2016-2017年大规模高效液流电池储能技术的基础研究（总结).docVIP

项目名称： 大规模高效液流电池储能技术的基础研究 张华民 中国科学院大连化学物理研究所 2010年1月-2014年8月 中国科学院 .1拟解决的关键科学问题 电解质溶液不同价态的离子、含氧酸根离子、不同形态的水合离子复杂体系组份浓度、温度、电场等因素都电解质溶液。液流储能电池的工作电流密度100 mA/cm2），仅为质子交换膜燃料电池工作电流密度本项目太阳能风能等可再生能源发电对大规模储能技术的重大需求，以突破制约液流储能电池普及应用的关键科学问题和工程技术基础问题为目的4方面的关键科学问题液流储能电池关键材料的组成、结构与材料物性的构效关系，电池相关反应机理及对电池性能的影响规律液流储能电池关键材料的设计理论、合成方法及规模化制备的工程科学原理电池模块和系统结构设计、规模放大的模拟仿真理论及系统集成方法基于液流电池储能系统应用的发电、储能、电能转换及用电多体系的系统耦合及综合能量管理控制.1.1液流储能电池关键材料的组成、结构与材料物性的构效关系，电池相关反应机理及对电池性能的影响规律 液流储能电池关键材料主要包括电解质溶液、离子交换膜、电极极板等。通过系统全面研究材料的组成、结构对材料的稳定性、导电性、耐久性等物性的影响规律和调控机制，建立液流储能电池关键材料的基础理论，加深理解和认识材料组成、结构与材料物性的构效关系及对电池性能影响规律。 .1.1.1高浓度、高稳定性电解质溶液长期稳定化调控机制 电解质溶液是液流储能电池的储能介质，其浓度直接影响电池的能量密度，其稳定性决定了电池的使用寿命。 液流储能电池的电解质溶液体系极为复杂，包含多种组份：不同价态的阳离子、含氧酸根离子、不同形态的水合离子。组份浓度、温度、电场等外界因素都对电解质溶液的物理化学性质产生重要影响。电解液组分决定其自身、离子交换膜、电极等电池组件的稳定性和性能。目前，国内外对电解质溶液缺乏系统的基础研究。因此，研究液流储能电池电解质溶液复杂体系的物理化学特性，建立高浓度、复杂体系溶液化学理论，提出高浓度、高稳定性电解质溶液长期稳定化调控机制十分重要。 .1.1.2 高选择性、高导电性、高稳定性离子交换膜的构效关系及膜性能的调控策略 离子交换膜是液流储能电池的关键材料之一，它起到隔绝电子和导通离子的作用，其性能直接决定液流储能电池的使用寿命和能量效率。目前的离子交换膜存在选择性差、价格昂贵等问题，是液流储能电池规模化应用的瓶颈。然而，国内外对上述问题的产生原因和作用机制仍缺乏深入、全面的认识。因此，阐明膜中的离子、分子传输机理和调控机制，提高离子交换膜的选择性、导电性和稳定性，是液流储能电池研究的重要科学问题。本项目通过研究离子交换膜内离子传导机理和调控方法、多种离子竞争吸附热力学和膜内离子迁移过程动力学、膜材料物理化学特性与膜材料稳定性关系问题，建立液流储能电池离子交换膜传导理论，为高选择性、高导电性、高稳定性离子交换膜的组分设计和合成提供基础支持。 .1.1.3多场协同作用下电极反应机制 电极是电池电化学反应的场所，电极结构与自身性质直接影响液流储能电池的整体性能；电极与极板的接触电阻，以及电池的内漏电直接影响系统的效率。同时，液流储能电池的电化学反应在常规电极表面的可逆性仍不理想，且目前对反应机制尚未认识清楚。而且，由于反应活性物质存在多种价态，导致电池的反应机理、电池性能的衰减机理更为复杂。此外，在系统运行过程中，电极表面及其附近液层中存在的浓度场、电场、流速场及温度场等的协同作用对电极反应动力学产生明显影响，有必要阐明电极反应机理及多场作用下的电极过程动力学，提高电池比功率和能量转化效率。 .1.1.4高效能液流储能电池新体系探索 现有液流电池大多利用溶于电解质溶液中的正、负极电对组成体系。这类体系充放电反应发生在惰性电极与电解液的界面上，电极无固相变化及形貌改变，容易保证电的一致性、均匀性和循环寿命，已步入商业化示范阶段的全钒液流电池即是此类体系的代表。但这类体系电池需要两套流体储存和管理系统，且由于正/负极电解液中的活性电对价态或者物种不同，须使用离子交换膜分隔，而现商用离子交换膜价格昂贵，且伴有水转移。因此，高性价比离子交换膜成为制约此类体系电池发展的关键材料之一。为此，如将传统二次电池中的沉积型电极反应过程用于液流储能，可实现液流储能电池的单液无隔膜化，既避免了传统二次电池电沉积反应中枝晶的形成，又解决了基于全液相电极反应的液流储能体系中使用离子交换膜的难点问题。 可再生能源发电系统等对高效、低成本规模储能技术的需求，使得全钒液流储能电池工程化、低成本化研究成为重要方向。但是，探索和开发具有自主知识产权、低成本而又性能优良的液流储能新体系也是必要的技术储备。为此，利用液流条件下的沉积型电极反应，进行已有锌溴液流电池的改