中國儲能網(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、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦，100余家機構(gòu)共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了香港科技大學能源研究院博士后張成分享主題報告《低成本有機液流電池研發(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！我是香港科技大學能源研究院的博士后張成，我的導師是能源科學與工程熱物理專家趙天壽院士，很榮幸收到儲能應(yīng)用協(xié)會的邀請參與第二屆中國國際儲能技術(shù)應(yīng)用及工程大會。
今天我將從兩個方面匯報我們組的科研進展，其中包括我本人關(guān)于低成本有機液流電池研發(fā)的工作，以及我們團隊在新型高功率液流電池電堆的工程化進展。
為了應(yīng)對能源安全和氣候變化挑戰(zhàn)，習主席在2020年第一次向全世界承諾中國在碳排放力爭將于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年實現(xiàn)“碳中和”。其實實現(xiàn)“碳中和”也是我們社會可持續(xù)發(fā)展的必然需求，未來社會是需要由非化石能源來驅(qū)動的，而實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”的目標最重要的支撐就是太陽能和風能的規(guī)?；娲?。這就代表著我們的能源結(jié)構(gòu)將會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”時代的能源結(jié)構(gòu)。需要把風能、太陽能、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。其實近幾年由于技術(shù)的發(fā)展，光電和風電的成本是快速下降的，但是他們在目前低比例下還沒有遇到大規(guī)模并網(wǎng)之后產(chǎn)生的問題，當比例提升之后，它的分散性、間歇性以及波動性都會導致并網(wǎng)是非常困難的，所以儲能能夠平衡能量供需，平抑電力系統(tǒng)的波動，是新型“碳中和”時代電力系統(tǒng)必須的環(huán)節(jié)。
根據(jù)未來碳中和的目標，未來儲能市場的新增規(guī)模也是巨大的，我們釩液流電池在長時的儲能空間市場規(guī)模也是巨大的。就以新能源發(fā)電側(cè)來說，以隆基總裁李振國先生的預測，2030年這一年風光的新增裝機在我國就能達到600GW，發(fā)電側(cè)的儲能新增裝機規(guī)模以15%，4小時的比例去預測，也要有是90GW、360GWh的規(guī)模。除此之外，電網(wǎng)側(cè)的儲能也是非常巨大的一塊市場，因為省級電網(wǎng)將基本具備5%以上的尖峰負荷響應(yīng)能力，這個規(guī)模也是在118GW左右。其他的包括電源側(cè)的輔助服務(wù)，以及每年都在增長的工商業(yè)儲能的裝機市場，合計下來2030年一年的市場將達到1000GWh以上。我們可以看出來，當新能源發(fā)電占比增高的時候，我們對于長時儲能，也就是大于4小時的需求增大，液流電池技術(shù)將占據(jù)非常大的優(yōu)勢。當前液流電處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期，后續(xù)它將憑借自身安全、長壽和靈活的多重優(yōu)勢實現(xiàn)份額的持續(xù)提升。
我們按照它在新型儲能市場20%左右的裝機占比測算，僅2030年一年市場規(guī)模將達到6000億元，如果占到30%以上，它基本上是一個萬億左右的市場。目前雖然說產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還比較初期，我們認為可以通過用戶側(cè)儲能應(yīng)用來發(fā)展技術(shù)的成熟度，我們瞄定了市場一定是未來新能源發(fā)電側(cè)的市場。液流電池為什么在大規(guī)模、長時儲能具有非常大的優(yōu)勢？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，首先它是本征安全的，因為這個體系采用的是水系的電解液，而且反應(yīng)是比較溫和的，沒有任何的燃爆風險，就帶來了非常根本性的，有區(qū)別與鋰電的優(yōu)勢。此外，由于反應(yīng)過程中主要是離子的價態(tài)轉(zhuǎn)換，它不包含相變的過程，所以它的壽命也非常長，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，所以也讓這個設(shè)計非常的靈活，我們的體系可以輕松的實現(xiàn)6小時以上的長時儲能，而且儲能時間越長成本是越低的。此外，相比鋰電來說，液流電池目前發(fā)展最好的釩電池來說還具有資源自主的優(yōu)勢，因為咱們釩的資源在中國資源是全球第一，占34%左右，所以說還是自主可控的。而且我們這個體系有一個優(yōu)點，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小時儲能系統(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，系統(tǒng)綜合下來初次建造成本大概是3700元每千瓦時，這個成本大概是現(xiàn)在鋰電的兩倍。在后續(xù)，我們預測光伏和風電發(fā)電的成本會進一步下降，也會給我們儲能留下更多成本的空間。第二個缺點，目前來說它的系統(tǒng)整體設(shè)計水平有待提高，比如說能量效率低，還有電解液泄漏等工程問題可能會造成使用壽命不達預期，影響實際項目運營收益的問題。第三，能量密度比較低，當然這方面我們有自知之明，比如說我們在便捷和動力電池上的應(yīng)用方向沒有競爭優(yōu)勢的，但在大規(guī)模儲能方面咱們還是有優(yōu)勢的，因為目前來說鋰電考慮到安全性問題，國家要求鋰電的電站中間有3米的間隔，咱們是沒有這個需求的，所以說這方面的缺點在未來最大的新能源發(fā)電側(cè)市場這個優(yōu)勢是并不明顯的。
針對以上幾個商業(yè)化挑戰(zhàn)，我們團隊主要針對這些方向做了技術(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)。我們認為提高系統(tǒng)的運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。比如說目前市場上主要的電堆運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，我們在關(guān)鍵材料的采用上也就降低了2/3。比如說別人需要用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，我們還通過從下而上的設(shè)計，通過從材料到界面、到器件、到系統(tǒng)性能銜接的智能調(diào)控來提高系統(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。我們團隊針對這些問題進行了技術(shù)突破。
我們團隊在電堆方向的技術(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的副秘書長，也是一直致力于大規(guī)模儲能技術(shù)的研究，我本人也是從事液流電池的系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化，我還在有機體系的液流電池方向做了一些工作。我們團隊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，他是在電堆的機械設(shè)計方面非常有經(jīng)驗的設(shè)計師，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)的進展，從2018年開始做100瓦的小電堆，后來我們在2019年開始開發(fā)千瓦級的電堆，我們從2021年、2022年開始對系統(tǒng)進行了徹底的更改，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。我們團隊目前正在開發(fā)30千瓦高功率的液流電池電堆，在明年預計開發(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以及工程化的項目落地工作，以及積極洽談對產(chǎn)業(yè)化項目投融資的工作。我們千瓦級的電堆確實實現(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到80%以上，這個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)、一些運行和一些設(shè)計之后，可以實現(xiàn)550毫安每平方厘米下高達80%的能量密度。我們的電堆也在香港開展了光伏儲能示范系統(tǒng)的工程項目，這個項目包含10千瓦的光伏發(fā)電設(shè)備，包含了6千瓦的負載，開發(fā)了10千瓦的光儲系統(tǒng)，包括液流電池堆、儲液罐、電池管理系統(tǒng)以及管路系統(tǒng)等等，通過光儲一體機連接整個系統(tǒng)，目前這個系統(tǒng)還在示范當中，正常運行當中。
后續(xù)，我們相信釩的資源，雖然說在我國是非常能夠自主可控的資源，但是后續(xù)我們相信儲能的市場它會有很大的市場，釩的資源還是會面臨緊缺，面臨漲價必然市場化過程。所以我們也是針對這個問題做了一些儲備的技術(shù)工作，開發(fā)有機的液流電池，因為有機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，比如說碳、氮、氧、氫、硫、鐵。而且我們可以通過改變它的分子結(jié)構(gòu)來調(diào)控電對的物理化學和電化學性質(zhì)，比如說它的穩(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，有機液流電池的電對，這個工作去研究它醌類化合物上不同取代的官能團，可以看出對它的電位和溶解度都有非常大的影響。如果說可調(diào)性，就給我們很大的科研空間。目前來說醌類是非常優(yōu)秀的有機液流電池的電對，因為它展示了非常優(yōu)秀的電化學的動力學特性，它的分子性能是非常穩(wěn)定的，它的電化學特性在循環(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，這樣就導致它體系的能量密度過于低了。針對這個方向，我做了一些工作，我找到了對苯醌、對苯酚的有機液流電對，它在水系電解液當中溶解度是很低的，它的好處是電化學性能不錯，而且是一個雙電子的反應(yīng)過程，但是它就是在水系電解液當中溶解度比較低。我們根據(jù)相似相溶的原理找到了成本比較低，結(jié)構(gòu)比較相似的有機電解液，我們發(fā)現(xiàn)它在這種電解液當中溶解度可以達到1.9摩爾，考慮到雙電子的反應(yīng)，這個體系它最后組成了電解液可以實現(xiàn)100Ah/L的能量密度，因為能量密度在有機電解液當中是非常高的。我們通過對它的電化學測試也驗證了這是一種非常高能量密度的正級電對，它的電位大概是在0.6-0.7V之間，可逆性也是非常不錯的雙電子反應(yīng)。
我們后續(xù)把做成了電池，電池的能量效率達到80%以上，而且電解液的利用率也能夠達到78%以上。當然我們還是發(fā)現(xiàn)了，問題就是它組成的電池在核心物質(zhì)的跨膜擴散導致它系統(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。這個問題引發(fā)了我們后續(xù)開展了下一個工作，這個工作我們受到釩的體系的啟發(fā)，釩的體系它正負級采用了同樣的元素作為活性電對。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)擴散導致容量衰減，可以把電解液混溶，或者其他很簡單的方式來恢復它的容量。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稱的、有機的液流電池呢？這個體系給我們帶來一些研究挑戰(zhàn)，這個挑戰(zhàn)主要是怎么樣尋找具有兩個以上的活性中性的分子，因為釩是通過四五個價態(tài)來實現(xiàn)對稱的結(jié)構(gòu)，我們就需要在有機體系里面，需要尋找兩個以上活性中性的分子。我們的方法就是通過偶聯(lián)反應(yīng)合成一個包含金屬中心的人造雙極分子，為什么要有一個金屬中心呢？因為金屬中心可以讓分子的電荷狀態(tài)保持不變，這樣我們在膜的匹配上比較容易，而且與傳統(tǒng)的金屬配體的雙極性分子來比較，氧化還原的路徑是比較少的，會讓這個系統(tǒng)不那么復雜。
我們成功的合成了這種分子之后，我們也去測試它的電化學性能，可以看出正負級都保持了比較好的電化學可逆性，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的。在組成了對稱流動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)還會持續(xù)在這個方向做一些工作。
這是今天我想給大家匯報的全部內(nèi)容，非常感謝您的聆聽和幫助，謝謝！
