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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
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發(fā)布時(shí)間：
2024-03-13 17:53
全釩液流電池儲能技術(shù)通過(guò)不同價(jià)態(tài)的金屬釩離子相互轉化實(shí)現電能的存儲與釋放，其本質(zhì)安全、設計靈活、成熟度高，是雙碳戰略下國家電力系統長(cháng)時(shí)儲能領(lǐng)域首選的電化學(xué)儲能技術(shù)路線(xiàn)。
全釩液流電池儲能技術(shù)通過(guò)不同價(jià)態(tài)的金屬釩離子相互轉化實(shí)現電能的存儲與釋放，其本質(zhì)安全、設計靈活、成熟度高，是雙碳戰略下國家電力系統長(cháng)時(shí)儲能領(lǐng)域首選的電化學(xué)儲能技術(shù)路線(xiàn)。
“新一代100MW級全釩液流電池儲能技術(shù)及應用示范”作為國家十四五重點(diǎn)研發(fā)計劃支持項目，對高性能全釩液流電池儲能系統運行提出了更高的性能要求。而電極系統作為釩離子電化學(xué)氧化還原反應發(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換效率。因此，開(kāi)發(fā)適用于工程化應用的電極結構優(yōu)化策略與材料調控方法，是實(shí)現高性能全釩液流電池運行的基礎與核心。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所材料腐蝕與防護中心腐蝕電化學(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上，以電極系統傳質(zhì)特性和電化學(xué)活性為切入點(diǎn)、以工程化應用為導向，先后通過(guò)引入流場(chǎng)優(yōu)化設計和電極改性調控，顯著(zhù)降低了電池濃差極化與活化極化，實(shí)現了全釩液流電池高性能長(cháng)循環(huán)運行，相關(guān)研究結果相繼發(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。
全釩液流電池正負極以不同價(jià)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等優(yōu)勢，但受電極內部活性物質(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。針對這一問(wèn)題，研究人員通過(guò)有限元仿真與實(shí)驗相結合的方式，通過(guò)在電極系統中引入結構化流場(chǎng)設計，開(kāi)展傳質(zhì)、傳動(dòng)量與電化學(xué)反應多物理場(chǎng)耦合作用下的電池內部模擬分析（圖1），成功優(yōu)化了高電流密度下電極內部的傳質(zhì)特性，協(xié)同降低了電池濃差極化與流動(dòng)阻力，有效提升了高電流密度下單電池的轉換效率，且對32kW電堆的動(dòng)態(tài)模擬預測顯示，電堆在200 mA cm-2高電流密度下恒流運行系統轉換效率可大幅提升約15%（圖2），相關(guān)研究為實(shí)現高功率電堆設計與開(kāi)發(fā)提供了新方法新途徑，相關(guān)研究結果以“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(zhù)效果，但全釩液流電池負極側V2+/V3+遲緩的電化學(xué)動(dòng)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換效率。針對這一問(wèn)題，研究人員在課題組前期雜原子摻雜調控電極的研究基礎上（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-固轉化的電脫氧工藝方法，在堿性條件下通過(guò)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負載電極（圖3），顯著(zhù)提升了負極V2+/V3+電化學(xué)動(dòng)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移過(guò)程的促進(jìn)作用，以此為基礎組裝的全電池實(shí)現了350 mA cm-2電密下450個(gè)循環(huán)73.6%的穩定能量轉換效率輸出（圖4），400 mA cm-2高電密下運行轉換效率有效提升近10%，為高功率電堆開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐，相關(guān)研究結果以“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。
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