【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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，具有本質(zhì)安全、設(shè)計靈活、成熟度高的特點。該技術(shù)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)域取得一系列新進展。科研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。
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(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，研究人員運用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），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。
同時，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)換效率可提升約15%（圖2），為實現(xiàn)高功率電堆設(shè)計與開發(fā)提供了新方法與新途徑。相關(guān)成果以Regulating flow field design on carbon felt electrode towards high power density operation of vanadium flow batteries為題，發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal 2022, 450, 138170）上。
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(xué)動力學(xué)特性仍在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，在課題組前期雜原子摻雜調(diào)控電極的研究基礎(chǔ)上，科研人員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。
“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)域取得一系列新進展。科研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。
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(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，研究人員運用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），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。
同時，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)換效率可提升約15%（圖2），為實現(xiàn)高功率電堆設(shè)計與開發(fā)提供了新方法與新途徑。相關(guān)成果以Regulating flow field design on carbon felt electrode towards high power density operation of vanadium flow batteries為題，發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal 2022, 450, 138170）上。
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(xué)動力學(xué)特性仍在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，在課題組前期雜原子摻雜調(diào)控電極的研究基礎(chǔ)上，科研人員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。
該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(xué)動力學(xué)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)成果以Boosting anode kinetics in vanadium flow batteries with catalytic bismuth nanoparticle decorated carbon felt via electro-deoxidization processing為題，發(fā)表在《材料化學(xué)雜志A》（Journal of Materials Chemistry A，DOI：10.1039/D2TA09909H）上。
圖3.(a)電脫氧制備工藝；(b)熱力學(xué)計算和脫氧反應(yīng)機理；(c)電解池示意圖及循環(huán)伏安曲線圖；(d)還原電位及表面形貌圖；(e)電極成分表征。
圖4.(a)電極物理及電化學(xué)表征；(b)界面電化學(xué)理論計算；(c)全釩液流電池實驗。
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