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高性能全釩液流電池儲能技術(shù)研究取得新進展
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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(zhuǎn)換效率。因此，開發(fā)適用于工程化應用的電極結(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，中國科學院金屬研究所材料腐蝕與防護中心腐蝕電化學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)特性和電化學活性為切入點、以工程化應用為導向，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)、傳動量與電化學反應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，但全釩液流電池負極側(cè)V2+/V3+遲緩的電化學動力學特性，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負載電極（圖3），顯著提升了負極V2+/V3+電化學動力學特性，理論計算進一步揭示了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。
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