中國儲能網(wǎng)訊:2023年9月10日,碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在深圳市南山區(qū)召開。巨安儲能武漢科技有限責(zé)任公司受邀參加本次大會,并由總經(jīng)理孟錦濤發(fā)表了題為《鐵基液流儲能技術(shù)及工程化應(yīng)用》的主題報告。以下為報告實(shí)錄。
孟錦濤:大家下午好,我是巨安儲能的孟錦濤,非常榮幸能與大家分享我們在鐵基液流儲能技術(shù)應(yīng)用研究方面的成果。
巨安儲能總部位于武漢,具有華中科技大學(xué)的研究背景,旨在利用自主研發(fā)的鐵基液流儲能技術(shù),打造適用于大規(guī)模儲能的高安全、低成本系統(tǒng)解決方案。
在儲能技術(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。巨安儲能采用鐵基液流儲能技術(shù),正負(fù)極都使用鐵離子,但與美國的鐵液流電池不同,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,巨安儲能的技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。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數(shù)量級。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,同時也提高了性能。
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,不會產(chǎn)生固體產(chǎn)物。這種特異性設(shè)計確保在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,巨安儲能的產(chǎn)品循環(huán)壽命可達(dá)2萬次以上。
這個技術(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)定性對于長時儲能材料來說遠(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)計至關(guān)重要。
從2016年開始,我們啟動對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分子模擬平臺進(jìn)行不斷迭代的設(shè)計。同時,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。
巨安儲能不僅從事分子級材料的開發(fā),還涵蓋電解液的制備、配方工藝、大功率電堆的設(shè)計開發(fā),以及整個系統(tǒng)集成和電池管理系統(tǒng)的開發(fā)。在這個過程中,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,我們在保持80%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,從而降低了對膜的要求。
在雙極板方面,我們在流道的開發(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,對每個電堆的監(jiān)測以及每個電堆內(nèi)單電池的監(jiān)測都至關(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)建了完整的知識產(chǎn)權(quán)體系,并獲得包括美國在內(nèi)的的一系列專利授權(quán)。
液流電池未來的應(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能在各個領(lǐng)域的低成本應(yīng)用。去年,我們成功開發(fā)了百千瓦級的工商業(yè)側(cè)儲能系統(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,巨安儲能還逐步開發(fā)了250千瓦、1.25兆瓦級的模塊化儲能系統(tǒng),以支持大規(guī)模儲能。我們相信:標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化設(shè)計是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲能的最佳方式,通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式不斷擴(kuò)展。
目前,巨安儲能已接到50兆瓦和百兆瓦級系統(tǒng)項(xiàng)目,正積極設(shè)計和擴(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,巨安儲能入選了國家首臺套重大技術(shù)裝備領(lǐng)域的兩個項(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)開展總計大約600兆瓦的項(xiàng)目,這是一個龐大的體量,需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的支持。我們會不斷擴(kuò)展生產(chǎn)能力,滿足產(chǎn)品交付的需求。
最后,我想誠摯地發(fā)出邀請:巨安儲能在離子交換膜、碳?xì)蛛p極板、低功耗泵、PCS儲能逆變器、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!