大规模高效液流电池储能技术的基础研究

项目名称：大规模高效液流电池储能技术的基础研究

一、研究内容

2.1拟解决的关键科学问题

根据国外液流储能电池工程化开发经验以及国内的研究结果，目前液流储能电池技术主要存在如下四方面问题：

（1）电解质溶液稳定性有待进一步提高。液流储能电池用电解质溶液是包含有不同价态的活性离子、含氧酸根离子、不同形态的水合离子的复杂体系。组份浓度、杂质元素、温度、电场等因素都可能会造成电解质溶液析晶沉淀。

（2）储能活性物质迁移与水扩散造成物流失衡。例如目前的全钒液流储能电池系统运行一段时间后就会出现正极钒离子浓度升高和电解液体积增大，负极相应减少的现象。究其主要原因是现在所用的离子交换膜的选择性差所致。即钒离子在浓度场和电场等作用下能够渗透通过离子交换膜到达电极另一侧，如此将导致电池自放电、降低库仑效率。同时水分子在渗透压作用下或以水合离子形式随钒离子透过膜进行迁移，造成正负极电解液体积失衡，影响电池的稳定性和使用寿命。

（3）电池运行的电流密度低。目前，液流储能电池运行的工作电流密度较低（< 100 mA/cm2），仅为质子交换膜燃料电池工作电流密度的十分之一，造成电池模块体积大，材料需求量大，成本攀高。这主要与电对反应活性、电极极板材料的活性与导电性、离子交换膜的离子传导性和电解液传质能力有关。另外，在电池的规模放大过程中电解液分配的不均匀性越加严重，公用管道中内漏电电流损失增大

等。这都会造成电池性能的降低，因而工作电流密度偏低。

（4）电池系统成本较高。液流储能电池关键材料和部件还未实现批量化制备，因此目前生产成本较高。尤其是国内离子交换膜技术还未突破，通常使用的杜邦公司商业化的Nafion膜价格昂贵，成为制约液流储能电池实用化的瓶颈。

综上所述，解决液流储能电池稳定性、耐久性和实用性问题的关键在于关键材料（如电解液、离子交换膜、电极极板等）性能的提升和核心技术（材料批量化制备工艺、系统规模放大方法与系统耦合与能量管理控制技术）的突破。

本项目针对太阳能、风能等可再生能源发电对大规模储能技术的重大需求，以突破制约液流储能电池普及应用的关键科学问题和工程技术基础问题为目的，归纳并拟解决如下4方面的关键科学问题：科学问题一：液流储能电池关键材料的组成、结构与材料物性的构效关系，电池相关反应机理及对电池性能的影响规律；

科学问题二：液流储能电池关键材料的设计理论、合成方法及规模化制备的工程科学原理；

科学问题三：电池模块和系统结构设计、规模放大的模拟仿真理论及系统集成方法；

科学问题四：基于液流电池储能系统应用的发电、储能、电能转换及用电多体系的系统耦合及综合能量管理控制理论。

2.1.1液流储能电池关键材料的组成、结构与材料物性的构效关系，电池相关反应机理及对电池性能的影响规律

液流储能电池关键材料主要包括电解质溶液、离子交换膜、电极极板等。通过系统全面研究各种材料的组成、结构对材料的稳定性、导电性、耐久性等物性的影响规律和调控机制，建立液流储能电池关键材料的组分设计与性能调控基础理论，加深理解和认识材料组成、结构与材料物性的构效关系及对电池性能影响规律。

2.1.1.1高浓度、高稳定性电解质溶液长期稳定化调控机制

电解质溶液是液流储能电池的储能介质，其浓度直接影响电池的能量密度，其稳定性决定了电池的使用寿命。

液流储能电池的电解质溶液体系极为复杂，包含多种组份：不同价态的阳离子、含氧酸根离子、不同形态的水合离子。组份浓度、温度、电场等外界因素都对电解质溶液的物理化学性质产生重要影响。电解液组分决定其自身、离子交换膜、电极等电池组件的稳定性和性能。目前，国内外对电解质溶液缺乏系统的基础研究。因此，研究液流储能电池电解质溶液复杂体系的物理化学特性，建立高浓度、复杂体系溶液化学理论，提出高浓度、高稳定性电解质溶液长期稳定化调控机制十分重要。

2.1.1.2 高选择性、高导电性、高稳定性离子交换膜的构效关系及膜性能的调控策略

离子交换膜是液流储能电池的关键材料之一，它起到隔绝电子和导通离子的作用，其性能直接决定液流储能电池的使用寿命和能量效率。目前的离子交换膜存在选择性差、价格昂贵等问题，是液流储能电池规模化应用的瓶颈问题。然而，国内外对上述问题的产生原因和

作用机制仍缺乏深入、全面的认识。因此，阐明膜中的离子、分子传输机理和调控机制，提高离子交换膜的选择性、导电性和稳定性，是液流储能电池研究的重要科学问题。本项目通过研究离子交换膜内离子传导机理和调控方法、多种离子竞争吸附热力学和膜内离子迁移过程动力学、膜材料物理化学特性与膜材料稳定性关系问题，建立液流储能电池离子交换膜传导理论，为高选择性、高导电性、高稳定性离子交换膜的组分设计和合成提供基础理论支持。

2.1.1.3多场协同作用下电极反应机制

电极是电池电化学反应的场所，电极结构与自身性质直接影响液流储能电池的整体性能；电极与极板的接触电阻，以及电池的内漏电直接影响系统的效率。同时，液流储能电池的电化学反应在常规电极表面的可逆性仍不理想，且目前对反应机制尚未认识清楚。而且，由于反应活性物质存在多种价态，导致电池的反应机理、电池性能的衰减机理更为复杂。此外，在系统运行过程中，电极表面及其附近液层中存在的浓度场、电场、流速场及温度场等的协同作用对电极反应动力学产生明显影响，有必要阐明电极反应机理及多场作用下的电极过程动力学，提高电池比功率和能量转化效率。

2.1.1.4高效能液流储能电池新体系探索

现有液流电池大多利用溶于电解质溶液中的正、负极电对组成体系。这类体系充放电反应发生在惰性电极与电解液的界面上，电极无固相变化及形貌改变，容易保证电池模块的一致性、均匀性和循环寿命，已步入商业化示范阶段的全钒液流电池即是此类体系的代表。但

这类体系电池需要两套流体储存和管理系统，且由于正/负极电解液中的活性电对价态或者物种不同，须使用离子交换膜分隔，而现商用离子交换膜价格昂贵，且伴有水转移。因此，高性价比离子交换膜成为制约此类体系电池发展的关键材料之一。为此，如将传统二次电池中的沉积型电极反应过程用于液流储能，可实现液流储能电池的单液无隔膜化，既避免了传统二次电池电沉积反应中枝晶的形成，又解决了基于全液相电极反应的液流储能体系中使用离子交换膜的难点问题。

可再生能源发电系统等领域对高效、低成本规模储能技术的需求，使得全钒液流储能电池工程化、低成本化研究成为重要方向。但是，探索和开发具有自主知识产权、低成本而又性能优良的液流储能新体系也是必要的技术储备。为此，利用液流条件下的沉积型电极反应，进行已有锌溴液流电池的改进研究，探索单液流储能新体系，研究相关电极材料与技术实现原理，发展液流沉积型电极反应界面反应动力学调控方法，是降低电池成本、提高循环稳定性和寿命，建立高效能、高能量密度和稳定性液流储能新体系的科学技术基础。

2.1.2液流储能电池关键材料的设计理论、合成方法及规模化制备的工程科学原理

电解质溶液、离子交换膜、电极极板是液流储能电池的核心部件。材料的稳定性、导电性、耐久性及反应活性等直接影响电池的充放电能量效率、稳定性和耐久性。而材料的成本和使用寿命直接关系到大规模液流储能电池的成本和市场竞争力。突破液流储能电池电解质溶