大规模高效液流电池储能技术的基础研究

工程名称：大规模高效液流电池储能技术的根底争论一、争论内容拟解决的关键科学问题前液流储能电池技术主要存在如下四方面问题：电解质溶液稳定性有待进一步提高。液流储能电池用电解合离子的简洁体系。组份浓度、杂质元素、温度、电场等因素都可能会造成电解质溶液析晶沉淀。储能活性物质迁移与水集中造成物流失衡。例如目前的全钒液流储能电池系统运行一段时间后就会消灭正极钒离子浓度上升使用寿命。电池运行的电流密度低。目前，液流储能电池运行的工作电流密度较低<100mA/c2，仅为质子交换膜燃料电池工作电流密度的格外之一，造成电池模块体积大，材料需求量大，本钱攀高。等。这都会造成电池性能的降低，因而工作电流密度偏低。电池系统本钱较高。液流储能电池关键材料和部件还未实Nafion膜价格昂贵，成为制约液流储能电池有用化的瓶颈。键在于关键材料〔如电解液、离子交换膜、电极极板等〕性能的提升〔能量治理把握技术〕的突破。4方面的关键科学问题：构效关系，电池相关反响机理及对电池性能的影响规律；模化制备的工程科学原理；论及系统集成方法；科学问题四：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治理把握理论。液流储能电池关键材料的组成、构造与材料物性的构效关系，电池相关反响机理及对电池性能的影响规律极板等。通过系统全面争论各种材料的组成、构造对材料的稳定性、键材料的组分设计与性能调控根底理论，加深理解和生疏材料组成、构造与材料物性的构效关系及对电池性能影响规律。高浓度、高稳定性电解质溶液长期稳定化调控机制能量密度，其稳定性打算了电池的使用寿命。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。能。目前，国内外对电解质溶液缺乏系统的根底争论。因此，争论液控机制格外重要。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，是液流储能作用机制仍缺乏深入、全面的生疏。因此，说明膜中的离子、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供给根底理论支持。多场协同作用下电极反响机制外表的可逆性仍不抱负，且目前对反响机制尚未生疏清楚。而且，由减机理更为简洁。此外，在系统运行过程中，电极外表及其四周液层程动力学，提高电池比功率和能量转化效率。高效能液流储能电池体系探究/负极电解液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了基于全液相电极反响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领域对高效、低本钱规模储能技术的需求，使得全钒液流储能电池工程化、低本钱化争论成为重要方向。但，进展已有锌溴液流电池的改进争论，探究单液流储能体系，争论动力学调控方法，是降低电池本钱、提高循环稳定性和寿命，建立高效能、高能量密度和稳定性液流储能体系的科学技术根底。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对液流储能电池的普及应用发挥格外重要的作用。高性能、低本钱电解质溶液的制备的影响行为与机制；探讨电解液制备过程中活性物质的溶解-结晶平衡的动力学和热力学。液的质量标准；确立电解质溶液规模化制备方法。高选择性、高导电性、低本钱离子交换膜的合成及制备方法针对商业化的全氟磺酸离子交换膜价格昂贵问题，进展具有自主机理的影响规律的根底上，确立高选择性、高导电性、低本钱离子交工程科学问题。高导电性、高耐久性、低本钱电极极板的构造设计及制备方法和收集电流的作用。在液流储能电池中，电极极板材料在强酸、强氧高的导电性，良好的耐腐蚀性、耐久性和低的制造本钱。本工程在深上，建立优化、完善电极和极板材料的合成、制备方法。电池模块和系统构造设计、规模放大的模拟仿真理论及系统集成方法液流储能电池系统在实际应用时的输出功率要求到达数十千瓦至数十兆瓦，储能容量要求到达数兆瓦时至数百兆瓦时。因此，其规外表和各单电池及电池模块之间均匀安排。通过模拟仿真和试验验的均匀性，提高电池的运行电流密度。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治理把握理论用电负荷〔或电网〕等多个系统单元，是化学、电动力学等行为相互耦合的简洁动态系统。探究系统耦合机理，优化安全、高效、经济和必需解决的关键问题。大规模液流电池储能系统的高效电能转换与系统能量耦合特性/用电暂态过程之间的协调机制，分析电池、功率变换单元、发电单元及用电/变换规律，是大规模液流储能系统设计、系统优化和系统集成的根底。基于可再生能源发电的液流电池储能系统协调把握理论争论液流储能系统必需满足抑制可再生能源发电系统非稳态特性以及独能源发电系统扰动、维持平衡与稳定的重要作用。因此，提示多种把握流储能系统稳定有效运行的核心。大规模液流电池储能系统的能量优化把握与综合治理策略系统电气网络简洁，状态变量繁多。同时，局部可再生能源发电单元〔如太阳能、风能等〕中的状态变量随着气候和环境参数变化。储能统大规模应用的关键。含大规模液流储能的可再生能源发电系统的综合仿真与试验争论种可再生能源发电单元和液流储能单元的稳态和动态模型是系统运源发电系统中的动态响应特性进展准确的动态模拟试验评估和综合试验验证。主要争论内容针对阻碍液流电池储能技术进展和实际应用的“瓶颈”问题，解内容：高浓度、多价态、多组分简洁电解质溶液的物理化学性质及高稳定性电解质溶液的制备方法争论液流储能电池系统的电活性物质存在于电解质溶液中，电解质打算着储能电池系统的稳定性、使用寿命及充放电能量效率。在液流储能电池体系中，电解液中活性物质以荷电的离子或离处于亚稳定状态。另一方面，在电池系统运行过程中，外场条件对电解质溶液的粘度、离子配位状态、稳定性产生影响。电解质中的杂质度提高的难题。为解决上述问题，需要加深理解和生疏电解质活性物质在高浓活性离子的物理化学性能的变化规律。为此，设臵如下争论内容：高浓度液流储能电池电解质溶液的制备方法争论以不同种类钒的氧化物为原料,的浓度、初始酸度、反响温度与时间等因素对电解液物理、化学特别是电化学性能的影响行为与机制，建立构效关系，优化制备条件。溶液中低价态钒物种存在形态的在线分析方法目前，低价钒物种的分析均承受离线分析方法。在较高的酸性溶液中，极少量的空气即可将低价钒快速氧化，造成分析结果不准，低价态活性物的组成、荷电状态、温度与pH等条件下不同钒化合物的硫酸溶液的拉曼、红外以及紫外-可见光谱图等。承受小波分析方法确定钒物种在不同电解液体系的存在形态所对应的精细特征谱图，并与电化学技术相结合，建立低价钒物种的在线分析方法。高浓度全钒液流储能电池电解质溶液稳定化机制争论随着温度上升因素，建立钒电解液的稳定化机制和调控方法。高效能单液流电池电解质溶液争论争论流淌的浓电解质溶液中金属离子沉积的电化学反响过程，以及电解质溶液组成、浓度、活性离子存在状态、配体和添加剂对沉积/溶解过程的影响；考察溶液中活性物质浓度的提高与支持电解质浓度、溶液粘度、温度、导电性的关系；寻求金属的快速均镀及溶解定运行的调控机制。离子交换膜材料的组分、构造对物性的影响机理及膜的材料设计理论和制备方法争论在液流储能电池中，离子交换膜起着阻隔正极和负极电解液、避开电池自放电引起能量损失、同时通过离子的传导形成电池内电透性、化学稳定性与膜材料构造的关系，缺乏深入的争论，具有离子系，进展面对液流电池储能的膜材料设计理论与制备方法。针对上述科学问题，承受理论设计与试验验证严密结合的方法，与方法。离子交换膜外表的热力学吸附平衡争论钒离子在离子交换膜内的迁移过程，由离子基团在膜外表的离述。转变离子交换膜内固定电荷的种类、组成、数量，能够定量调控固定电荷密度，进而影响电解液中多种价态的阳离子、阴离子、水合选择性，减小自放电。离子交换膜内的质子传导机理与影响规律争论X衍射技术分析膜的物理构造、电化学阻抗方法争论离子交换膜内固定电荷的化学官能团对离子通道的构造与离子迁移过程的影响。分别考察在复合外场条件下〔浓度场、电场、压力场等〕分子水平的微观离子通道定量调控策略，实现离子交换膜的高选择性、高电导率和高稳定性。离子交换膜的长期与运行稳定性争论池中的长期运行稳定性。利用超高电位、强氧化复原环境，以及温度变化等手段，承受电化学-红外、电化学-质谱等原位试验技术，表征膜材料化学构造的变化。把液流电池性能试验与微观分析结果相结合，确定环境适应性强、电化学性能优异的离子交换膜材料。在解明和技术方法。型离子交换膜分子设计与制备方法争论偏氟类聚合物离子交换膜以化学性质稳定的聚偏氟乙烯〔PVDF〕为基体原料，通过体相相互作用，实现亲水基团和疏水基团平衡，有效抑制膜材料溶胀。另PVDF基体内混入无机纳米颗粒〔SiO

O、TiO

等〕进一步提高膜的机械强度和力学性能。烃类聚合物离子交换膜的争论

2 2 3 2液流电池储能技术最终能否普及应用的关键在于其技术是否有Nafion115Nafion117800储能电池用型膜材料。两性离子交换膜的探究阴阳离子两性离子交换膜综合阳离子膜和阴离子膜的各自优势，形成不同水合物特性，探究双极性膜在液流电池过程的应用特性。多场作用下的电极反响机理、电极材料的设计理论和制备方法争论多场协同作用下的电极反响机理电极材料的外表改性及构造优化，建立提高电极反响活性和选择性，降低电子传导阻力的策略和方法。电极极板材料的构造设计及制备极极板材料在强氧化性及电池工作的电场环境中的腐蚀机理及抑制方法。在此根底上，争论电极极板的材料组成、构造设计方法和制备工艺，降低电极与极板间的接触电阻。高效能液流储能电池体系关键材料及电池系统争论/溶解过程，探究电沉积/溶解氧化复原反响，探究符合单液流储能电池应用的电极材离子传导率、高选择性、低本钱的阻溴复合膜材料，提高锌溴电池的求，争论正/负电极的匹配规律，设计和组装液流储能体系电池，学体系。液流储能电池模块和系统构造设计与规模放大的模拟仿真理论及系统集成方法争论液流储能电池是由多个相互关联的单元部件构成。电池运行涉及非稳态强化传质、传热及电化学反响等简洁因素。在实际应用中，电池模块内电极外表及单电池相互之间和电池模块与模块之间电解有效降低本钱。本课题拟通过模拟仿真和试验验证相结合的方法，重点争论大功率液流储能电池内电极外表及各单电池内电解质溶液传质的均匀性和电流密度分布均匀性与电池构造的关联。考察电解质溶液的浓度、流速、温度、充放电模式、运行电流密度对电池模块性能的影响的影响规律。进展电流密度均匀分布调控方法，优化电池构造设计，设计与规模放大原则和策略。大规模液流储能技术的系统耦合及综合能量治理把握策略的基础争论大规模高效液流电池储能系统涉及发电装臵、液流储能电池装臵、电力电子变换装臵、用电负荷或电力系统等多个组成体系，是电能电池系统的组合方式、容量大小以及电力变换器、用电负荷、把握系统仿真建模技术、先进传感与通讯技术及现代优化把握理论相结模液流电池储能技术的系统耦合把握方法及综合能量治理策略。再生能源发电系统的综合仿真与试验争论。二、预期目标总体目标发电、输电、配电、储电、用电是电力产业链的五大重要环节，是解决可再生能源发电的随机性和间歇性，改善可再生能源发电质量，推动可再生能源普及应用的重要技术。源普及应用对大规模高效储能技术的重大需求。五年预期目标说明液流储能电池关键材料的组成、构造与物性的构效关系；提示电池相关反响机理以及对电池性能的影响规律；进展材料形态、工程根底方法。建立高性能、低本钱液流储能电池电解质溶液、离子交换膜、率前提下，离子交换膜的本钱降低至现在使用的杜邦公司Nafion115膜的45%15%以下。确定大规模、高效液流储能电池模块和电池系统的数学模型的降低本钱，推动产业化进程。争论由发电、液流储能电池储能、电能转换、用电负荷等多体系的系统耦合的根底理论，把握并完善系统耦合模拟仿真的建模方综合能量治理把握策略。综合本工程的争论成果，集成出由5kW风光互补发电体系，输出功率大于5kW50kWh75%术支撑。50SCIEI收录论文200篇以上；培育2～3名具有国际影响的学术带头人和一批中青年50名以上本工程相关领域的争论生。三、争论方案统节能减排重大国策对大规模高效储能技术的重大需求。工程的总体学术思想4.1所示。以物理化学、电化学、材料化学、化学工程、电力电子学、化学分析、外表科学等多学科的根底理论为科学根底，从进展大规模高效液流储能电池关键材关键科学问题和主要争论内容开放深入、系统、扎实的争论。以求在5年内取得具有原始创的突破性根底争论成果，提示电解质溶液、科学需求科学需求大规模高效液流电池储能技术学科进展需求社会需求可再生能源发电的普及节能减排重大国策的落实待解决的科学与技术问题大规模高效液流电池储能技术根底理论大规模高效液流储能电池根底工程技术研究内容1.2.1.2.3.4.电池相关反响机理及调控机制高性能、低本钱关键材料设计理论与合成方法模拟仿真模型及模拟仿真理论多体系耦合及把握治理策略的原理关键材料规模化制备工艺电池模块与电池系统规模放大的模拟仿真及系统集成方法3. 多体系的系统耦合及综合能量把握治理策略成果与成果验证建立大规模高效液流电池储能技术科学理论体系创立综合验证平台，试验验证、优化根底理论和工程技术，推动有用化的影响。探究发电、储电、电能转换、用电复合体系的系统耦合和综5kW/50kWh液流电池储能系统争论平台，试验验证、优化、完善根底争论成果。建撑。4.1本工程争论的总体学术思路技术途径本工程围绕大规模高效液流电池储能技术重大根底理论与关键的现代分析手段，完成材料构造、形态、物性的表征；承受仪器分析液、离子交换膜、电极极板、电池模块和系统部件的合成、制备、加工和集成。为表达、验证和完善本工程获得的理论、方法，集中工程各课题的争论成果，构建含太阳能/风能发电、5kW/50kWh液流储能到系统，从测试表征到验证平台及工程化的根底理论与工程技术研究。工程创性与特色工程的主要创点根底理论创电、储能、电能变换、用电负荷等多体系间的系统耦合技术和综合能量治理把握策略。方法创在液流储能电池关键材料的构效关系等根底理论和设计原理的离子交换膜及电极极板材料合成、制备及材料物性表征评价的方法；建立多场协同作用下高浓度简洁溶液体系的物理化学争论方法，建立液流储能电池模块及电池系统构造设计优化的模拟仿真理论和批量制备及系统集成方法。系统集成创5kW50kWh的液流储能电池系统。综合本工程争论成果，集成出包括风光互补发电体系，上述液流储能电池体系，放大和实际应用奠定根底。工程的特色针对国家重大需求本工程针对我国太阳能和风能等可再生能源发电的普及应用及突破的关键科学问题，有着直接而明确的应用背景。综合性、系统性的创争论材料化学、化学工程、电力电子学、化学分析、外表科学等多学科领域。其争论目标的实现，必将带动多学科穿插根底理论体系的进展。控机制，又包括电池模块及电池系统构造设计的模拟仿真及规模放大，发电、储电、电能变换、用电负荷等多体系的系统耦合和综合能能技术的进步和实际应用。创的组织实施机制团队中既有清华大学、中南大学、华中科技大学等大学争论团队，又池产业化为主的大连融科储能技术进展和液流电池储能技术的潜在用户—储能电池的工程化和产业化进程。取得重大突破的可行性分析明确的学术思想、争论目标、可行的技术路线本工程组织了中国科学院、教育部、中国人民、国家电网所属的在液流储能电池相关学科领域如液流电池储能技术、燃料电池、二次电池、电化学、材料、电力电子，有着多年争论工作积存家可再生能源的普及应用和电力系统节能减排对大规模高效储能技内容，组织争论队伍，开展深入系统的理论、试验和模拟仿真的争论理论、科学方法支撑。工程的前期争论工作已取得了重大进展，关键科学问题源于工程开发中遇到的瓶颈问题，具有明确的争论目标。大的连接。产、学、研有机结合的争论团队和先进的争论平台及良好的前期争论积存4个国家试验室或国家重点试验室，3个国家工程争论中心，5个省部级重点试验2名院士，32名具有高级职称的争论人员，一补、上下游结合的争论团队，通过合作争论和学术沟通，对工程的关争论工作的需要。四、年度打算争论内容1、进展液流储能电池关键材料的构效关

预期目标1、初步确立电解液制备方法；建立活性物中酸浓度、活性物种存在形态与含量、制备2、初步确定较好稳定性的基膜材料，了解各方法、添加剂对电解液性能的影响规律；种离子在膜中的迁移规律；第 力学平衡关系和离子传导机理争论电极一 极板外表性质和导电性对电极性能的影年 响规律以及探究高比能量电对体系及度 锌溴电池中负极锌沉积规律。2、通过试验的方法确定电池模块和系统模拟仿真的相关参数；3、争论液流储能电池系统能量转换过程耦合机理及能量贯穿性分析和系统功率变换网络拓扑级联优化方法。

3、提示电极外表性质对电极影响规律；42-3明锌溴电池中锌沉积/溶解的影响因素。5、建立液流储能单电池模拟仿真模型，实现律；完成大面积液流储能单电池试制试验。6、完成液流电池特性试验和电气建模，建立系统功率变换拓扑模拟仿真模型。71027101、确定液流储能电池关键材料组分设计

1、建立高浓度、高稳定性电解液制备方法及添加剂对电解液稳定性影响规律争论及第 活性离子存在形态在线检测方法争论聚二 偏氟乙烯基非氟烃类及阴阳复合离子交年 换膜的合成设计理论初步争论及相应膜度 材料的离子传导机理争论电极石墨化处

2明确离子在膜内传导规律。3、把握电极外表性质对电极性能影响规律；1-2理工艺、一体化电极极板构造设计根底、过程动力学方程；金属基复合极板制备技术及电极反响动力学方程争论。组配单电极液流电池，及

4、初步把握体系电池的组配方法，调控负极锌在充放电过程中的形貌，延长寿命。锌溴电池负极锌电化学形貌及微构造调控策略争论。

5、建立电池模块模拟仿真模型，实现不同构造设计的电池模块性能的推想；完成5kW、210kW、20kW与试验手段相结合，进展模块流道设计和6、建立液流电池与电力变换器集成的仿真模5kW、10kW20kW3、争论液流储能电池与电力变换器的模仿真；液流储能电池把握系统的信息获

行状态推想模型。7114012取、处理与融合技术。1、考察外界影响因素和电化学反响对 1、说明多场条件下电解质溶液中各种活性作用方式。2第成膜工艺。三3、优化一体化电极极板构造与制备技年术，考察金属基极板的构效关系。

离子的存在状态和稳定化调控机制。2建立高性能离子交换膜合成方法。3建立一体化电极极板的构造设计与制备方法；改进金属基极板性能。4把握高浓度电解质溶液中各相关组份间机理。度 4、争论液流体系用高浓度电解液溶力学规律。5、建立液流储能电池系统模拟仿真模型；争论输送泵、公用工程等系统内的单元、过程的优化集成设计。6、争论大规模液流储能系统的动态稳定流电池储能/可再生能源发电混合协调

5、建立液流储能电池系统模拟仿真模型现不同集成方式的系统性能的推想等性能，降低电池系统本钱；6电池储能系统的电能变换拓扑及其大规模串并联网络的分析、设计和把握的系列理论。的动态、稳态数值仿真和物理仿真模型。71141121、重点进展液流储能电池