中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：9月10-11日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)、南方科技大學(xué)碳中和能源研究院、南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院聯(lián)合100余家機(jī)構(gòu)共同支持的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)在深圳召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“綠色、經(jīng)濟(jì)、安全、發(fā)展”。
來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的600余家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1317位嘉賓參加了本屆大會(huì)。
10日下午，中南大學(xué)劉素琴教授受邀在“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用專(zhuān)場(chǎng)”分享了主題報(bào)告，主題為《液流儲(chǔ)能電池研究進(jìn)展》。
劉素琴：尊敬的各位來(lái)賓下午好！我今天下午向大家匯報(bào)的題目是“液流儲(chǔ)能電池研究進(jìn)展”。液流電池的種類(lèi)很多，我只能選其中有代表性的幾種簡(jiǎn)單地跟大家做一個(gè)匯報(bào)。我的匯報(bào)內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面：第一是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的市場(chǎng)需求，從2021年開(kāi)始，國(guó)家各個(gè)部委發(fā)布了一系列政策和文件，支持超過(guò)電網(wǎng)企業(yè)保障性并網(wǎng)以外的規(guī)模初期按照功率15%掛鉤比例，并且時(shí)長(zhǎng)是在4小時(shí)以上的配建調(diào)峰能力，按照20%以下掛鉤比例進(jìn)行配建的優(yōu)先并網(wǎng)。同時(shí)在雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方面也促進(jìn)了4小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能和保障可再生能源的安全穩(wěn)定的發(fā)展。
儲(chǔ)能的方式有多種，液流電池有一系列的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)本征安全、超長(zhǎng)壽命，以及配置靈活和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，得到了儲(chǔ)能界較多的關(guān)注，也已經(jīng)有一些在建或者在招標(biāo)的項(xiàng)目。對(duì)于液流儲(chǔ)能雖然說(shuō)受到了大家的關(guān)注，但是當(dāng)它走入市場(chǎng)的時(shí)候，還是遇到一些痛點(diǎn)，主要表現(xiàn)在它的初裝成本比較高以及投資回報(bào)期比較長(zhǎng)。為了解決這樣一些痛點(diǎn)，大家在材料、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行創(chuàng)新，主要目的是為了降低電堆的成本，同時(shí)提升電解液的利用率，這兩方面都可以提升系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比。
目前已經(jīng)有商業(yè)化應(yīng)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(dá)到的目標(biāo)主要是通過(guò)材料、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，將其電堆成本降低到0.3元—0.35元每瓦時(shí)。同時(shí)我們希望把電解液的利用率提升到75%以上，圍繞這些目標(biāo)開(kāi)展研究。對(duì)于新型的液流電池，主要也是開(kāi)展這樣幾個(gè)方面的研究，一是提升電堆的能量效率，比如說(shuō)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(guò)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(guān)鍵材料來(lái)講，首先是電解液，已開(kāi)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(guò)添加劑改性，制備高濃度高穩(wěn)定性電解液。對(duì)于電極材料，目前針對(duì)商業(yè)化碳?xì)植牧洗呋钚圆粔虻那闆r開(kāi)展高活性催化劑材料的研究和開(kāi)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(guó)內(nèi)有一些國(guó)產(chǎn)化，但是總的來(lái)說(shuō)成本還是比較高，所以我們也在做一些低成本、高質(zhì)子傳導(dǎo)高穩(wěn)定性的隔膜。圍繞這幾個(gè)方面進(jìn)行一些工作。
電解液方面，在這里就簡(jiǎn)單提一下，它主要的技術(shù)趨勢(shì)就是高濃度、高穩(wěn)定性和高活性電解液，圍繞這三個(gè)方面開(kāi)展工作。高穩(wěn)定性就主要是體現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一是正極尤其是5價(jià)的釩，它的高溫的穩(wěn)定性。第二個(gè)是稍微低價(jià)一些釩的低溫穩(wěn)定性開(kāi)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(lái)展開(kāi)工作。對(duì)于提升它的能量效率，我們主要是從提高它的電解液的導(dǎo)電性和提高釩離子的活性開(kāi)展工作。對(duì)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(shuō)圍繞這些方面開(kāi)展工作，其實(shí)都是在用一些添加劑，當(dāng)然不同系統(tǒng)的添加劑也是不一樣的。
電極材料開(kāi)展的工作，一是提升它的電化學(xué)反應(yīng)活性和穩(wěn)定性，二是抑制其析氫等副反應(yīng)。方法可分為本征處理和引入催化劑。本征處理又分為化學(xué)氧化，比如說(shuō)有報(bào)道通過(guò)臭氧氧處理，增加碳?xì)值谋砻婧豕倌軋F(tuán)，在300的電流密度下能量效率達(dá)到72.8%，這是2021年工作的報(bào)告。除此之外就是在碳摻雜改性方面也開(kāi)展了一些工作，比如說(shuō)通過(guò)聚多巴胺制備一些氮摻雜的碳納米球，可以實(shí)現(xiàn)在150電流下相對(duì)于空白電極的能量效率提升5.7%，是在2016年的研究結(jié)果。
除此之外，在碳基催化劑的制備，因?yàn)槭抢貌煌Y(jié)構(gòu)的碳材料，它具有不同的表面積和導(dǎo)電性，以及電化學(xué)活性都不一樣，所以就開(kāi)展了一系列的工作，主要工作就包括，一個(gè)是通過(guò)碳納米管的負(fù)載，第二個(gè)是石墨烯，以及生物質(zhì)衍生碳等等物質(zhì)。
金屬基催化劑的改性策略也是目前很重要的一個(gè)方向，在這里主要的方面，第一是采用缺陷工程，比如說(shuō)我們通過(guò)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(xiàn)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(dǎo)電性等等方面。
復(fù)合工程，比如說(shuō)從金屬有機(jī)框架著手制備碳點(diǎn)、石墨烯、碳納米管，以及一些復(fù)合材料方面開(kāi)展工作。還有就是通過(guò)靜電紡絲制備了含有催化劑的碳?xì)植牧稀?
在增加表面積這一塊也有很多工作的報(bào)道，比如說(shuō)非原位和原位的刻蝕工作，有人通過(guò)碳纖維上生長(zhǎng)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(zhǎng)一個(gè)ZIF-8的納米顆粒等等方法，主要是增加碳?xì)值臐?rùn)濕性，提升它跟電解液的親和性，提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)，達(dá)到催化的目的。
我們?cè)谌彪娮拥幕钚晕稽c(diǎn)加速全釩液流電池負(fù)極反應(yīng)速度這一塊也開(kāi)展了一些工作，主要是采用了硼化物，負(fù)極是反應(yīng)它的速控步驟，我們針對(duì)它的負(fù)極活性提升開(kāi)展了一些工作，進(jìn)行了一些催化劑的設(shè)計(jì)，最后也取得了還可以的效果。當(dāng)然現(xiàn)在工作可能會(huì)比原來(lái)更進(jìn)一步。
另外我們還研究了質(zhì)子對(duì)金屬氧化物催化活性的影響，即通過(guò)調(diào)控鎢氧化物中質(zhì)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(dá)到75.7%，每平方厘米的功率密度達(dá)到1.12瓦。相關(guān)成果，正在與深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)的電極可在250mA·cm-2以及300 mA·cm-2的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行，功率密度能夠達(dá)到1.1瓦每平方厘米。
第三大關(guān)鍵材料是隔膜，隔膜的發(fā)展趨勢(shì)，一是繼續(xù)提升全氟磺酸膜的性能，并降低其成本，我國(guó)已經(jīng)有些企業(yè)在做這一塊的工作；對(duì)于非氟離子交換膜，關(guān)鍵是提升它的離子電導(dǎo)的同時(shí)，使其阻止釩離子的透過(guò)率比Nafion提升1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于非氟類(lèi)的隔膜主要是兩大方向，第一個(gè)是磺化芳環(huán)聚合物，比如說(shuō)聚醚醚酮、聚砜、聚酰亞胺，還有聚苯并咪唑等等。
即通過(guò)聚合物分子選擇與設(shè)計(jì)，使隔膜的孔徑縮小至釩離子不能通過(guò)，又能保證質(zhì)子傳導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)。深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司在聚苯并咪唑類(lèi)非氟質(zhì)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(zhì)子電導(dǎo)率與Nafion接近，達(dá)到55mS·cm-1，阻止釩離子的能力比Nafion高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在150毫安每平方厘米的運(yùn)行過(guò)程中，其庫(kù)倫效率達(dá)到99.6%，能量效率達(dá)到84.2%。
在硫鐵液流電池這一塊也開(kāi)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(shì)，因其一側(cè)使用多硫化物為電解液。但多硫化物的反應(yīng)活性不理想，深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司針對(duì)有效提升多硫化物氧化還原電化學(xué)活性開(kāi)展研究，目前能夠在1000次循環(huán)的過(guò)程當(dāng)中，1000瓦的電堆運(yùn)行很平穩(wěn)，能量效率達(dá)到70%以上。
我的報(bào)告就到這里，謝謝大家。
