中國儲能網訊：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及工程應用大會在深圳市南山區(qū)召開。巨安儲能武漢科技有限責任公司受邀參加本次大會，并由總經理孟錦濤發(fā)表了題為《鐵基液流儲能技術及工程化應用》的主題報告。以下為報告實錄。
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應用研究方面的成果。
巨安儲能總部位于武漢，具有華中科技大學的研究背景，旨在利用自主研發(fā)的鐵基液流儲能技術，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極的活性材料，而鐵鉻電池的正極是鐵，負極是鉻離子，鋅鐵電池的正極是鐵，負極是鋅。巨安儲能采用鐵基液流儲能技術，正負極都使用鐵離子，但與美國的鐵液流電池不同，我們的負極不含固態(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計將電位控制在1.3V或更高，這是可調的。
螯合物的加入，顯著提高了活性材料的反應速率，比傳統(tǒng)鐵離子提高了將近兩個數量級。在80%能量效率下，我們可以實現(xiàn)高達150毫安每平方厘米的電流密度，而傳統(tǒng)鐵基電池只能達到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)定性至關重要。在設計初期，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，而是由鐵離子在充放電過程中失去或獲取電子，不會產生固體產物。這種特異性設計確保在2000次循環(huán)中，幾乎百分之百的SOC充放電下，容量保持率可以達到98%以上，剩余2%也幾乎可以完全恢復。因此，巨安儲能的產品循環(huán)壽命可達2萬次以上。
這個技術難題，事實上并不容易解決。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遠不夠，與鐵原子的結合能力較弱，導致了鐵的沉積和析氫的副反應。因此，特異性的配體分子設計至關重要。
從2016年開始，我們啟動對鐵基螯合物材料的開發(fā)，研發(fā)團隊幾乎全天候進行實驗。我們開發(fā)了100多種螯合物分子，并使用FLMS分子模擬平臺進行不斷迭代的設計。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業(yè)化應用。
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)，例如膜領域的電化學系統(tǒng)對關鍵材料的要求非常嚴格。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，包括轉向鈉和鉀膜，不斷調整膜和螯合物分子之間的相互作用關系，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)上進行優(yōu)化，并已開始大規(guī)模批量生產。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域的經驗，在大量的電堆應用中，對每個電堆的監(jiān)測以及每個電堆內單電池的監(jiān)測都至關重要。通過相應模塊，我們實現(xiàn)了這些功能。
目前，巨安儲能已經實現(xiàn)了從產品端到電解液、電堆系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)的全面覆蓋，還構建了完整的知識產權體系，并獲得包括美國在內的的一系列專利授權。
液流電池未來的應用非常廣泛，但成本是其關鍵因素。因此，我們不斷探索鐵基液流儲能在各個領域的低成本應用。去年，我們成功開發(fā)了百千瓦級的工商業(yè)側儲能系統(tǒng)，并于去年12月開始并網運行，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：標準化的模塊化設計是實現(xiàn)大規(guī)模儲能的最佳方式，通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式不斷擴展。
目前，巨安儲能已接到50兆瓦和百兆瓦級系統(tǒng)項目，正積極設計和擴展到大規(guī)模應用。我們采用了模塊化布局，包括平鋪式和上下堆疊式架構，以滿足不同項目的需求。
今年，巨安儲能入選了國家首臺套重大技術裝備領域的兩個項目，并得到了湖北省示范項目的支持。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600兆瓦的項目，這是一個龐大的體量，需要整個產業(yè)鏈的支持。我們會不斷擴展生產能力，滿足產品交付的需求。
最后，我想誠摯地發(fā)出邀請：巨安儲能在離子交換膜、碳氈雙極板、低功耗泵、PCS儲能逆變器、熱管理系統(tǒng)及裝備領域，希望能與各位合作伙伴深入合作，一起生產出更高質量、更穩(wěn)定可靠、性能更出色的產品！
