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直击长沙|香港科技大学张成:低成本有机液流电池研发及新型高功率液流电池电堆

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2022-12-08 浏览:

中国储能网讯:11月24-26日,由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办,100余家机构共同支持的湖南(长沙)电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间,组委会邀请了香港科技大学能源研究院博士后张成分享主题报告《低成本有机液流电池研发及新型高功率液流电池电堆》。以下是发言主要内容:

张成:各位嘉宾,大家上午好!我是香港科技大学能源研究院的博士后张成,我的导师是能源科学与工程热物理专家赵天寿院士,很荣幸收到储能应用协会的邀请参与第二届中国国际储能技术应用及工程大会。

今天我将从两个方面汇报我们组的科研进展,其中包括我本人关于低成本有机液流电池研发的工作,以及我们团队在新型高功率液流电池电堆的工程化进展。

为了应对能源安全和气候变化挑战,习主席在2020年第一次向全世界承诺中国在碳排放力争将于2030年前达到峰值,努力争取在2060年实现“碳中和”。其实实现“碳中和”也是我们社会可持续发展的必然需求,未来社会是需要由非化石能源来驱动的,而实现“碳达峰”“碳中和”的目标最重要的支撑就是太阳能和风能的规模化替代。这就代表着我们的能源结构将会从目前以化石能源为主的能够结构,全面地调整为“碳中和”时代的能源结构。需要把风能、太阳能、清洁可再生的能源比例提高到60%以上,现在的比例只有8%  左右。其实近几年由于技术的发展,光电和风电的成本是快速下降的,但是他们在目前低比例下还没有遇到大规模并网之后产生的问题,当比例提升之后,它的分散性、间歇性以及波动性都会导致并网是非常困难的,所以储能能够平衡能量供需,平抑电力系统的波动,是新型“碳中和”时代电力系统必须的环节。

根据未来碳中和的目标,未来储能市场的新增规模也是巨大的,我们钒液流电池在长时的储能空间市场规模也是巨大的。就以新能源发电侧来说,以隆基总裁李振国先生的预测,2030年这一年风光的新增装机在我国就能达到600GW,发电侧的储能新增装机规模以15%,4小时的比例去预测,也要有是90GW、360GWh的规模。除此之外,电网侧的储能也是非常巨大的一块市场,因为省级电网将基本具备5%以上的尖峰负荷响应能力,这个规模也是在118GW左右。其他的包括电源侧的辅助服务,以及每年都在增长的工商业储能的装机市场,合计下来2030年一年的市场将达到1000GWh以上。我们可以看出来,当新能源发电占比增高的时候,我们对于长时储能,也就是大于4小时的需求增大,液流电池技术将占据非常大的优势。当前液流电处于产业化发展的初期,后续它将凭借自身安全、长寿和灵活的多重优势实现份额的持续提升。

我们按照它在新型储能市场20%左右的装机占比测算,仅2030年一年市场规模将达到6000亿元,如果占到30%以上,它基本上是一个万亿左右的市场。目前虽然说产业化发展还比较初期,我们认为可以通过用户侧储能应用来发展技术的成熟度,我们瞄定了市场一定是未来新能源发电侧的市场。液流电池为什么在大规模、长时储能具有非常大的优势?和它的工作原理是有关的,前面的老师已经讲了不少液流电池的工作原理,它的主要优势,首先它是本征安全的,因为这个体系采用的是水系的电解液,而且反应是比较温和的,没有任何的燃爆风险,就带来了非常根本性的,有区别与锂电的优势。此外,由于反应过程中主要是离子的价态转换,它不包含相变的过程,所以它的寿命也非常长,而且可以深度、大电容的充电。由于功率模块和能量模块是分开的,所以也让这个设计非常的灵活,我们的体系可以轻松的实现6小时以上的长时储能,而且储能时间越长成本是越低的。此外,相比锂电来说,液流电池目前发展最好的钒电池来说还具有资源自主的优势,因为咱们钒的资源在中国资源是全球第一,占34%左右,所以说还是自主可控的。而且我们这个体系有一个优点,在电池的寿命到期之后钒的电解液溶液几乎是可以完全回收和再次利用的,而相比锂电池回收残值就是比较低的。

全钒液流电池目前还是面临着商业化的挑战,其中最大的挑战就是它初次建造成本还是较高,我们以4小时储能系统为例,功率模块大概是六七千每千瓦,电解液模块大概是2000元每千瓦时,系统综合下来初次建造成本大概是3700元每千瓦时,这个成本大概是现在锂电的两倍。在后续,我们预测光伏和风电发电的成本会进一步下降,也会给我们储能留下更多成本的空间。第二个缺点,目前来说它的系统整体设计水平有待提高,比如说能量效率低,还有电解液泄漏等工程问题可能会造成使用寿命不达预期,影响实际项目运营收益的问题。第三,能量密度比较低,当然这方面我们有自知之明,比如说我们在便捷和动力电池上的应用方向没有竞争优势的,但在大规模储能方面咱们还是有优势的,因为目前来说锂电考虑到安全性问题,国家要求锂电的电站中间有3米的间隔,咱们是没有这个需求的,所以说这方面的缺点在未来最大的新能源发电侧市场这个优势是并不明显的。

针对以上几个商业化挑战,我们团队主要针对这些方向做了技术突破,其中最关键的技术就是开发了高功率的电堆结构。我们认为提高系统的运行功率可以减少电堆关键材料的用量,从而降低后续度电成本。比如说目前市场上主要的电堆运行的电能密度都是在100-150毫安每平方厘米之间,如果我们把电流密度提升3倍,提升到450毫安每平方厘米,我们在关键材料的采用上也就降低了2/3。比如说别人需要用3平方米的膜,我们只需要用1平方米的膜,别人需要用6平方米的电极,我们用2平方米的电极,这就是很大的成本上的降低。

其次,我们还通过从下而上的设计,通过从材料到界面、到器件、到系统性能衔接的智能调控来提高系统的可靠性。再就是我们开发了多尺度高性能的电极,从而提高性能,尤其是提高电解液的利用率,电解液也是成本很高的一个部分,提高电解液利用率一方面可以降低成本;另一方面也可以减少系统的尺寸,降低系统的占地空间面积。我们团队针对这些问题进行了技术突破。

我们团队在电堆方向的技术核心人员主要是有范新庄博士,大家都比较熟悉,他也是液流电池专委会的筹备小组成员,曾经在中科院金属所工作,范博士主要研究方向也是液流电池先进的电极材料的构建和工程化制备。以及魏磊博士,他目前也是液流电池专委会的副秘书长,也是一直致力于大规模储能技术的研究,我本人也是从事液流电池的系统设计及优化,我还在有机体系的液流电池方向做了一些工作。我们团队还有孙静博士主要做电极方向,研究方向是用静电纺丝的方法,设计制备了多种高性能的液流电池电极。此外还有非常优秀的两位工程师,像谢恒星工程师,他是在电堆的机械设计方面非常有经验的设计师,以及林工程师,他主要是做BMS和EMS开发方向,我们后续会在集装箱的电堆上和林工程师展开深入的合作。

目前我们组在液流电池电堆方面开发的进展,从2018年开始做100瓦的小电堆,后来我们在2019年开始开发千瓦级的电堆,我们从2021年、2022年开始对系统进行了彻底的更改,我们开始开发高功率的电堆结构,已经开发完成了15千瓦的电堆。我们团队目前正在开发30千瓦高功率的液流电池电堆,在明年预计开发250千瓦的集装箱模块电堆,我们目前也在积极洽谈政府层面的投资以及工程化的项目落地工作,以及积极洽谈对产业化项目投融资的工作。我们千瓦级的电堆确实实现了非常优秀的性能,在400毫安每平方厘米下,我们的能量效率已然可以达到80%以上,这个性能在市面上非常稀缺,非常罕见,而且我们优化了一些参数、一些运行和一些设计之后,可以实现550毫安每平方厘米下高达80%的能量密度。我们的电堆也在香港开展了光伏储能示范系统的工程项目,这个项目包含10千瓦的光伏发电设备,包含了6千瓦的负载,开发了10千瓦的光储系统,包括液流电池堆、储液罐、电池管理系统以及管路系统等等,通过光储一体机连接整个系统,目前这个系统还在示范当中,正常运行当中。

后续,我们相信钒的资源,虽然说在我国是非常能够自主可控的资源,但是后续我们相信储能的市场它会有很大的市场,钒的资源还是会面临紧缺,面临涨价必然市场化过程。所以我们也是针对这个问题做了一些储备的技术工作,开发有机的液流电池,因为有机液流电池不受资源局限,通常是由自然界比较丰富的元素组成的,比如说碳、氮、氧、氢、硫、铁。而且我们可以通过改变它的分子结构来调控电对的物理化学和电化学性质,比如说它的稳定性,它的氧化还原,它的溶解度和可逆性。比如目前比较火的醌类化合物,有机液流电池的电对,这个工作去研究它醌类化合物上不同取代的官能团,可以看出对它的电位和溶解度都有非常大的影响。如果说可调性,就给我们很大的科研空间。目前来说醌类是非常优秀的有机液流电池的电对,因为它展示了非常优秀的电化学的动力学特性,它的分子性能是非常稳定的,它的电化学特性在循环之后都非常稳定。其次,成本很低、含量丰富,而且环境友好。它现在面临的挑战就是溶解度非常低,小于0.6摩尔,这样就导致它体系的能量密度过于低了。针对这个方向,我做了一些工作,我找到了对苯醌、对苯酚的有机液流电对,它在水系电解液当中溶解度是很低的,它的好处是电化学性能不错,而且是一个双电子的反应过程,但是它就是在水系电解液当中溶解度比较低。我们根据相似相溶的原理找到了成本比较低,结构比较相似的有机电解液,我们发现它在这种电解液当中溶解度可以达到1.9摩尔,考虑到双电子的反应,这个体系它最后组成了电解液可以实现100Ah/L的能量密度,因为能量密度在有机电解液当中是非常高的。我们通过对它的电化学测试也验证了这是一种非常高能量密度的正级电对,它的电位大概是在0.6-0.7V之间,可逆性也是非常不错的双电子反应。

我们后续把做成了电池,电池的能量效率达到80%以上,而且电解液的利用率也能够达到78%以上。当然我们还是发现了,问题就是它组成的电池在核心物质的跨膜扩散导致它系统的循环寿命是非常低的,循环了十几圈之后,它的容量就衰减比较厉害。这个问题引发了我们后续开展了下一个工作,这个工作我们受到钒的体系的启发,钒的体系它正负级采用了同样的元素作为活性电对。钒体系现在是发展最好的体系主要的原因就是钒体系的容量活性物质扩散导致容量衰减,可以把电解液混溶,或者其他很简单的方式来恢复它的容量。我们是不是也能够采用同样的电解液、同样的分子做一种对称的、有机的液流电池呢?这个体系给我们带来一些研究挑战,这个挑战主要是怎么样寻找具有两个以上的活性中性的分子,因为钒是通过四五个价态来实现对称的结构,我们就需要在有机体系里面,需要寻找两个以上活性中性的分子。我们的方法就是通过偶联反应合成一个包含金属中心的人造双极分子,为什么要有一个金属中心呢?因为金属中心可以让分子的电荷状态保持不变,这样我们在膜的匹配上比较容易,而且与传统的金属配体的双极性分子来比较,氧化还原的路径是比较少的,会让这个系统不那么复杂。

我们成功的合成了这种分子之后,我们也去测试它的电化学性能,可以看出正负级都保持了比较好的电化学可逆性,它的活性还是比较可逆的,有大概1.5伏左右的充电电压和1.1伏左右的放电电压,我们也去测试了它充放电的循环性能,可以看出它在电池里可以稳定的循环200圈以上,而且容量的衰减还是比较不错的。在组成了对称流动的液流电池体系里面也可以循环几十圈以上,还是比较有意思的方向,我后续还会持续在这个方向做一些工作。

这是今天我想给大家汇报的全部内容,非常感谢您的聆听和帮助,谢谢!

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关键字:液流电池

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