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能源俯拾皆是，能源供應(yīng)卻依然告急。廣袤的西北地區(qū)蘊(yùn)含大量“風(fēng)”“光”等可再生能源，然而這些能源與處于用能中心的城市往往距離過遠(yuǎn)。當(dāng)前，能源的遠(yuǎn)距離輸送看似是解決矛盾的最佳選擇。
長久以來，輸電線路和電站充當(dāng)著能源“搬運(yùn)工”，但總有難以跨越的溝溝坎坎，為了實(shí)現(xiàn)更靈活的電力供給，科研人員希望在能源收集和利用之間架起一座橋梁，創(chuàng)新儲(chǔ)能方式。

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員李先鋒團(tuán)隊(duì)深耕液流電池領(lǐng)域20余年，近日，該團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的“新一代液流電池儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)”獲得2021年中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)。

“與傳統(tǒng)電池不同，液流電池將液體電解質(zhì)存儲(chǔ)在外部，儲(chǔ)能介質(zhì)為水溶液，無著火爆炸風(fēng)險(xiǎn)，安全性高、壽命長，還可按需組合，實(shí)現(xiàn)功率與容量的自主調(diào)控，在電力系統(tǒng)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。”李先鋒說。

從電池內(nèi)部突破

電池看似是一個(gè)黑匣子，實(shí)際內(nèi)部有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，主要由隔膜、雙極板、電極等關(guān)鍵材料和核心部件構(gòu)成。“提高儲(chǔ)能電池性能需兼顧局部和整體，研發(fā)過程需考慮多種因素的相互作用和影響。”李先鋒說。

膜材料主要起著阻隔正負(fù)極，傳輸離子的作用。“膜的離子傳導(dǎo)性越高，質(zhì)子通過的速度越快，但離子選擇性會(huì)隨之變差，導(dǎo)致膜兩側(cè)的離子互相‘穿梭’，增加電池副反應(yīng)，影響電池性能。”大連化物所高級(jí)工程師史丁秦說，因此，如何平衡膜的離子傳導(dǎo)性和離子選擇性，開發(fā)出兩者兼具的新型隔膜材料，是科研人員要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

為了阻止離子從膜的一側(cè)穿梭到另一側(cè)，研究人員致力于膜離子傳輸機(jī)理的研究，通過切斷離子在隔膜內(nèi)的傳輸通路，提高膜離子選擇性，但此法依然無法完全解決兩者的平衡問題。

李先鋒團(tuán)隊(duì)在研究過程中發(fā)現(xiàn)，液流電池電解液中不同離子的半徑大小不同，“能否通過調(diào)控膜的孔徑大小來實(shí)現(xiàn)離子的選擇性傳輸呢？”帶著這一想法，團(tuán)隊(duì)踏上研發(fā)多孔離子傳導(dǎo)膜材料的新征程。

微觀世界復(fù)雜多變，調(diào)控困難，研究了相當(dāng)一段時(shí)間均未能取得突破，但對(duì)于“能否走得通這條路”，團(tuán)隊(duì)從未動(dòng)搖。最終，他們從創(chuàng)新分子結(jié)構(gòu)入手，突破了膜離子傳導(dǎo)性與離子選擇性之間的制衡，制備出高選擇性、高傳導(dǎo)性、低成本的多孔離子傳導(dǎo)膜材料，并成功實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

雙極板是電池的又一關(guān)鍵材料，起到將每節(jié)單電池串聯(lián)成電堆與集流的作用。與膜材料類似，雙極板材料也面臨“雙高”矛盾。“碳含量越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，但韌性會(huì)變差，不利于電堆壓緊組裝。”大連化物所博士劉濤說，研發(fā)具有導(dǎo)電性、韌性雙高的新型雙極板材料是團(tuán)隊(duì)的主要攻關(guān)目標(biāo)。

近年來，團(tuán)隊(duì)著眼于雙極板材料的創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將多尺度及多維度的碳粉顆粒融于聚合物增韌網(wǎng)絡(luò)中，成功構(gòu)建出更發(fā)達(dá)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

然而，目前市場上碳粉和聚合物材料不計(jì)其數(shù)，如何從眾多的材料中找到最佳的材料和配比成為需要迫切解決的問題。團(tuán)隊(duì)曾為此試驗(yàn)過上千種配方。“即使配方確定了，仍不足以滿足實(shí)際應(yīng)用，還要保證制備和規(guī)?；a(chǎn)的需要，提高材料的生產(chǎn)效率，降低成本。”劉濤說。

為此，團(tuán)隊(duì)在規(guī)模放大和批量化生產(chǎn)工藝上不斷探索嘗試，最終開發(fā)出新型高導(dǎo)電、高韌性、可焊接的碳塑復(fù)合雙極板，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

給功率算筆賬

電堆好不好關(guān)鍵看放電功率和效率，高效率能保證相同儲(chǔ)電量下，放出來的電量更多。但所有電池充放電過程中都存在損耗，“存進(jìn)去1度電，放出來0.8度電，憑空消失的電量就是損耗。”大連化物所副研究員鄭瓊舉例。

在成功開發(fā)出性能優(yōu)異的隔膜和雙極板材料后，接下來便是使盡渾身解數(shù)，優(yōu)化電堆結(jié)構(gòu)和工藝，力求將損耗降到最低，讓功率提升到更大。

功率由電流和電壓決定。理論上，電壓不變，增加電流，功率就會(huì)增大，但所有電池都存在極化問題。大連化物所副研究員邢楓介紹，“極化”的存在使得電池功率提升的同時(shí)其效率反而下降。因此，科研人員渴望在增加電流、提升功率的同時(shí)，電堆能夠始終處于高效率運(yùn)行狀態(tài)。

科研中，邢楓添了一個(gè)“職業(yè)病”——愛算賬。“提高功率、提高效率、降低成本，核心就是控制極化，需要不斷對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。”邢楓說。

在實(shí)際工作中，電池極化不會(huì)等于零，只能通過技術(shù)改進(jìn)使其不斷降低。“只有對(duì)電池內(nèi)的反應(yīng)、傳遞過程中的每個(gè)細(xì)節(jié)做到潛精研思，電堆效率才會(huì)更高。”邢楓說。

電堆之于電池系統(tǒng)就像心臟之于人體，功能重要、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試優(yōu)化工作繁瑣，牽一發(fā)動(dòng)全身。往往這個(gè)指標(biāo)提高了，其它指標(biāo)卻低了，追求指標(biāo)全面提升簡直難于登天。

剛開始，團(tuán)隊(duì)只能做出功率不足1千瓦的電堆，且成本較高，遠(yuǎn)達(dá)不到市場準(zhǔn)入門檻。如今，團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出新一代30千瓦級(jí)高功率密度電堆，功率密度提高近1倍，成本下降近四成，已經(jīng)處于商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化初期階段。

產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)如火如荼。團(tuán)隊(duì)利用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多孔離子傳導(dǎo)膜與電極框的直接密封，擺脫了電堆內(nèi)部部件之間對(duì)密封墊的依賴，提高了電堆的可靠性和裝配水平。“新一代全釩液流電池技術(shù)初具雛形，繼續(xù)研發(fā)，持續(xù)推進(jìn)。”李先鋒如是說。

服務(wù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)

電解液是電池運(yùn)轉(zhuǎn)的“血液”，釩離子是團(tuán)隊(duì)十分看好的電解液類型。這種離子有四種價(jià)態(tài)，不同價(jià)態(tài)釩離子之間可進(jìn)行可逆的轉(zhuǎn)化，完成充電、放電、再充電的循環(huán)。同時(shí)，由釩離子構(gòu)成水系全釩液流電池，可以大大降低著火、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，安全性極高。

研究發(fā)現(xiàn)，全釩液流電池可以自由組合成電池組，電池組輸出功率可達(dá)數(shù)百兆瓦，儲(chǔ)能容量達(dá)數(shù)百兆瓦時(shí)，相當(dāng)于能存放10萬度電。

大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司（以下簡稱大連融科）是依托于大連化物所技術(shù)成立的專注于全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，雙方一直深入合作，共同推動(dòng)了全釩液流電池商業(yè)化示范項(xiàng)目落地，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室成果的可行性。

2016年，基于團(tuán)隊(duì)技術(shù)支撐，大連融科承接全球最大功率全釩液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國家示范項(xiàng)目工程建設(shè)的任務(wù)。2020年，團(tuán)隊(duì)推出新一代全釩液流電池技術(shù)30千瓦級(jí)電堆，獲得高度好評(píng)，多家意向合作單位慕名而來。目前，該團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外多家企業(yè)建立合作意向關(guān)系，團(tuán)隊(duì)的全釩液流電池技術(shù)已占據(jù)領(lǐng)域內(nèi)超六成的市場。

在產(chǎn)業(yè)化過程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，企業(yè)具有強(qiáng)烈的研發(fā)需要。為此，團(tuán)隊(duì)拓展合作維度，在企業(yè)成立實(shí)驗(yàn)室，搭建聯(lián)合研發(fā)平臺(tái)，“市場需要從一開始就長在科研的培養(yǎng)皿上。” 大連融科副總經(jīng)理王曉麗說。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)先行。團(tuán)隊(duì)還牽頭制定了包括首項(xiàng)液流電池國際標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的20余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，提高了我國液流電池技術(shù)在國際上的話語權(quán)。

“說到底，全釩液流電池解決的是發(fā)電側(cè)富余電能的儲(chǔ)存問題，從長遠(yuǎn)發(fā)展看，還需要解決用戶側(cè)的儲(chǔ)能問題。”大連化物所袁治章研究員說。

用鋅基液流電池解決用戶側(cè)需求是團(tuán)隊(duì)的又一產(chǎn)業(yè)化方向。鋅儲(chǔ)量大、成本低、電位低、能量密度高，但鋅基液流電池在長循環(huán)過程中，電解液中的反應(yīng)物離子更容易擴(kuò)散至電極表面的凸起處，形成鋅枝晶，鋅枝晶的不斷生長會(huì)刺破隔膜，最終導(dǎo)致電池短路失效。

因此，鋅基液流電池必須解決鋅枝晶形成和生長的問題，才能實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用。經(jīng)過多年攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出新型電極材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋅沉積形貌的有效調(diào)控，很好地解決了鋅枝晶的形成和生長問題，讓鋅基液流電池向大規(guī)模應(yīng)用更進(jìn)一步。

李先鋒表示，碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)提出更大挑戰(zhàn)，發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)、讓新能源產(chǎn)生的電力耦合現(xiàn)有電力系統(tǒng)，將會(huì)使電力傳輸更高效，電力更加觸手可及，從而助力以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)構(gòu)建。

原標(biāo)題：液流電池：流動(dòng)的能量 穩(wěn)定的供給