中國儲能網訊：9月10-11日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會、南方科技大學碳中和能源研究院、南方電網能源發(fā)展研究院聯(lián)合100余家機構共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會在深圳召開。此次大會主題是“綠色、經濟、安全、發(fā)展”。
來自行業(yè)主管機構、國內外駐華機構、科研單位、電網企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構等不同領域的600余家產業(yè)鏈企業(yè)，1317位嘉賓參加了本屆大會。
10日下午，中南大學劉素琴教授受邀在“長時儲能技術及應用專場”分享了主題報告，主題為《液流儲能電池研究進展》。
劉素琴：尊敬的各位來賓下午好！我今天下午向大家匯報的題目是“液流儲能電池研究進展”。液流電池的種類很多，我只能選其中有代表性的幾種簡單地跟大家做一個匯報。我的匯報內容分為以下幾個方面：第一是長時儲能的市場需求，從2021年開始，國家各個部委發(fā)布了一系列政策和文件，支持超過電網企業(yè)保障性并網以外的規(guī)模初期按照功率15%掛鉤比例，并且時長是在4小時以上的配建調峰能力，按照20%以下掛鉤比例進行配建的優(yōu)先并網。同時在雙碳目標的實現方面也促進了4小時以上的長時儲能和保障可再生能源的安全穩(wěn)定的發(fā)展。
儲能的方式有多種，液流電池有一系列的優(yōu)點，比如說本征安全、超長壽命，以及配置靈活和綠色環(huán)保等特點，得到了儲能界較多的關注，也已經有一些在建或者在招標的項目。對于液流儲能雖然說受到了大家的關注，但是當它走入市場的時候，還是遇到一些痛點，主要表現在它的初裝成本比較高以及投資回報期比較長。為了解決這樣一些痛點，大家在材料、結構等方面進行創(chuàng)新，主要目的是為了降低電堆的成本，同時提升電解液的利用率，這兩方面都可以提升系統(tǒng)的性價比。
目前已經有商業(yè)化應用的液流電池是全釩液流電池，除此之外還有一些新型的液流電池。全釩液流電池目前想達到的目標主要是通過材料、結構的創(chuàng)新，將其電堆成本降低到0.3元—0.35元每瓦時。同時我們希望把電解液的利用率提升到75%以上，圍繞這些目標開展研究。對于新型的液流電池，主要也是開展這樣幾個方面的研究，一是提升電堆的能量效率，比如說在120毫安每平方厘米的電流密度下，我們能夠提升它的能量效率到75%以上。另外通過提升其電解液穩(wěn)定性等，將其成本降到全釩液流電池的50%甚至是更低。
首先還是講一下全釩液流電池，主要是從三大關鍵材料來講，首先是電解液，已開展較多研究以突破其能量密度低和高低溫穩(wěn)定性差，方法是通過添加劑改性，制備高濃度高穩(wěn)定性電解液。對于電極材料，目前針對商業(yè)化碳氈材料催化活性不夠的情況開展高活性催化劑材料的研究和開發(fā)，主要是著眼于提高電堆的功率密度。然后是隔膜，目前主要還是全氟璜酸膜，雖然國內有一些國產化，但是總的來說成本還是比較高，所以我們也在做一些低成本、高質子傳導高穩(wěn)定性的隔膜。圍繞這幾個方面進行一些工作。
電解液方面，在這里就簡單提一下，它主要的技術趨勢就是高濃度、高穩(wěn)定性和高活性電解液，圍繞這三個方面開展工作。高穩(wěn)定性就主要是體現在兩個方面，第一是正極尤其是5價的釩，它的高溫的穩(wěn)定性。第二個是稍微低價一些釩的低溫穩(wěn)定性開展工作。高活性方面，我們主要是從提升它的能量效率和能量密度來展開工作。對于提升它的能量效率，我們主要是從提高它的電解液的導電性和提高釩離子的活性開展工作。對于提升能量密度這一塊主要是一些新型的電解液體系。雖然說圍繞這些方面開展工作，其實都是在用一些添加劑，當然不同系統(tǒng)的添加劑也是不一樣的。
電極材料開展的工作，一是提升它的電化學反應活性和穩(wěn)定性，二是抑制其析氫等副反應。方法可分為本征處理和引入催化劑。本征處理又分為化學氧化，比如說有報道通過臭氧氧處理，增加碳氈的表面含氧官能團，在300的電流密度下能量效率達到72.8%，這是2021年工作的報告。除此之外就是在碳摻雜改性方面也開展了一些工作，比如說通過聚多巴胺制備一些氮摻雜的碳納米球，可以實現在150電流下相對于空白電極的能量效率提升5.7%，是在2016年的研究結果。
除此之外，在碳基催化劑的制備，因為是利用不同結構的碳材料，它具有不同的表面積和導電性，以及電化學活性都不一樣，所以就開展了一系列的工作，主要工作就包括，一個是通過碳納米管的負載，第二個是石墨烯，以及生物質衍生碳等等物質。
金屬基催化劑的改性策略也是目前很重要的一個方向，在這里主要的方面，第一是采用缺陷工程，比如說我們通過一些還原的改性，有人用高溫氫氣熱處理制備富含氧空位的二氧化鈰做的納米線工作，還有一些摻雜改性，主要是改變它的電荷分布，以及提高導電性等等方面。
復合工程，比如說從金屬有機框架著手制備碳點、石墨烯、碳納米管，以及一些復合材料方面開展工作。還有就是通過靜電紡絲制備了含有催化劑的碳氈材料。
在增加表面積這一塊也有很多工作的報道，比如說非原位和原位的刻蝕工作，有人通過碳纖維上生長的ZIF-67納米顆粒，也有采用靜電紡絲的方法，在碳纖維上再生長一個ZIF-8的納米顆粒等等方法，主要是增加碳氈的潤濕性，提升它跟電解液的親和性，提供更多的反應活性位點，達到催化的目的。
我們在缺電子的活性位點加速全釩液流電池負極反應速度這一塊也開展了一些工作，主要是采用了硼化物，負極是反應它的速控步驟，我們針對它的負極活性提升開展了一些工作，進行了一些催化劑的設計，最后也取得了還可以的效果。當然現在工作可能會比原來更進一步。
另外我們還研究了質子對金屬氧化物催化活性的影響，即通過調控鎢氧化物中質子等的含量提升其催化活性，使其在250毫安每平方厘米的電流密度下，能量效率達到75.7%，每平方厘米的功率密度達到1.12瓦。相關成果，正在與深圳市中和儲能科技有限公司進行產業(yè)轉化，生產的電極可在250mA·cm-2以及300 mA·cm-2的電流密度下穩(wěn)定運行，功率密度能夠達到1.1瓦每平方厘米。
第三大關鍵材料是隔膜，隔膜的發(fā)展趨勢，一是繼續(xù)提升全氟磺酸膜的性能，并降低其成本，我國已經有些企業(yè)在做這一塊的工作；對于非氟離子交換膜，關鍵是提升它的離子電導的同時，使其阻止釩離子的透過率比Nafion提升1-2個數量級。對于非氟類的隔膜主要是兩大方向，第一個是磺化芳環(huán)聚合物，比如說聚醚醚酮、聚砜、聚酰亞胺，還有聚苯并咪唑等等。
即通過聚合物分子選擇與設計，使隔膜的孔徑縮小至釩離子不能通過，又能保證質子傳導的優(yōu)勢。深圳市中和儲能科技有限公司在聚苯并咪唑類非氟質子交換膜方面完成了小試到中試放大的工作，連續(xù)化中試制備的隔膜的質子電導率與Nafion接近，達到55mS·cm-1，阻止釩離子的能力比Nafion高了兩個數量級，在150毫安每平方厘米的運行過程中，其庫倫效率達到99.6%，能量效率達到84.2%。
在硫鐵液流電池這一塊也開展了一些工作，硫鐵和其他液流電池比較，具有電解液成本低的優(yōu)勢，因其一側使用多硫化物為電解液。但多硫化物的反應活性不理想，深圳市中和儲能科技有限公司針對有效提升多硫化物氧化還原電化學活性開展研究，目前能夠在1000次循環(huán)的過程當中，1000瓦的電堆運行很平穩(wěn)，能量效率達到70%以上。
我的報告就到這里，謝謝大家。
