中國儲能網(wǎng)訊：5月24日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦，200余家機構(gòu)共同支持的第十一屆中國國際儲能大會在杭州洲際酒店召開。此次大會主題是“堅守儲能安全底線，推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”。來自行業(yè)主管機構(gòu)、國內(nèi)外駐華機構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構(gòu)等不同領(lǐng)域的718家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1952位嘉賓參加了本屆大會，其中88家企業(yè)展示了儲能產(chǎn)品。
在5月26日下午的“新型儲能技術(shù)及應(yīng)用”專場，上海交通大學(xué)副教授蔣峰景 分享了主題報告《低成本液流電池關(guān)鍵技術(shù)的研究》。經(jīng)演講人本人授權(quán)同意，小編整理了演講速記，并將速記內(nèi)容分享如下：
蔣峰景：各位專家，各位同行，大家下午好！非常感謝組委會的邀請。
剛才前面李教授說，我們從事液流電池這個領(lǐng)域的人不多，但是我剛才聽下來，我們李教授提到了液流電池，宋教授也提到了液流電池，所以前面兩位專家的發(fā)言讓我覺得并沒有那么孤單。
今天我看到了list上的一些題目，有非常多的題目都非常的高大上，我這個報告的題目則強調(diào)“低”。我想了一下，我覺得我現(xiàn)在所從事的關(guān)于液流電池的工作重點，或者說我需要達(dá)到的最大目的，就是要解決現(xiàn)在液流電池，包括全釩液流電池來產(chǎn)業(yè)化中遇到的問題，就是降低成本的問題，所以我的匯報將圍繞低成本這個關(guān)鍵詞來展開。
（圖示）這是我今天匯報的主要內(nèi)容：第一部分，液流電池的工作原理和研究背景；第二部分，低成本、高性能液流電池雙極板開發(fā)；第三部分，低成本、高性能離子導(dǎo)電膜研究。
首先，我想簡單介紹一下液流電池的工作原理。各位可以看一下，液流電池最大的特點就是把它的活性物質(zhì)就是存儲能量的物質(zhì)放在了電堆外面的兩個比較獨立的罐子里，這是和鋰電池最大的不同。為什么說鋰電池會遇到安全問題，是因為它把兩個脾氣火爆的家伙放在狹小密閉的空間里，所以說鋰電池需要關(guān)注安全性問題，但是液流電池從它天然的特質(zhì)上來說，在安全性方面是有優(yōu)勢的。
（圖示）在我們充放電的過程中，只需要把我們的儲能物質(zhì)，通過一個泵，使得電解液在電堆里進行循環(huán)，就可以進行充放電。在這個電池里，我們可以看到這個結(jié)構(gòu)比較簡單，液流電池的結(jié)構(gòu)大致上和燃料電池是非常相似的。這些是里面用的比較多的零部件。我們要降電堆成本的話，還是要重點關(guān)注用量最多的零部件，從它們?nèi)胧帧？梢钥吹嚼锩嬗枚嗟牧悴考谴蠹铱吹降倪@個黑色的極板，藍(lán)色的離子導(dǎo)電膜，還有就是電極，一般是以石墨氈為主。石墨氈這從整個材料產(chǎn)業(yè)化的程度上來說，并不是太大的問題，所以我研究的內(nèi)容主要是雙極板和離子導(dǎo)電膜。
剛才李教授談到了全釩液流電池，從它的性能以及各方面的項目驗證來說，綜合性能是比較好的一種液流電池，也是我們在液流電池產(chǎn)業(yè)化當(dāng)中走的最前的一類液流電池，所以也是比較受關(guān)注。
由于液流電池以上的一些工作原理或者結(jié)構(gòu)上的特點，使它具有一些獨特的優(yōu)勢：第一，安全性。如果你用的液流電池是一個水系的液流電池，基本上它沒有起火爆炸的風(fēng)險。當(dāng)你用到規(guī)模非常大的儲能場所的時候，我們的安全性有保障。第二，環(huán)境友好。為什么說環(huán)境友好？因為在液流電池里，這些活性物質(zhì)理論上來說可以終身使用，你可以對活性物質(zhì)做調(diào)整，但是就物質(zhì)上來說是終身使用。它不像其他的電池一樣，用完遺棄以后會污染環(huán)境。第三，壽命長。從它工作的特點上來講，它在充放電過程中，基本上都是可逆的一些電化學(xué)反應(yīng)。比如說一些固態(tài)電極會存在不可逆的變化，導(dǎo)致它的壽命有一定限制，比較短。那么，我們這個電池基本上充放電可以到15000次以上，或者是10年以上的設(shè)計壽命。第四，深度充放電。我們在做鋰電充放電的時候，要對它的充放電過程進行管理，充放電的電量、快慢、深度等都需要進行管理。第五，功率和容量獨立，可以根據(jù)儲能需求靈活配置。
下面，我想談?wù)勊娜秉c。為什么很多儲能行業(yè)的人都不是關(guān)注液流電池，因為它的能量密度比較低，初裝成本高。我們和業(yè)內(nèi)一些做全釩液流電池的同行交流過，現(xiàn)在從經(jīng)濟性上來說，還沒有辦法和鋰電池進行比較。在成本的構(gòu)成中分為兩塊：一是電解液。像全釩液流電池用的電解液就是釩，我們現(xiàn)在有一個新的液流電池，用的資源就是自然界儲存非常豐富的資源。我記得美國一個做儲能電池的一位教授講過一句話，當(dāng)我們要解決特別大規(guī)模的儲能的時候，那么你用到的材料，特別是活性物質(zhì)，要像從垃圾堆里撿來的一樣便宜，這樣才能滿足我們大規(guī)模的儲能，這個規(guī)模會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們現(xiàn)在電化學(xué)儲能實際的規(guī)模。
液流電池應(yīng)用場景比較多，雖然一般在3C場景或者電動車上不能用，但是其他的一些場景都能夠用到。比如說光伏、風(fēng)能的儲能，海島偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力供應(yīng)，工業(yè)園區(qū)的多能互補，以及峰谷套利。我看到有報道把全釩液流電池做為家庭儲能，還有軍事基地的電力供應(yīng)，還有一些其他的比較重要場所的電力供應(yīng)。比如說，像我們的數(shù)據(jù)中心，我們知道數(shù)據(jù)中心的耗電量非常大，對安全性有特別高的要求，實際上液流電池在這方面的應(yīng)用還是有一些優(yōu)勢的。
（圖示）這是一個全釩液流電池的電堆。我們打開這個電堆會發(fā)現(xiàn)，這里面由很多片的雙極板、離子膜以及電極所構(gòu)成的，所以我們要降電堆的成本，就是從這些地方進行著手。
第二部分，低成本、高性能液流電池雙極板開發(fā)。
我要強調(diào)的是，我們永遠(yuǎn)不要單獨去談低成本，也不要撇開成本去談高性能，在產(chǎn)業(yè)化中這兩者是需要同時解決的。液流電池的雙極板有比較高的性能上的要求，比如說導(dǎo)電性要高，機械強度高，耐腐蝕、致密性好，低材料成本，以及生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高。我們現(xiàn)在要解決的最大問題在于，我們怎么樣非常大規(guī)模地、非常高效率地生產(chǎn)雙極板，以及我們配套的工藝，這和雙極板的配方以及材料選擇有很大的關(guān)系。
在雙極板里，我們需要解決的是什么問題呢？就是以下三個相互制約的問題：導(dǎo)電率VS機械強度、導(dǎo)電率VS生產(chǎn)成本、性能VS成本。我們的解決方案是什么？我們的方案是要設(shè)計低碳含量、高導(dǎo)電率石墨復(fù)合雙極板，如果能夠達(dá)到這一點，以上的問題都可以迎刃而解。那么，怎么做呢？在常規(guī)的導(dǎo)電復(fù)合材料當(dāng)中，比如說黃色的區(qū)域是石墨，是導(dǎo)電區(qū)域，藍(lán)色是我們的樹脂，常規(guī)方法你把它混在一起是這樣的，導(dǎo)電的顆粒會單獨形成一個區(qū)域，樹脂會包裹在外。那么，這時候你需要很高含量的導(dǎo)電顆粒才能得到高的導(dǎo)電率。而我們的辦法是通過加入一些比較特殊的高導(dǎo)電的二維材料，把一些孤立的導(dǎo)電區(qū)域點連接起來。當(dāng)然，從材料的配方和工藝上都要有一些獨特的操作。這么做以后，我們?nèi)〉昧艘粋€非常顯著的效果，大家看這張圖（圖示），我們可以看到這個區(qū)域的導(dǎo)電情況，當(dāng)我們通過這種方法以后，15%的時候或者是30%以內(nèi)，整個導(dǎo)電區(qū)域的連通就非常好，這是讓我們比較驚喜的地方。
（圖示）然后我們就去測它的電阻，發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們的導(dǎo)電材料的含量達(dá)到15%，電阻就可以達(dá)到美國能源部對于燃料電池雙極板的要求，所以這也是一個非常大的性能上的提升。紅色的是能源部對燃料電池雙極板的要求，我還沒有看到對液流電池雙極板的要求，所以暫時用的是這個要求。
（圖示）接下來，我們再測機械強度。實際上，我們可以看到，它的機械強度有一定的優(yōu)勢，優(yōu)勢是它的彎曲強度可以達(dá)到35MPa以上，紅色的線就是美國能源局對雙極板彎曲強度的要求，我們遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個值。
（圖示）下面，來看看電池性能。黑色的線是我們常用的純石墨板的性能，藍(lán)色的線是我們自己做的雙極板性能，基本上這兩種雙極板的電池性能沒有太大的差異。剛才講，我們降低成本的時候，一定不能放棄高性能，因為將來的液流電池一定是朝著更高的電密方向來走，這也是降成本的一個很好的方式。你的功率密度提高或者說電流密度提高以后，對雙極板的導(dǎo)電性要求自然而然就會提高，所以我們和石墨板做對比。
（圖示）關(guān)于致密性，我們把它放到電解液里，我們通過一定的技術(shù)來測里面遷移的釩離子數(shù)量，沒有測到釩離子在雙極板中的遷移，這也不意外，因為它里面的樹脂含量特別高，所以致密性上來說，應(yīng)該是沒有問題。包括一些腐蝕性的測試，我們都和石墨板做一些對比，也是差不多的水平。
（圖示）這是我們做的充放電循環(huán)穩(wěn)定性測試，做了2000次的循環(huán)，發(fā)現(xiàn)它在效率上還是比較穩(wěn)定的，當(dāng)中我們看到有些波動，是電池在不同的溫度環(huán)境或者說電解液發(fā)生了遷移，產(chǎn)生的波動，是正常的波動，但是從雙極板的效率上來說，我們沒有看到明顯的變化。
對這部分做一個小結(jié)：低碳含量石墨復(fù)合雙極板技術(shù)可以解決導(dǎo)電率和機械強度、性能和生產(chǎn)工藝、價格和性能相互制約的問題，將來可以滿足低成本、高性能液流電池雙極板大規(guī)模生產(chǎn)需求。所以我們也希望能夠看到，在后面我們的電堆里，能夠全部用我們自己的雙極板。
第三部分，低成本、高性能的離子導(dǎo)電膜研究。
Nafion為代表的全氟磺酸膜是目前綜合性能最好的離子膜，但是它存在的問題是：第一，價格高，在1000-5000元/平米。那么，你光在膜上的成本就很高的，這是一個需要重點來解決的問題。其他還有釩離子滲透、溶脹比較顯著的問題，溶脹會導(dǎo)致釩離子滲透加劇，在我們裝配的時候也會帶來一些麻煩。所以無論從成本上，還是性能上，都是值得去開發(fā)新的離子導(dǎo)電膜來替代它的。
我們采用了一種什么方案呢？我們用高化學(xué)穩(wěn)定性工業(yè)樹脂作為膜材料。什么是工業(yè)樹脂？工業(yè)樹脂就是說我們現(xiàn)在工業(yè)化程度比較高的樹脂，我是指這個意思。就是說，用現(xiàn)在工業(yè)化水平比較高的，產(chǎn)量比較大的材料來做離子導(dǎo)電膜，就可以快速降低離子導(dǎo)電膜的成本。因此，我們課題組就開始做這個事情，直接目標(biāo)就是降低成本，如果你能用這個，成本是可以降下來的，現(xiàn)在剩下的問題是你怎么使它具有高的自主導(dǎo)電率、離子選擇性，這是非常不容易的，接下來我們要通過一個方法，要讓一些普通的樹脂具有離子選擇或者質(zhì)子導(dǎo)電的功能。
我們的方法是這樣的，也是受到國內(nèi)其他課題組的啟發(fā)，我們不要用離子交換基團來傳導(dǎo)質(zhì)子，選擇離子，我們是用多孔膜，但是怎么去做這個孔？這是比較有講究的地方，我們用了一種新的方法，把它稱為控制溶脹-固定法。這種方法說起來很簡單，就是把一種樹脂薄膜在一個能夠溶脹的液體中溶脹，溶脹的過程中分子鏈就會拉升，那么它會產(chǎn)生一些分子級別尺寸的間隙，而這些尺寸范圍內(nèi)的間隙正是我們可以用來做離子選擇的間隙。如果用傳統(tǒng)過濾摸的方法，是無法做離子選擇的，所以我們需要一些能夠精細(xì)控制孔尺寸的方法。這個方法也比較簡單，也符合我們對于低成本控制的要求。整個原理很簡單，就是拿一張塑料膜，放在溶脹液里泡一下，泡到一定程度把它固定下來，這對生產(chǎn)來說也是比較好控制。
我們對上述工藝進行試驗，測試以后發(fā)現(xiàn)，我們拿一張普通的塑料膜，采用這種方法，我們可以對它的離子選擇進行連續(xù)精確調(diào)控，也就是說，我需要它導(dǎo)電率高一點，或者說離子選擇性高一點，都可以實現(xiàn)，這就讓我們覺得很有信心。為什么？因為這種方法可以用到很多材料上去，幾乎所有的可溶性樹脂都可以用這種方法來做，那么我們在材料選擇上有很大的空間和余地。
我們又測試了它的一些關(guān)鍵性能，比如說它的拉伸強度，可以知道在我們比較合適的孔隙率范圍內(nèi)，有比較好的導(dǎo)電率和離子選擇性，這個時候它的拉伸強度是很高的，沒有產(chǎn)生另外一個短板。最終我們還是要上電池來測試，我們比較了在不同電密下的一些電池的性能，發(fā)現(xiàn)電池充放電的能量效率可以達(dá)到83%以上，我認(rèn)為這是可以接受的，它和Nafion膜比較起來性能降幅沒有那么大，但是它的價格下降的幅度非常大。
另外，我們對它的穩(wěn)定性也做了一些測試，比如說我們測過幾百次循環(huán)的充放電測試，沒有發(fā)現(xiàn)衰減，但是在其他的材料中，比如說一些磺化樹脂，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性下降比較明顯，無法經(jīng)受住幾百次循環(huán)以上的測試。
控制溶脹-固定法的特點：第一，制膜工藝簡單。第二，是一種通用薄膜技術(shù)，可應(yīng)用于多種聚合物。第三，可以實現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電率和離子選擇性的精確連續(xù)調(diào)控，這樣我們的成本可能降低到200元/平方米以下。
（圖示）這是我們課題組在這方面發(fā)表的成果。
幾點建議：第一，降低成本不應(yīng)該以大幅犧牲性能為代價；第二，低成本、高性能雙極板和離子膜的開發(fā)是降低液流電池電堆成本的重要途徑；第三，除了材料成本和性能外，需要重點關(guān)注生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率。
以上是我的分享，謝謝大家！
