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中石化大连院曹中琦:铁基液流电池技术开发与应用进展

作者: 中国储能网新闻中心 来源:中国储能网

3月10-13日,由工业和信息化部节能与综合利用司指导,中国化学与物理电源行业协会主办并联合500余家机构共同支持的第十四届中国国际储能大会暨展览会(简称“CIES”)在杭州国际博览中心召开。

  CIES大会以“共建储能生态链,共创储能新发展”为主题,针对储能产业面临的机遇与挑战等重点、热点、难点问题展开充分探讨,分享可持续发展政策机制、资本市场、国际市场、成本疏导、智能化系统集成技术、供应链体系、商业模式、技术标准、示范项目应用案例、新产品以及解决方案的普及和深化应用。

  来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的2011余家产业链供应链企业, 53417位线上注册嘉宾将参加本届CIES大会,储能网视频号线上直播11万人参与观看与交流。其中300余家企业集中展示了储能产品,涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证、飞轮储能、液流电池、熔盐储热、压缩空气储能等新型储能全产业链。

  3月11日下午,中石化(大连)石油化工研究院有限公司副研究员曹中琦受邀在长时储能技术及应用专场分享主题报告,报告题目为《铁基液流电池技术开发与应用进展》。以下为报告主要内容:

  曹中琦:各位专家、各位同仁大家好!

  我是来自中石化大连石油化工研究院有限公司的曹中琦,非常荣幸有这个机会向大家分享大连院在铁基液流电池领域的一些研究进展。

  双碳目标的提出促进了我国能源结构向可再生能源的转变。推动了我们储能领域的快速发展。许多专家都提到了风能,太阳能这些可再生能源发电面临着各自的局限性,包括不连续,不稳定,不可控的非稳态特性,使得并网比较困难,而且弃风弃光率比较高。大规模储能技术是实现可再生能源普及应用的核心技术,也是国家的重大战略需求。

  我们国家从各个方面发布了储能相关的政策,推动了储能领域的快速发展。现在储能进入了万亿级的赛道,新型的储能技术备受研究者的关注。预计在2030年,我们国家和全球的电化学储能市场规模将达到3600亿元以及8000亿元。

  下面我们对于各种储能技术做了统计和对比。由于在前面很多专家还有很多老师都有一些介绍,在这里我不多说了。

  全球储能市场规模持续增加,2022年全球储能新增装机容量40.2GW,其中抽水蓄能仍然占据着主导的地位,但其占比首次低于80%;电化学储能异军突起,新增装机容量约20.8GW,占到51.7%,呈现着指数性增长的趋势。

  我国也是呈现同样的态势。电化学储能发展非常迅速。这里需要特别关注的是我们国家的液流电池领域的技术成熟度、装机规模都是已经处于世界前列的位置。未来,电化学储能的市场会成为市场的主流,长时储能、商业模式的创新、技术升级是未来发展的主要态势。

  我们中石化也在积极布局储能领域。中石化发布了2030年碳达峰的行动方案,也提出储能技术要为绿电的制备,消纳,绿氢炼化发展提供技术基础,是我们中石化自从双碳目标提出之后面临着自己的转型发展。提出了一基两翼三新的发展战略,为我们中石化发展储能技术奠定了基础。

  众所周知,大规模储能技术在安全性、环境友好性、以及经济性方面提出了高的要求。我们大连院开展了液流电池领域的研究,主要考虑液流电池具有安全的特性,容量和功率可以独立的设计,对环境是比较友好的,是电化学长时储能首选的技术路线。 并从成本和资源的角度考虑,重点开展铁基液流电池的研究,主要包括铁铬液流电池和全铁液流电池两种技术。

  我们首先从电极,电解液,隔膜主要的部件对液流电池技术作为比较详细的分析。从电极方面主要影响电压效率,电密,寿命,也是决定负反应的程度。电解液主要影响的是能量密度,还有容量的稳定性。对于隔膜来说是主要成本的所在,也会影响效率。

  基于上述的分析,大连院主要从关键材料出发,进行单电池的研究和测试,为电堆的设计奠定基础,最后进行系统集成方面的研究工作。

  对于铁铬液流电池方面,我们针对的是铁铬液流电池电化学反应活性比较差,动力学差的问题开展研究,而且也是为了解决负极析氢的问题,我们主要通过电极的改性,可以使能量效率提高到84.5%,和处理前相比提高了9.7%,经过1000圈的测试,效率稳定性良好。进行了改性电极的放大研究,为后面电堆的开发奠定基础。

  在铁铬液流电池稳定性方面,主要考虑容量衰减的问题。无论是全钒液流电池还是铁铬液流电池,都面临着容量衰减的问题。我们主要从电解液的角度开展研究,对容量衰减的机理进行了分析;在此基础上对铁铬液流电池电解液的组成进行优化,包括铁、铬、盐酸浓度和用量的优化;并开展了电解液添加剂的研究,通过添加剂进一步的使容量衰减率进一步的降低。目前可将铁铬液流电池充放电过程中的单圈容量衰减降低到千分之六左右。

  之后开展了关于容量恢复方面的工作。其方法主要包括添加剂,和容量恢复装置的使用,都可以使容量恢复到原来初始的状态,为系统的开发奠定基础。此外,也开展了容量衰减SOC监测等方面的一些研究工作。

  隔膜和双极板也是液流电池的重要部件,在该方面主要开展了优选的工作,希望能够有机会和各个相关的材料方面的企业多多交流。

  对于全铁液流电池的思路是进一步降低液流电池的成本。本研究考虑的是全溶性全铁液流电池,我们重点在于电解液的开发。主要开展了全铁液流电池配体的研究,通过配体的设计开发性能优良的电解液,从电解液的黏度、形成沉淀的情况等方面进行电解液组成的优化。构筑了全溶性全铁液流电池,进行了500圈充放电的测试,表明了全铁液流电池稳定性比较良好,能量效率比较高,达到80%以上。

  在千瓦级的系统中对全铁液流电池进行评价,在这里展示了其中一部分的测试结果,其能量效率可达到80.8%,在已报道的全铁液流电池情况看是比较高的水平,具有比较良好的应用前景。

  进一步开展了电堆的设计方面的研究工作。主要包括流场结构的设计,基于之前在关键材料方面的开发和优选,进行电堆的设计、均匀性的评价,通过模型和试验反馈流场结构的设计,最后开发高功率密度的电堆。

  这是我们现在主要开展的示范项目,是30kW/120kWh铁基液流电池的光储示范,在中石化内部开展的示范工作。现在已经完成了储能方面的建造,完成了密封性和充放电性能的测试。预计今年6月份完成示范。

  对中石化大连院在液流电池方面的工作进行小结,这是大连院主要的研究工作即主要产品。包括高活性改性电极,高性能电解液(包括铁铬液流电池电解液和全铁液流电池电解液),电堆,以及液流电池BMS的内容。最后开发了30kW/120kWh铁基液流电池的储能系统。

  希望借这个机会和各位专家,各位同仁多多交流,谢谢!


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