20xxcb227200-大规模高效液流电池储能技术的基础研究

20xxcb227200-大规模高效液流电池储能技术的基础研究内容摘要：

红外、电化学 质谱等原位实验技术，表征膜材料化学结构的变化。 把液流电池性能实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。 在解明膜材料老化与分子降解机理研究基础上，建立膜材料稳定性调控理论和技术方法。 新型离子交换膜分子设计与制备方法研究 a) 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，通过体相聚合或原位接枝等途径导入磺酸基团，形成质子传导性高和 钒离子迁移率低的聚合物互穿网络型离子交换膜。 通过设计质子传导功能单体的基团组成、分子结构，合理调控聚偏氟乙烯基体与质子传导基团的相互作用，实现亲水基团和疏水基团平衡，有效抑制膜材料溶胀。 另外在 PVDF 基体内混入无机纳米颗粒（ SiO Al2O TiO2 等）进一步提高膜的机械强度和力学性能。 b) 烃类聚合物离子交换膜的研究 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市场竞争力。 目前，全钒液流储能电池使用的是杜邦公司的 Nafion 115膜或 Nafion 117 膜，每平方米膜的价格在 800 美元以 上。 由于价格昂贵，严重阻碍了液流储能电池的普及应用。 全氟磺酸膜材料由于合成工艺的复杂性，生产成本很高。 本课题拟以化学稳定性和耐腐蚀性较高的烃类高分子聚合物为离子交换膜材料，研究高性能、低成本液流储能电池用新型膜材料。 c) 两性离子交换膜的探索 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，既能抑制钒离子的渗透又能保证较高的质子电导率。 本项目拟通过两种途径制备阴阳离子复合膜：一是合成本体同时具有阴、阳离子交换能力的双离子膜；此外，还可以利用液流电池正负极电解液中钒离子形成不同水合物特性，探索双极性 膜在液流电池过程的应用特性。 多场作用下的电极反应机理、电极材料的设计理论和制备方法研究 多场协同作用下的电极反应机理 电极表面电化学反应活性与电极材料的性质、结构及表面形态密切相关。 通过研究炭毡与碳塑复合极板的表面特性、导电性及结构对其电化学反应活性及电池性能的影响规律，揭示多场协同作用下电极过程动力学及电极表面副反应产生的机理和原因。 在此基础上，研究电极材料的表面改性及结构优化，建立提高电极反应活性和选择性，降低电子传导阻力的策略和方法。 电极极板材料的结构设计及制 备 系统研究和理解电极极板材料的结构与性能的构效关系，揭示电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。 在此基础上，研究电极极板的材料组成、结构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新体系关键材料及电池系统研究 本项目以变价离子电对、溶液化学及电化学相结合的研究为切入点，重点研究具有高能量密度、高效能的单液流储能新体系和改进锌溴体系。 通过将电池正负极之一或双极设计成沉积 /溶解过程，探索和研究不用离子交换膜的单液流储能新体系。 针对液流沉积型电对的电 沉积 /溶解氧化还原反应，探索符合单液流储能电池应用的电极材料和电解质体系，研究液流沉积型电对的反应动力学性质、电极极化行为和相关反应机理，考察单电极充放电性能，确定液流沉积型电对高速、高比容量沉积和溶解的最佳条件。 研制具有自主知识产权的高离子传导率、高选择性、低成本的阻溴复合膜材料，提高锌溴电池的运行稳定性和循环寿命。 探讨适合全液相液流储能的新电对，探索具有高稳定性、高能效的全液相液流储能新体系。 基于电对的电化学研究和电解质溶液的物理化学特性研究，根据液流规模储能的特点和要求，研究正 /负电极的匹配规律，设计 和组装液流储能新体系电池，阐明电池的工作原理和应用性能。 在此基础上，改进电池和流道结构，研究大面积单电极的均匀反应性能、材料加工技术和电 池模块 组配技术，获得电 池模块 设计和系统工程放大的原则和规律。 利用和融合本项目其它课题在新型关键材料、基础科学问题的研究成果，发展高效能、高能量密度、具有自主知识产权和应用前景的新型液流储能电化学体系。 液流储能电池模块和系统结构设计与规模放大的模拟仿真理论及系统集成方法研究 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、传热及电化学反应等复杂因素。 在实际应用中，大规模液流电池储能系统的输出功率一般在数十千瓦至数兆瓦，储电容量一般在数兆瓦时至数百兆瓦时。 系统通常是由多个数十千瓦的电池模块组合而成。 而电池模块和电池系统的规模放大决不是简单的尺寸上的增大，而是需要对电池模块和电池系统的结构进行优化，解决电池模块内电极表面及单电池相互之间和电池模块与模块之间电解液传质均匀性问题，从而提高电池的运行电流密度，增加系统比功率，有效降低成本。 本课题拟通过模拟仿真和 实验验证相结合的方法，重点研究大功率液流储能电池内电极表面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结构的关联。 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规律。 研究电池系统内单电池的组合方式及公用管道结构对系统性能的影响规律。 发展电流密度均匀分布调控方法，优化电池结构设计，建立电池模块及电池系统规模放大的数学模型和基础理论，制定结构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管理控制策略的基础研究 大规模高效液流电池储能系 统涉及发电装置、液流储能电池装置、电力电子变换装置、用电负荷或电力系统等多个组成体系，是电化学、化工和电气等相互耦合的复杂动态体系，其运行特性与液流储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、控制方式等多种因素相关。 如何在保证系统运行安全稳定的基础上，提升整个系统的能量效率、经济性和可靠性是大规模液流电池储能系统实用化过程中必须解决的关键问题。 为此，本项目将高效电力变换技术、系统仿真建模技术、先进传感与通讯技术及现代优化控制理论相结合，深入分析大规模液流电池储能技术系统内各组成单元与系统及电网 的耦合机理，充分认识系统对电网运行特性的影响，建立适合大规模液流电池储能技术的系统耦合控制方法及综合能量管理策略。 主要研究内容包括：大规模液流储能系统的高效电能变换耦合机理及系统集成方法、大规模液流储能系统的协调控制理论、大规模液流储能系统的能量优化控制与综合管理策略、含大规模液流储能的可再生能源发电系统的综合仿真与实验研究。 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，而规模化高效储能技术是迫切需要但又急待解决的关键核心技术，也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，推进可再生能源普及应用的重要技术。 通过本项目的实施，在大规模高效液流储能电池反应机理和调控机制、材料的构效关系、材料的组分设计与制备方法等科学基础理论方面取得突破；形成高性能、低成本液流储能电池关键材料的规模制备工艺；提出大功率、高效、高比功率液流储能电池系统的实现方法；建立发电、储电、电能变换、用电多体系的系统耦合和综合能量管理控制策略的理论体系和方法；获得一批具有自主知识产权的原始创新成果，培养和造就一批年富力强的液流电池储能技术的学术带头人和高素质研究人才团队；提高我 国在大规模高效液流电池储能技术领域的科学研究水平和技术创新能力，满足节能减排重大国策及可再生能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 （ 1）阐明液流储能电池关键材料的组成、结构与物性的构效关系；揭示电池相关反应机理以及对电池性能的影响规律；发展材料形态、结构以及性能的实时表征方法；构建液流储能电池关键材料组分与性能调控机制；建立和完善大规模高效液流电池储能技术的基础理论和工程基础方法。 （ 2）建立高性能、低成本液流储能电池电解质溶液、离子交换膜、电极极板等关键材料的设计理论和规模制 备方法和工艺；解决电解质溶液的晶析问题，提高电解液的稳定性；在保证液流储能电池能量效率前提下，离子交换膜的成本降低至现在使用的杜邦公司 Nafion 115膜的 45%以下；碳塑极板的成本降至国产石墨板价格的 15%以下。 （ 3）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基础理论；建立电池模块和电池系统的模拟仿真理论和方法；掌握电池系统集成的工程技术，提高工作电流密度。 从根本上提高能量密度，降低成本，推进产业化进程。 （ 4）研究由发电、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基础理论， 掌握并完善系统耦合模拟仿真的建模方法，深入分析体系间的耦合机理，在充分理解和认识系统对电网运行特性的基础上，建立适合大规模液流电池储能技术的系统耦合原则及综合能量管理控制策略。 （ 5）综合本项目的研究成果，集成出由 5kW 风光互补发电体系，输出功率大于 5kW、储能容量大于 50kWh、电池系统能量效率大于 75%的液流储能电池体系、电能转换体系和用电负荷等多体系构成的综合验证平台，检验、验证和完善项目获得的理论和工程技术成果，为大规模高效液流储能电池的工程化、实用化提供理论指导和基础工程技术支。