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高性能全釩液流電池儲能技術(shù)研究取得新進(jìn)展

發(fā)布時間：

2024-03-13 17:53

全釩液流電池儲能技術(shù)通過不同價態(tài)的金屬釩離子相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)電能的存儲與釋放，其本質(zhì)安全、設(shè)計靈活、成熟度高，是雙碳戰(zhàn)略下國家電力系統(tǒng)長時儲能領(lǐng)域首選的電化學(xué)儲能技術(shù)路線。

全釩液流電池儲能技術(shù)通過不同價態(tài)的金屬釩離子相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)電能的存儲與釋放，其本質(zhì)安全、設(shè)計靈活、成熟度高，是雙碳戰(zhàn)略下國家電力系統(tǒng)長時儲能領(lǐng)域首選的電化學(xué)儲能技術(shù)路線。

“新一代100MW級全釩液流電池儲能技術(shù)及應(yīng)用示范”作為國家十四五重點研發(fā)計劃支持項目，對高性能全釩液流電池儲能系統(tǒng)運行提出了更高的性能要求。而電極系統(tǒng)作為釩離子電化學(xué)氧化還原反應(yīng)發(fā)生的媒介，其傳質(zhì)特性與活化特性直接決定了全釩液流電池的轉(zhuǎn)換效率。因此，開發(fā)適用于工程化應(yīng)用的電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略與材料調(diào)控方法，是實現(xiàn)高性能全釩液流電池運行的基礎(chǔ)與核心。

近期，中國科學(xué)院金屬研究所材料腐蝕與防護(hù)中心腐蝕電化學(xué)課題組在高性能全釩液流電池儲能技術(shù)研究領(lǐng)域取得一系列新進(jìn)展。研究人員在深入理解電池極化特性的基礎(chǔ)上，以電極系統(tǒng)傳質(zhì)特性和電化學(xué)活性為切入點、以工程化應(yīng)用為導(dǎo)向，先后通過引入流場優(yōu)化設(shè)計和電極改性調(diào)控，顯著降低了電池濃差極化與活化極化，實現(xiàn)了全釩液流電池高性能長循環(huán)運行，相關(guān)研究結(jié)果相繼發(fā)表在Chemical Engineering Journal和Journal of Materials Chemistry A上，碩士生郝歡歡、張啟安分別為論文的第一作者，唐奡為論文的通訊作者。

全釩液流電池正負(fù)極以不同價態(tài)釩離子為活性物質(zhì)，以水系溶液為支持電解質(zhì)，具有環(huán)境友好和容量可恢復(fù)等優(yōu)勢，但受電極內(nèi)部活性物質(zhì)傳質(zhì)特性和流阻的局限，目前高功率全釩液流電池電堆運行仍面臨挑戰(zhàn)。針對這一問題，研究人員通過有限元仿真與實驗相結(jié)合的方式，通過在電極系統(tǒng)中引入結(jié)構(gòu)化流場設(shè)計，開展傳質(zhì)、傳動量與電化學(xué)反應(yīng)多物理場耦合作用下的電池內(nèi)部模擬分析（圖1），成功優(yōu)化了高電流密度下電極內(nèi)部的傳質(zhì)特性，協(xié)同降低了電池濃差極化與流動阻力，有效提升了高電流密度下單電池的轉(zhuǎn)換效率，且對32kW電堆的動態(tài)模擬預(yù)測顯示，電堆在200 mA cm-2高電流密度下恒流運行系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率可大幅提升約15%（圖2），相關(guān)研究為實現(xiàn)高功率電堆設(shè)計與開發(fā)提供了新方法新途徑，相關(guān)研究結(jié)果以“Regulating flow field design on carbon felt electrode towards high power density operation of vanadium flow batteries”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal,2022,450,138170。

傳質(zhì)特性的優(yōu)化在提升全釩液流電池高功率運行方面展示了顯著效果，但全釩液流電池負(fù)極側(cè)V2+/V3+遲緩的電化學(xué)動力學(xué)特性，仍然一定程度制約了全釩液流電池高功率運行下的轉(zhuǎn)換效率。針對這一問題，研究人員在課題組前期雜原子摻雜調(diào)控電極的研究基礎(chǔ)上（Energy Storage Materials,2021,34,301;Journal of Materials Chemistry A,2021,9,17300）,提出了工程化易操作的基于固-固轉(zhuǎn)化的電脫氧工藝方法，在堿性條件下通過還原涂覆在電極纖維界面Bi2O3粉末，制備了具有高氧化還原可逆性的Bi負(fù)載電極（圖3），顯著提升了負(fù)極V2+/V3+電化學(xué)動力學(xué)特性，理論計算進(jìn)一步揭示了V-3d和Bi-6p軌道雜化作用對電荷轉(zhuǎn)移過程的促進(jìn)作用，以此為基礎(chǔ)組裝的全電池實現(xiàn)了350 mA cm-2電密下450個循環(huán)73.6%的穩(wěn)定能量轉(zhuǎn)換效率輸出（圖4），400 mA cm-2高電密下運行轉(zhuǎn)換效率有效提升近10%，為高功率電堆開發(fā)提供了技術(shù)支撐，相關(guān)研究結(jié)果以“Boosting anode kinetics in vanadium flow batteries with catalytic bismuth nanoparticle decorated carbon felt via electro-deoxidization processing”為題發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A,2023,DOI:10.1039/D2TA09909H。