中國儲能網(wǎng)訊：9月10-11日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會、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國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在深圳召開。此次大會主題是“綠色、經(jīng)濟(jì)、安全、發(fā)展”。
來自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國內(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。
10日下午，中南大學(xué)劉素琴教授受邀在“長時儲能技術(shù)及應(yīng)用專場”分享了主題報告，主題為《液流儲能電池研究進(jìn)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(jìn)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(nèi)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(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，并且時長是在4小時以上的配建調(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)。同時在雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方面也促進(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)，得到了儲能界較多的關(guān)注，也已經(jīng)有一些在建或者在招標(biāo)的項(xiàng)目。對于液流儲能雖然說受到了大家的關(guān)注，但是當(dāng)它走入市場的時候，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期比較長。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(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。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(biāo)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(guān)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?xì)植牧洗呋钚圆粔虻那闆r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(nèi)有一些國產(chǎn)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(zhì)子傳導(dǎo)高穩(wěn)定性的隔膜。圍繞這幾個方面進(jìn)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(shù)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(xiàn)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(dǎo)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(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，比如說有報道通過臭氧氧處理，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(shí)現(xiàn)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(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(fù)載，第二個是石墨烯，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(dǎo)電性等等方面。
復(fù)合工程，比如說從金屬有機(jī)框架著手制備碳點(diǎn)、石墨烯、碳納米管，以及一些復(fù)合材料方面開展工作。還有就是通過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?xì)值臐櫇裥?，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。
我們在缺電子的活性位點(diǎn)加速全釩液流電池負(fù)極反應(yīng)速度這一塊也開展了一些工作，主要是采用了硼化物，負(fù)極是反應(yīng)它的速控步驟，我們針對它的負(fù)極活性提升開展了一些工作，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)在工作可能會比原來更進(jìn)一步。
另外我們還研究了質(zhì)子對金屬氧化物催化活性的影響，即通過調(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，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(jīng)有些企業(yè)在做這一塊的工作；對于非氟離子交換膜，關(guān)鍵是提升它的離子電導(dǎo)的同時，使其阻止釩離子的透過率比Nafion提升1-2個數(shù)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(shè)計(jì)，使隔膜的孔徑縮小至釩離子不能通過，又能保證質(zhì)子傳導(dǎo)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(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高了兩個數(shù)量級，在150毫安每平方厘米的運(yùn)行過程中，其庫倫效率達(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(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，深圳市中和儲能科技有限公司針對有效提升多硫化物氧化還原電化學(xué)活性開展研究，目前能夠在1000次循環(huán)的過程當(dāng)中，1000瓦的電堆運(yùn)行很平穩(wěn)，能量效率達(dá)到70%以上。
我的報告就到這里，謝謝大家。
