高性能离子交换膜构效关系、多离子传导机理及其制备方法的研究年度总结报告

在前期研究基础上,成功开发出不同结构的膜材料,包括非氟离子交换膜、非氟多孔离子传导隔膜及部分含氟隔膜材料等,并对其构效关系、成膜工艺进行了初步研究。2013年度围绕离子交换膜氧化稳定性降解机理以及多孔离子传导膜的构效关系和非氟离子传导膜规模放大工艺以及放大过程中的基础科学问题展开研究。阐明了非氟离子交换膜的降解机理、掌握了高选择性、高电导率和高稳定性多孔离子传导膜的构效关系,为液流电池离子交换膜的研究提供理论指导。在原创性提出多孔离子传导隔膜的基础之上,成功解决了非氟多孔离子传导隔膜离子选择性与传导性地矛盾,开发出高选择性、高稳定性非氟多孔离子传导隔膜。建立了高性能低成本离子传导膜的合成路线和工艺,确立膜材料的规模放大工艺,在一定程度上解决商业化全氟磺酸离子交换膜价格昂贵、离子选择透过性差等缺点,加快了液流电池的商业化进程。     

连续电除盐技术中树脂导电性的研究

连续电除盐技术被用于处理低放废水,在CEDI设备单元中填充的离子交换树脂对降低连续电除盐膜堆的电阻、提高核素离子的迁移率、降低能耗起着重要的作用.本文建立了在CEDI膜堆外测试离子交换树脂导电性的方法,并利用所建立的方法对1200Na、4200Cl、核级阳、核级阴、001*7、201*7这6种离子交换树脂的导电性进行了研究,引用多孔塞模型(porous-plug model)描述了离子交换树脂的三种导电路径,筛选出传导能力强的核级阳和核级阴树脂作为CEDI膜堆的填充材料.     

全钒液流电池的质子传导膜研究

全钒液流电池有望用于大规模太阳能、风能发电过程,用作蓄电储能设备,稳定输出功率. 质子传导膜作为该电池内的重要功能材料之一,目前已得到广泛的研究. 该文分析介绍了本实验室制备质子传导膜的工艺,以及面电阻、化学稳定性等膜性能指标,并与现有商业化质子传导膜进行比较.     

“电池模块及系统结构设计、系统集成及规模放大基础研究”年度报告

在前期研究基础上,通过计算机三维模拟技术,对影响电堆功率密度的关键因素进行深入分析,并提出了大规模液流电池系统的设计方法及其规模放大技术。具体如下:通过建立液流电池三维非等温模型,揭示了电池内部的热源变化与温度分布特性,研究了孔隙率、流量对热源及温度变化的影响;通过容量衰减模型,准确预测容量的衰减程度;利用多目标优化的理论建立大规模电池多系统耦合设计的方法,提出了液流电池的监测、报警、保护体系,进而发展了液流电池规模放大理论体系。基于上述理论研究进行试制工作,开发的单电池能量效率达到81.8%(200mA/cm~2),开发的22kW电堆经过550个循环,电池性能没有衰减,开发的352kW/700kW·h液流电池单元直流侧能量效率达到73.8%,交流侧系统效率达到68.2%。     

离子交换膜的选择透过性机理

分析了传统的双电层理论或Donnan膜平衡理论在解释离子交换膜的选择透过性机理上存在的局限性,提出了"空穴传导双电层"假说,认为离子交换膜在溶液中由于反离子的迁移在膜内留下"离子空穴",同时在膜的两侧形成"双电层"结构,"空穴"和"双电层"共同作用的结果使溶液中与反离子同号的离子能够通过离子交换膜,而与反离子异号的离子无法进入离子交换膜,从而使其具有选择透过性.在此基础上,用"空穴传导双电层"假说对离子交换膜在无电场和有电场作用的选择透过性进行了合理的分析.     

高效能液流储能电池新体系探索研究年度报告

我国能源安全和环境污染形势严峻,需要加快可再生能源发展,必须解决高效规模储能技术才能实现稳定供电。液流电池是规模蓄电的首选电源,在电网调峰、可再生能源发电的储能等方面具有巨大的应用前景,其开发对于可再生能源高效利用具有重要的现实意义。为弥补全钒液流电池体系面临的难题,该研究致力于研发液流电池新体系。该年度研究了全铅液流电池、锌镍单液流电池、锌溴液流电池及其材料性能,初步获得了液流电池新体系的设计规律。锌镍液流电池,研究了锌电极特性、正极衰减特性和电池模拟,研制了200Ah的电池单体,组成了38 V200 Ah和38 V600 Ah电池系统,充放电能量效率分别达到79%和74%以上(约1/3C)。研究了倍率性能提升方法,80 m A/cm~2电流密度下能量效率可到80%。研究了锌溴液流电池结构和性能,验证了1 k W/2 k W·h电池系统,充放电能量效率达到75%(约20 m A/cm~2)。研究了HBF4体系全铅液流电池性能,采用亚氧化钛、Ta C等改进了正极,循环稳定性得到提高。申请了10项专利,发表了6篇文章。该研究基本完成了预期计划内容,获得了重要的阶段性结果,为后续的研究推进和成果产出打下了较好基础。     

燃料电池关键材料与进展

 离子交换膜是燃料电池的重要部件,肩负着在电池内部传递离子,形成完整电池回路的作用。按照传导离子的种类,可以将其分为阳离子交换膜和阴离子交换膜,分别应用于质子交换膜燃料电池和碱性阴离子交换膜燃料电池中。本文阐述了这2 类电池的研究进展和应用,提出了存在的主要问题,并着重介绍了常见阴离子交换膜及其合成方法和降解机理,对研究前景提出展望。     

全钒液流电池正极传质的介观分析

目的研究全钒液流电池正极传质的介观机理,为多孔电极传质效率的提高和全钒液流电池整体性能的提升提供理论指导.方法采用粗粒化分子动力学模拟方法,分析全钒液流电池正极反应中各粒子的介观传递特性.分析电池荷电状态(SOC)、温度、碳纳米管长度以及碳纳米管含量对正极电解质中各组分粒子扩散系数和有序性的影响.结果粒子扩散系数随着温度增高而增大,但随碳纳米管长度的增加而减小.当电池荷电状态SOC为50%时,溶液中离子种类最多,多种离子间的相互作用阻碍单个离子的扩散,从而降低了电解液中各粒子的扩散系数.在碳纳米管质量比为1/4～1/2,正极电解液浓度较低,减小了VO2+和VO+2之间的缔合作用,溶液黏度也随之下降,有利于扩散.结论深入研究全钒液流电池正极传质过程,降低因传质因素导致的浓差极化,增大电池反应速率.     

固态电池离子/电子传导及其传输线阻抗模型的研究进展

固态锂电池因其具有预期的高能量密度、宽工作温度范围及高安全性而备受青睐,成为动力电源和能源存储的主要选择.然而,固-固界面的离子/电子迁移阻力大、稳定性不足、剥离易发生等问题严重限制了其实际应用及产业化.为了改善固态电池性能,深入理解离子/电子的传导机理,不仅需要获取原始实验数据,而且还需要利用阻抗传输线模型,分析离子/电子的彼此影响及分离离子与电子的独立贡献.综述了多孔电极中离子/电子传导的7种测试方法及其特点;讨论了多孔电极中离子/电子传导及其9种传输线模型;分析了离子/电子传导机理研究中仍存在的尚未解决的基本问题;给出了能改善固态电池循环稳定性的努力方向.上述措施便于快速了解插层电极中离子/电子传导的研究现状、关键问题和发展趋势.     

液流电池电解质的溶液化学研究最终报告

针对高稳定性、高活性全钒液流电池电解液以及高能量密度单液流电池沉积型电对及固体电极电化学性能与电解质溶液之间构效关系、高稳定性浓电解质溶液化学理论及作用机制等关键科学问题,以具备较大应用潜力的全钒双液流以及锌/镍、全铅单液流电池体系电解质的溶液化学为研究重点,通过电化学测试与材料物性表征相结合,深入研究了电解质溶液对全钒双液流以及碱性沉积型锌负极和电池性能的影响,阐明了电解液流速、锌沉积面容量和电流密度的关联;考察了不同种类的无机、有机添加剂以及添加剂中的官能团对电解液的热稳定性以及电化学活性的影响,深入研究了电解液溶液及添加剂对固体氧化镍正极活性和稳定性的影响,探讨了电解液添加剂与锌负极和氧化镍正极的相容性;研究了全铅单液流电池电解质溶液的物化性质,探明电解液组成对电极性能的影响规律;研究了电解液添加剂对全铅单液流电池电极性能的影响及其作用机制;考察了支持电解质对电解液的热力学稳定性、电化学活性以及循环稳定性等的影响,优化了电解液的组成,提高了电池充放电的能量效率和循环稳定性。重要的创新点包括以下方面:(1)确定了对于全钒液流电池电解液的热稳定性和电化学性能具有积极作用的添加剂结构和支持电解质组成;(2)阐明全铅单液流电池电解液中铅活性离子对电极性能的影响规律,优化了铅离子浓度;(3)提出电解液中添加电解PbO_2,降低沉积型PbO_2电极极化,抑制铅累积和枝晶的新方法,获得了高活性、高沉积均匀性Pb负极和PbO_2正极。     

液流储能电池研究进展

液流储能电池技术是一种高效、大规模电化学储能技术,在风能、太阳能等可再生能源发电、智能电网建设等方面有着广阔的应用前景. 该文重点介绍了大连化学物理研究所在液流储能电池方面的研究进展,并对液流储能电池技术发展作了简要论述.     

柔性Ag-Zn纸基电池的制备及其湿敏特性研究

采用多孔吸附离子特性的滤纸结合选择性喷墨打印技术在FP表面实现图形化的Ni/Au金属薄膜修饰,并用作Ag-Zn纸基电池的集流体。通过无电镀Ag和电沉积Zn技术制备了FP/Ni/Au/Ag电极和FP/Ni/Au/Zn电极,实现了Ag-Zn纸基电池的制备。通过SEM和XRD等测试对制备的金属薄膜的结构和组成进行分析。并对所制备的Ag-Zn纸基电池的性能进行了研究。结果表明,在0.5mA·cm~2电流密度放电条件下,电容可达0.08 mA·h·cm~(-2)。还进一步研究了湿度对干法电池输出电流的影响,研究发现在相对湿度30%-90%范围内,电流变化3个数量级,拐点与电解质的潮解相对湿度(φ_D)和风化的相对湿度(φ_E)吻合,且具有良好的重复性。     

壳聚糖衍生的碳膜用于水系锌电池锌阳极的保护层

水系锌电池(ZBs)具有成本低、安全性高等优点，被认为是最有前景的储能装置。然而，在放电和充电的过程中，负极上的异常生长的锌枝晶导致其较差的循环稳定性和低库伦效率低。壳聚糖是一种天然的富含氮和碳的氨基多糖。当高温烧结时，形成的碳膜具有优异的导电性和石墨化程度，碳膜可以增强锌离子均匀沉积的性能。本文以壳聚糖为原料，通过烧结制备了一种碳膜，并将其作为水系锌电池电极的保护层材料。结果表明，当采用800°C的烧结温度时，样品可以保持更光滑的表面，组装的电池在0.25 mA·cm?2的电流密度下可以循环使用达到700 h左右，远大于没有碳膜保护层的同类电池。     

水系锌离子电池：金属锌负极研究进展

水系锌离子电池具有能量密度高、成本低、安全环保等优点,是一种很有前景的电化学储能系统.然而,水系锌离子电池在反应过程中,锌负极会形成锌枝晶易于刺穿隔膜,导致电池短路;同时,也会钝化生成不可逆产物,导致了电池差的循环稳定性和低的库仑效率.针对以上问题,本文详细地总结和讨论了当前锌负极的优化策略,主要包括电解液添加剂、基底效应、引入保护层以及锌负极的结构设计等,并对未来高性能锌离子电池的发展前景进行了展望.     

电纺纤维基材料在水系锌离子电池中的应用

水系锌离子电池因其成本低、理论能量密度高和本征安全等,在储能电站、柔性可穿戴电池等领域极具发展潜质.静电纺丝技术可以实现锌离子电池相关材料在纳微米尺度上的掺杂、复合和结构设计,实现其在宏观性能上提高,抑制/减缓锌离子电池中枝晶生长、结构坍塌和析氢/氧等问题.因此,静电纺丝纤维基材料具有组分可调控性广、柔性自支撑能力强和规模化生产能力好等特点,使其在水系锌离子电池中得到广泛的研究和应用.根据静电纺丝技术特点和水系锌离子电池的储能特性,总结分析了静电纺丝纤维基材料在电极活性材料和电极隔膜中的研究进展,并对静电纺丝技术在水系锌离子电池中存在的问题和发展方向进行评述.     

电控煤基炭膜基于双电层效应高效分离稀溶液中铅离子

选用煤基管状炭膜作为电控离子交换膜电极,利用双电层-电控离子交换机制分离稀溶液中Pb~(2+),考察了操作方式(静态、动态)、膜电极电位、Pb~(2+)初始浓度和共存阳离子对Pb~(2+)电控分离性能的影响。实验结果表明:炭膜作为石墨化多孔炭材料,具有良好的电活性;在负电位条件下,利用炭膜电极表面与离子形成的双电层效应和含氧官能团的络合作用共同实现了Pb~(2+)的高效分离;在动态渗透过程中,吸附电位为-5 V时,渗透液中始终未检测到Pb~(2+);在多种阳离子共存溶液中,炭膜对Pb~(2+)仍然保持100%的去除率;此外,炭膜在5次吸脱附循环后,去除率仍可达96%,表现出良好的再生性能及循环稳定性。     

全钒液流电池的稳态充电数值模拟

为研究大容量蓄电储能全钒液流电池的充电能力,建立基于电池内部传递与反应相耦合的机理模型,模拟电池二维、等温、稳态、充电的状态,得到电池极化的比重数据,并从机理出发深入分析极化的主要来源.通过数值模拟碳毡电极电导率对电极过程的影响,给出反应区域的二维分布特点及规律.研究结果表明:欧姆极化约占总极化电压的50%,浓差极化约占30%,动力学极化占20%;反应区域的分布与多孔电极电导率及电解液电导率的相对大小有关,电流总是选择电阻较小的方式传导.     

混合离子电子传输理论及其在固体氧化物导体中的应用

混合离子电子导体（MIECs）作为一种重要的电催化剂,广泛应用于各类电化学反应装置中,如可逆固体氧化物燃料电池,可充放电的金属–空气电池以及透氧膜等。MIECs可同时传导离子和电子,是其具有电催化活性的关键。为了开发高性能混合离子电子导体,我们需要深入理解该类材料内在的传导机制。本文将基于不可逆过程热力学,系统介绍传统的离子/电子传输理论,并简要综述该理论在具有氧空位缺陷及空穴/电子导电性的金属氧化物中的应用。本文将以CeO₂-基和LaCrO₃-基氧化物材料体系的研究为主,简述离子/电子传输理论的应用实例,如预测混合离子电子导体中的氧分压梯度分布,电化学离子/电子泄漏电流,以及外部负载电流对泄漏电流的影响。     

双离子电池的研究与应用

锂离子电池(LIBs)是目前人类必不可缺的储能设备之一,可应用于手机、电脑、数码相机、电动汽车以及智能电网等方面.但由于锂资源的有限及其在地壳中分布不均等问题,导致了锂离子电池的制造成本逐渐增加,因此开发低成本、安全、高性能的新型储能器件迫在眉睫.双离子电池(DIBs)因其具有低成本、高能量密度、环保等优点成为人们的研究热点.本文将从双离子电池机理和结构设计进行分析,阐述双离子电池的应用以及双离子电池目前所存在的问题.     

多种光伏组件组合光伏电站的混合储能容量优化配置研究

随着世界各国对太阳能资源开发的日益重视,光伏产业得到快速的发展.然而,由于太阳能资源具有随机性和波动性强的特点,使得光伏电站出力波动性较大、电能质量较差,进而导致光伏电站并网难度增加.为提高光伏电站的出力稳定性、保证电能质量,采用多种光伏组件互补运行的方式和为光伏电站合理配置混合储能系统是有效的方法.针对多种光伏组件组合光伏电站的混合储能容量优化配置问题,提出一种统计分析与数学模型相结合的配置方法.该方法采用小波分解将不同天气类型对应的典型光伏出力分解为近似信号、高频波动信号和低频波动信号,并提出采取能量型储能技术和功率型储能技术分别平抑低频波动和高频波动的思路;结合各天气类型的时间占比,对高、低频波动信号进行统计分析以确定混合储能的功率;构建以全生命周期成本最小与目标出力满足度最大为目标的混合储能容量优化配置模型,并采用遗传算法求解模型以确定最优的混合储能容量配置方案.本文以青海共和55 MW光伏实证基地为实例,通过对9种不同混合储能组合计算结果的比选,得到了最优混合储能配置方案——超级电容(4.6 MW/(1.21 MW·h))+全钒液流电池(9.2 MW/(6.26 MW·h)).光伏电站出力优化结果显示:所提出的配置方法可行且有效,实施提出混合储能配置方案后,光伏电站出力波动性显著降低,出力稳定性和电能质量得到显著提高.