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能源俯拾皆是，能源供應(yīng)卻依然告急。廣袤的西北地區(qū)蘊(yùn)含大量“風(fēng)”“光”等可再生能源，然而這些能源與處于用能中心的城市往往距離過遠(yuǎn)。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)能源的遠(yuǎn)距離輸送似乎是解決矛盾的最佳選擇。

長久以來，輸電線路和電站充當(dāng)著能源“搬運(yùn)工”，但總有難以跨越的溝溝坎坎。為了實(shí)現(xiàn)更靈活的電力供給，科研人員希望在能源收集和利用之間架起一座橋梁，創(chuàng)新儲能方式。

中科院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員李先鋒團(tuán)隊深耕液流電池領(lǐng)域20余年。近日，該團(tuán)隊領(lǐng)銜的“新一代液流電池儲能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊”獲得2021年中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展獎。

“與傳統(tǒng)電池不同，液流電池將液體電解質(zhì)存儲在外部，儲能介質(zhì)為水溶液，無著火爆炸風(fēng)險，安全性高、壽命長，還可按需組合，實(shí)現(xiàn)功率與容量的自主調(diào)控，在電力系統(tǒng)儲能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。”李先鋒告訴。

從電池內(nèi)部突破

電池看似是一個黑匣子，實(shí)際內(nèi)部有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，主要由隔膜、雙極板、電極等關(guān)鍵材料和核心部件構(gòu)成。“提高儲能電池性能需兼顧局部和整體，研發(fā)過程需考慮多種因素的相互作用和影響。”李先鋒說。

膜材料主要起著阻隔正負(fù)極、傳輸離子的作用。“膜的離子傳導(dǎo)性越高，質(zhì)子通過的速度越快，但離子選擇性會隨之變差，導(dǎo)致膜兩側(cè)的離子互相‘穿梭’，增加電池副反應(yīng)，影響電池性能。”大連化物所高級工程師史丁秦說。因此，如何平衡膜的離子傳導(dǎo)性和離子選擇性。開發(fā)出兩者兼顧的新型隔膜材料，是科研人員要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

為了阻止離子從膜的一側(cè)穿梭到另一側(cè)，研究人員致力于膜離子傳輸機(jī)理的研究，通過切斷離子在隔膜內(nèi)的傳輸通路，提高膜離子選擇性。但此法依然無法完全解決兩者的平衡問題。

李先鋒團(tuán)隊在研究過程中發(fā)現(xiàn)，液流電池電解液中不同離子的半徑大小不同，“能否通過調(diào)控膜的孔徑大小來實(shí)現(xiàn)離子的選擇性傳輸呢？”帶著這一想法，團(tuán)隊踏上研發(fā)多孔離子傳導(dǎo)膜材料的新征程。

微觀世界復(fù)雜多變，調(diào)控困難，研究了相當(dāng)一段時間未能取得突破，但團(tuán)隊的信念從未動搖。最終，他們從創(chuàng)新分子結(jié)構(gòu)入手，突破了膜離子傳導(dǎo)性與離子選擇性之間的制衡，制備出高選擇性、高傳導(dǎo)性、低成本的多孔離子傳導(dǎo)膜材料，并成功實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

雙極板是電池的又一關(guān)鍵材料，起到將每節(jié)單電池串聯(lián)成電堆與集流的作用。與膜材料類似，雙極板材料也面臨“雙高”矛盾。“碳含量越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，但韌性會變差，不利于電堆壓緊組裝。”大連化物所博士劉濤說，研發(fā)具有高導(dǎo)電性、高韌性的新型雙極板材料是團(tuán)隊的主要攻關(guān)目標(biāo)。

近年來，團(tuán)隊著眼于雙極板材料的創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)設(shè)計，將多尺度及多維度的碳粉顆粒融于聚合物增韌網(wǎng)絡(luò)中，成功構(gòu)建出更發(fā)達(dá)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

然而，目前市場上碳粉和聚合物材料不計其數(shù)，如何從眾多的材料中找到最佳材料和配比是亟待解決的問題。團(tuán)隊曾為此試驗(yàn)過上千種配方。“即使配方確定了，仍不足以滿足實(shí)際應(yīng)用，還要保證制備和規(guī)?；a(chǎn)的需要，提高材料的生產(chǎn)效率，降低成本。”劉濤說。

為此，團(tuán)隊在規(guī)模放大和批量化生產(chǎn)工藝上不斷探索嘗試，最終開發(fā)出新型高導(dǎo)電、高韌性、可焊接的碳塑復(fù)合雙極板，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

給功率算筆賬

電堆好不好關(guān)鍵看放電功率和效率，高效率能保證相同儲電量下，放出來的電量更多。但所有電池充放電過程中都存在損耗。“存進(jìn)去1度電，放出來0.8度電，憑空消失的電量就是損耗。”大連化物所副研究員鄭瓊舉例。

在成功開發(fā)出性能優(yōu)異的隔膜和雙極板材料后，接下來便是使盡渾身解數(shù)，優(yōu)化電堆結(jié)構(gòu)和工藝，力求將損耗降到最低，讓功率提升到更大。

功率由電流和電壓決定。理論上，電壓不變，增加電流，功率就會增大，但所有電池都存在極化問題。大連化物所副研究員邢楓介紹，“極化”的存在使得電池功率提升的同時其效率反而下降。因此，科研人員渴望在增加電流、提升功率的同時，電堆能夠始終處于高效率運(yùn)行狀態(tài)。

科研中，邢楓添了一個“職業(yè)病”——愛算賬。“提高功率、提高效率、降低成本，核心就是控制極化，需要不斷對細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬仿真計算。”邢楓說。

在實(shí)際工作中，電池極化不會等于零，只能通過技術(shù)改進(jìn)使其不斷降低。“只有對電池內(nèi)的反應(yīng)、傳遞過程中的每個細(xì)節(jié)做到潛精研思，電堆效率才會更高。”邢楓說。

電堆之于電池系統(tǒng)就像心臟之于人體，功能重要、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試優(yōu)化工作繁瑣，牽一發(fā)動全身。往往這個指標(biāo)提高了，其它指標(biāo)卻低了，追求指標(biāo)全面提升簡直難于登天。

剛開始，團(tuán)隊只能做出功率不足1千瓦的電堆，且成本較高，遠(yuǎn)達(dá)不到市場準(zhǔn)入門檻。如今，團(tuán)隊已開發(fā)出新一代30千瓦級高功率密度電堆，功率密度提高近1倍，成本下降近四成，已經(jīng)處于商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化初期階段。

如今，產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)如火如荼。團(tuán)隊利用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多孔離子傳導(dǎo)膜與電極框的直接密封，擺脫了電堆內(nèi)部部件之間對密封墊的依賴，提高了電堆的可靠性和裝配水平。“新一代全釩液流電池技術(shù)初具雛形，繼續(xù)研發(fā)，持續(xù)推進(jìn)。”李先鋒如是說。

服務(wù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)

電解液是電池運(yùn)轉(zhuǎn)的“血液”，釩離子是團(tuán)隊十分看好的電解液類型。這種離子有4種價態(tài)，不同價態(tài)釩離子之間可進(jìn)行可逆的轉(zhuǎn)化，完成充電、放電、再充電的循環(huán)。同時，由釩離子構(gòu)成水系全釩液流電池，可以大大降低著火、爆炸等風(fēng)險，安全性極高。

研究發(fā)現(xiàn)，全釩液流電池可以自由組合成電池組，其輸出功率可達(dá)數(shù)百兆瓦，儲能容量達(dá)數(shù)百兆瓦時，能存放10萬度電。

大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司（以下簡稱大連融科）是依托于大連化物所技術(shù)成立的專注于全釩液流電池儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)。雙方一直深入合作，共同推動了全釩液流電池商業(yè)化示范項(xiàng)目落地，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室成果的可行性。

2016年，基于團(tuán)隊技術(shù)支撐，大連融科承接全球最大功率全釩液流電池儲能調(diào)峰電站國家示范項(xiàng)目工程建設(shè)任務(wù)。2020年，團(tuán)隊推出新一代全釩液流電池技術(shù)30千瓦級電堆，獲得眾多好評，多家意向合作單位慕名而來。目前，該團(tuán)隊與國內(nèi)外多家企業(yè)建立合作意向關(guān)系，團(tuán)隊的全釩液流電池技術(shù)已占據(jù)超六成市場。

在產(chǎn)業(yè)化過程中，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，企業(yè)具有強(qiáng)烈的研發(fā)需要。為此，團(tuán)隊拓展合作維度，在企業(yè)成立實(shí)驗(yàn)室，搭建聯(lián)合研發(fā)平臺。“市場需要從一開始就長在科研的培養(yǎng)皿上。” 大連融科副總經(jīng)理王曉麗說。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)先行。團(tuán)隊還牽頭制定了包括首項(xiàng)液流電池國際標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的20余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，提高了我國液流電池技術(shù)在國際上的話語權(quán)。

“說到底，全釩液流電池解決的是發(fā)電側(cè)富余電能的儲存問題，從長遠(yuǎn)發(fā)展看，還需要解決用戶側(cè)的儲能問題。”大連化物所研究員袁治章說。

用鋅基液流電池解決用戶側(cè)需求是團(tuán)隊的又一產(chǎn)業(yè)化方向。鋅儲量大、成本低、電位低、能量密度高，但鋅基液流電池在長循環(huán)過程中，電解液中的反應(yīng)物離子更容易擴(kuò)散至電極表面的凸起處，形成鋅枝晶，后者的不斷生長會刺破隔膜，最終導(dǎo)致電池短路失效。

因此，必須解決鋅枝晶形成和生長問題，鋅基液流電池才能實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用。經(jīng)過多年攻關(guān)，團(tuán)隊研發(fā)出新型電極材料，實(shí)現(xiàn)了對鋅沉積形貌的有效調(diào)控，很好地解決了鋅枝晶的形成和生長問題，讓鋅基液流電池向大規(guī)模應(yīng)用更進(jìn)一步。

李先鋒表示，碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)給現(xiàn)有電力系統(tǒng)帶來了更大挑戰(zhàn)，發(fā)展大規(guī)模儲能技術(shù)、讓新能源產(chǎn)生的電力耦合現(xiàn)有電力系統(tǒng)，將會使電力傳輸更高效、電力更加觸手可及，從而助力以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)構(gòu)建。

原標(biāo)題：讓能源“存取”更自如