年9月10日，碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在深圳市南山區(qū)召開。巨安儲(chǔ)能武漢科技有限責(zé)任公司受邀參加本次大會(huì)，并由總經(jīng)理孟錦濤發(fā)表了題為《鐵基液流儲(chǔ)能技術(shù)及工程化應(yīng)用》的主題報(bào)告。以下為報(bào)告實(shí)錄。
孟錦濤：大家下午好，我是巨安儲(chǔ)能的孟錦濤，非常榮幸能與大家分享我們?cè)阼F基液流儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用研究方面的成果。
巨安儲(chǔ)能總部位于武漢，具有華中科技大學(xué)的研究背景，旨在利用自主研發(fā)的鐵基液流儲(chǔ)能技術(shù)，打造適用于大規(guī)模儲(chǔ)能的高安全、低成本系統(tǒng)解決方案。
在儲(chǔ)能技術(shù)方面，液流電池有多種類型，包括全釩、鐵鉻、鋅基和鐵基等。這些不同技術(shù)的區(qū)別，主要在于使用的活性材料。例如，全釩電池使用釩離子作為正負(fù)極的活性材料，而鐵鉻電池的正極是鐵，負(fù)極是鉻離子，鋅鐵電池的正極是鐵，負(fù)極是鋅。巨安儲(chǔ)能采用鐵基液流儲(chǔ)能技術(shù)，正負(fù)極都使用鐵離子，但與美國(guó)的鐵液流電池不同，我們的負(fù)極不含固態(tài)鐵。我們采用堿性水溶液體系，而不是傳統(tǒng)的酸性鐵基體系，有效了消除枝晶生成問題。
與酸性沉積型鐵基液流電池相比，巨安儲(chǔ)能的技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，我們的電池沒有枝晶生成，充放電過程完全處于水溶狀態(tài)。其次，氫氣析出幾乎不發(fā)生，堿性體系能夠大幅提高析氫的電位。第三，我們通過螯合物的設(shè)計(jì)將電位控制在1.3V或更高，這是可調(diào)的。
螯合物的加入，顯著提高了活性材料的反應(yīng)速率，比傳統(tǒng)鐵離子提高了將近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在80%能量效率下，我們可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)150毫安每平方厘米的電流密度，而傳統(tǒng)鐵基電池只能達(dá)到20%到50%。這樣既保留了鐵基液流電池低成本材料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也提高了性能。
鐵基螯合物的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)初期，我們使用了超穩(wěn)定的配體分子，專門為鐵基液流電池開發(fā)，正極和負(fù)極都采用鐵螯合物材料。巨安儲(chǔ)能鐵螯合物的配體分子本身不參與氧化還原反應(yīng)，而是由鐵離子在充放電過程中失去或獲取電子，不會(huì)產(chǎn)生固體產(chǎn)物。這種特異性設(shè)計(jì)確保在2000次循環(huán)中，幾乎百分之百的SOC充放電下，容量保持率可以達(dá)到98%以上，剩余2%也幾乎可以完全恢復(fù)。因此，巨安儲(chǔ)能的產(chǎn)品循環(huán)壽命可達(dá)2萬(wàn)次以上。
這個(gè)技術(shù)難題，事實(shí)上并不容易解決。早期，我們從傳統(tǒng)配體分子如TEA和TiPA等入手，但它們的穩(wěn)定性對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能材料來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，與鐵原子的結(jié)合能力較弱，導(dǎo)致了鐵的沉積和析氫的副反應(yīng)。因此，特異性的配體分子設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
從2016年開始，我們啟動(dòng)對(duì)鐵基螯合物材料的開發(fā)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)幾乎全天候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們開發(fā)了100多種螯合物分子，并使用FLMS分子模擬平臺(tái)進(jìn)行不斷迭代的設(shè)計(jì)。同時(shí)，我們還研究了多種配體分子，不僅與鐵配位，還研究了錳、鈷、鉻等金屬原子的配位效果。由于鐵是成本最低的元素之一，我們目前采用全鐵基的螯合物化用于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
巨安儲(chǔ)能不僅從事分子級(jí)材料的開發(fā)，還涵蓋電解液的制備、配方工藝、大功率電堆的設(shè)計(jì)開發(fā)，以及整個(gè)系統(tǒng)集成和電池管理系統(tǒng)的開發(fā)。在這個(gè)過程中，我們也遇到了很多挑戰(zhàn)，例如膜領(lǐng)域的電化學(xué)系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵材料的要求非常嚴(yán)格。我們的堿性體系，需要一種膜既能保持離子選擇性，又能降低鈉離子的膜電阻。從2021年開始，我們?cè)诒３?0%能量效率的情況下，不斷提高電流密度，從50毫安每平方厘米到100、150毫安/平方厘米，并計(jì)劃明年推出200毫安/平方厘米的專用膜。
我們的開發(fā)思路，包括轉(zhuǎn)向鈉和鉀膜，不斷調(diào)整膜和螯合物分子之間的相互作用關(guān)系，提高膜的透過性。此外，我們采用了自分層的超聚創(chuàng)新系統(tǒng)，使正極和負(fù)極的溶液完全不混合，從而降低了對(duì)膜的要求。
在雙極板方面，我們?cè)诹鞯赖拈_發(fā)上進(jìn)行優(yōu)化，并已開始大規(guī)模批量生產(chǎn)。由于我們的堿性體系對(duì)金屬雙極板或金屬材料非常友好，所以金屬雙極板的制備也更加便利。
在電池管理系統(tǒng)方面，我們推出了SOC管理系統(tǒng)，采用一堆一優(yōu)化和單電池監(jiān)測(cè)的方法。這一方法借鑒了燃料電池和鋰電池領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，在大量的電堆應(yīng)用中，對(duì)每個(gè)電堆的監(jiān)測(cè)以及每個(gè)電堆內(nèi)單電池的監(jiān)測(cè)都至關(guān)重要。通過相應(yīng)模塊，我們實(shí)現(xiàn)了這些功能。
目前，巨安儲(chǔ)能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品端到電解液、電堆系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)的全面覆蓋，還構(gòu)建了完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，并獲得包括美國(guó)在內(nèi)的的一系列專利授權(quán)。
液流電池未來(lái)的應(yīng)用非常廣泛，但成本是其關(guān)鍵因素。因此，我們不斷探索鐵基液流儲(chǔ)能在各個(gè)領(lǐng)域的低成本應(yīng)用。去年，我們成功開發(fā)了百千瓦級(jí)的工商業(yè)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，并于去年12月開始并網(wǎng)運(yùn)行，表現(xiàn)出了穩(wěn)定可靠的性能。
此外，巨安儲(chǔ)能還逐步開發(fā)了250千瓦、1.25兆瓦級(jí)的模塊化儲(chǔ)能系統(tǒng)，以支持大規(guī)模儲(chǔ)能。我們相信：標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能的最佳方式，通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式不斷擴(kuò)展。
目前，巨安儲(chǔ)能已接到50兆瓦和百兆瓦級(jí)系統(tǒng)項(xiàng)目，正積極設(shè)計(jì)和擴(kuò)展到大規(guī)模應(yīng)用。我們采用了模塊化布局，包括平鋪式和上下堆疊式架構(gòu)，以滿足不同項(xiàng)目的需求。
今年，巨安儲(chǔ)能入選了國(guó)家首臺(tái)套重大技術(shù)裝備領(lǐng)域的兩個(gè)項(xiàng)目，并得到了湖北省示范項(xiàng)目的支持。我們將與中廣核、中電建和湖北省新能源公司合作，陸續(xù)開展總計(jì)大約600兆瓦的項(xiàng)目，這是一個(gè)龐大的體量，需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的支持。我們會(huì)不斷擴(kuò)展生產(chǎn)能力，滿足產(chǎn)品交付的需求。
最后，我想誠(chéng)摯地發(fā)出邀請(qǐng)：巨安儲(chǔ)能在離子交換膜、碳?xì)蛛p極板、低功耗泵、PCS儲(chǔ)能逆變器、熱管理系統(tǒng)及裝備領(lǐng)域，希望能與各位合作伙伴深入合作，一起生產(chǎn)出更高質(zhì)量、更穩(wěn)定可靠、性能更出色的產(chǎn)品！
