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.     

液流电池储能的非并网风电系统

文中设计了一种带储能装置的非并网风电系统。采用液流电池作为储能装置,以减小风能的波动性对供电质量带来的影响。在Matlab环境下建立了系统的仿真模型,通过仿真结果证明了系统的可行性与有效性。     

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。     

考虑含全钒液流电池储能系统的广义综合负荷模型

构建了适用于电网仿真的全钒液流电池(all-vanadium redox flow battery,VRB)模型,研究了VRB储能系统的外特性.从外特性等效拟合的原理出发,忽略VRB系统的无功功率,提出了VRB储能系统的等效模型.该模型结构简单,参数少,易于辨识,能够有效拟合电网在大扰动和连续小扰动情况下的储能系统外特性,其优势在于能够模拟电池储能的出力极限情形.建立了所提出的VRB等效模型与考虑配电网参数和无功补偿的传统负荷模型并联的广义综合负荷模型(Generalized Synthesis Load Model,GSLM),对含VRB储能系统的配电网广义综合负荷特性进行辨识建模.算例表明,与传统综合负荷模型相比,该GSLM能够更精确描述含储能系统的配电网综合负荷特性,VRB在综合负荷中比例越大,这种优势越明显,且模型参数辨识结果具有较好的稳定性和综合描述能力.     

电池装配力对全钒液流电池性能的影响

目的研究全钒液流电池组装预应力对电池性能的影响.方法基于固体力学、流体力学和电化学原理,建立二维模型.模型耦合了固体力学的本构方程和流体控制方程、Nernst-Planck电流分布方程,分析组装预紧力对石墨毡内应力、变形、孔隙率和电流密度分布的影响.结果预紧力的增大加剧了石墨毡内应力、变形和孔隙率的不均一性,从而导致全钒液流电池内电流密度分布的不均衡性.结论随着装配预应力的增大,石墨毡内应力和变形分布不均匀性加剧;预应力越大,孔隙率分布不均匀性越剧烈;预应力越大,石墨毡内电流密度不均匀性越剧烈.     

全钒液流电池电极材料的研究进展

介绍了全钒液流电池的结构、原理、特点及其发展过程,对制约全钒液流电池发展的电极材料这一关键组成作了论述.从电极材料的对比分析、电极改性方法的介绍及其电化学性能的优化机制等方面,综述了钒电池电极材料的发展过程及现状.     

铁-铬-镍系耐热合金的焊接工艺分析

耐热高温合金广泛应用于航空航天、船舶等行业,其焊接技术和焊接性能一直是研究的重点.分析了铁-硌-镍系的Incoloy800耐热合金、铸造耐热不锈钢炉管(HK-40)和HP45NbTi铸造耐热不锈钢的化学成分,结合所选用的焊接材料,讨论了这三种耐热合金适宜的焊接工艺.     

含铬污泥中铬、铁分离研究

采用硫酸浸出了含铬废水处理污泥，采用磷酸萃取剂分离溶液中的铁，考察了主要的工艺条件。实验结果表明：硫酸溶液可用来浸出含铬污泥，固液比l：20，温度50℃的条件下获得最佳浸出效果，铬浸出率接近100％。磷酸萃取剂可以用来萃取分离铁，适宜的浸出液pH值为1．5左右。在反应时间12h、有机相与水相比为2：l、萃取剂占有机相比例为40％的条件下，可获得最佳分离效果。     

大规模高效液流电池储能技术的基础研究

该研究在前期工作基础之上,继续对大规模高效液流电池反应机理、材料的构效关系、材料的组分设计与制备方法、发电、储电、电能变换、用电多体系的系统耦合和综合能量管理控制策略等基础科学理论展开研究,取系列重要研究成果:在膜材料研究方面,突破了传统的离子交换传递机理的束缚,完善了原创性的离子筛分传导概念,设计合成出不含离子交换膜基团、孔径可控的多孔离子传导膜。突破性的解决多孔离子传导膜选择性与导电性的矛盾。创制出高性能、高稳定性、低成本的非氟多孔离子传导膜,经10000多次充放电循环考核,电池性能无明显衰减,验证了离子筛分传导概念的正确性。从根本上解决了非氟离子交换膜稳定性差的难题。电池结构设计方面,过研究电堆内部极化特性,明确了影响电池性能的关键因素。通过材料创新和结构设计创新,开发出高功率密度电堆。开发出的2kW电堆的工作电流密度由原来的80mA/cm~2提高到160mA/cm~2。大幅度降低了液流电池的制造成本。提出了大规模液流电池储能系统模块化设计理念,开发出不同规模等级的液流电池单体电堆和储能系统单元模块,发明了单元储能系统组合、多系统耦合技术;漏电电流与系统功耗调控技术;储能系统运行状态监控、预测诊断与自修复管理控制策略,提高了液流电池储能系统的能量效率、运行稳定性和安全可靠性。该技术成功应用于全球最大规模的5MW/10MW·h液流电池商业化应用系统。     

添加剂对全钒液流电池电解液的影响

采用化学还原法由V2O5制备了V(Ⅳ)、V(Ⅲ)离子硫酸溶液,结合原子发射光谱法测定了多种添加剂对钒离子浓度的影响,并采用循环伏安法研究了添加剂加入后电解液在铂电极上的电化学行为.结果表明,多种添加剂加入后电解液中钒离子浓度有所增加,但对钒离子硫酸溶液的电化学可逆性以及溶液电导率基本没有影响.     

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.     

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.     

新型高磁能铁铬钴钼柱晶永磁合金研究

本文研究了新型高磁能铁铬15钴-2钼-0.5钛柱晶永磁合金。该合金最佳磁性为:B_r=14900高斯,H_c=680奥斯特,(BH)_m=7.4×10~6高奥,达到了国内先进水平。在扬声器、测振仪传感器、电表、自动控制仪表上试用效果良好。 研究了添加元素钼、钛、硫对磁性及柱晶的影响,发现添加钼未增加磁晶各向异性,而回火则大大提高合金的单轴各向异性。 本文研究了柱晶合金斯皮诺达分解产物a_1相的形貌和分布与热处理工艺的关系,给出了透射电镜照片。     

铬渣中铬和铁的光度法测定

本文利用三价格与ＥＤＴＡ在弱酸性溶液中能生成紫红色配合物和三价铁直接丐ＫＳＣＮ显红色的特性，不加任何掩蔽剂，用分光光度法直接测定电镀含铬废渣中的Ｇｒ（Ⅲ）和Ｆｅ（Ⅲ）的含量。     

PVA-ZrP复合膜作为全钒液流电池隔膜的研究

采用浇铸浸渍法制备了PVA-x%ZrP(磷酸锆)(x=10, 15, 20)复合膜. 采用红外光谱(IR)和差热分析(DTA)对膜进行表征. 考察复合膜在不同电流密度(0～70 mA/cm2)下的膜压降和对VO2 /VO 2离子的渗透性. IR研究结果表明, 复合膜中ZrP与PVA间产生相互作用, 使得PVA的微观结构发生变化. 复合膜在165～170 ℃之间出现强吸热峰, 这是由于磷酸锆脱去结晶水及PVA分子内脱去化学吸附水, 于220 ℃开始出现一个较强的放热峰, 表明PVA的分子内羟基缩合脱水和磷酸锆开始发生相变. 复合膜的膜压降除了与电解液硫酸浓度有关外, 还与其中的ZrP含量有关, ZrP含量增加, 膜压降也提高, 但离子选择性也增加, 表明复合膜由其微结构中的电解液导电逐步向ZrP导电过渡;所制备的复合膜中, PVA-15%ZrP具有较好的综合性能.     

三乙醇胺对全钒液流电池正极电解液的影响

通过热稳定性考察、紫外-可见吸收光谱、循环伏安和充放电测试,研究了三乙醇胺作为全钒液流电池正极电解液添加剂对电化学活性和5价钒电解液热稳定性的影响.实验结果表明,三乙醇胺对电解液的热稳定性有较大的提高,5价钒离子浓度在50℃下保存12h后仍有1.08mol/L,高于空白电解液的0.16mol/L.由可紫外-可见吸收光谱可知,三乙醇胺的加入没有改变钒的成键方式.同时,三乙醇胺对正极电解液的电化学活性和可逆性也有提高,有更高的峰电流和更小的峰电位差,组装的电池前30个循环平均能量效率可达80.4%,高于空白电池的1.4%.     

过度充电对全钒液流电池性能的影响

目的研究过度充电对全钒液流电池性能和使用寿命的影响.方法通过试验获得全钒液流电池的充放电特性和交流阻抗特性;采用扫描电镜获得过度充电后电池电极和质子交换膜表面特征;运用等效电路法获得过度充电后全钒液流电池内部阻抗等效元件和等效电路,分析过度充电对电池等效元件阻抗的影响;运用SEM图解释等效阻抗变化规律.结果过度充电后,钒液流电池交流阻抗图谱出现Warburg阻抗区,电池流场、电极石墨毡和质子交换膜均出现不同程度的腐蚀现象.结论过度充电后,电池内部电荷传递阻力和石墨毡内反应物、生成物的扩散阻力增大,等效欧姆阻抗增大,而对法拉第阻抗影响较小.     

液流电池技术评价指标的发展及其应用

因不同种类的液流电池各有特点,其技术评价指标也各不相同甚至相互对立.迄今为止,对液流电池技术评价指标的有效选取还不清晰、不统一,尚无专门的论述.研究了液流电池技术评价指标的发展过程,阐明了评价指标的选择方法,即系统能量效率是首要的评价指标.在保持高能量效率的前提下,针对不同液流电池的种类和特点,分别将功率密度或能量密度作为重要的指标,并分别对这些指标在液流电池中的应用和对液流电池技术的促进作了介绍.最后,讨论了不适合以系统能量效率作为评价指标的几种情况.     

电池储能系统对风力发电系统可靠性的影响

为提高风力发电机组对发电系统可靠性的贡献,将电池储能系统（BESS）接入风电场的汇流母线,并以电力不足期望与电量不足期望为可靠性衡量指标,利用序贯蒙特卡洛技术评估BESS对发电系统可靠性的影响。考虑到BESS在生命周期内的充、放电次数有限,为延长其使用寿命,严格控制BESS运行过程中的不完整充、放电循环。基于RETS测试系统的仿真结果表明,在不显著消耗BESS循环寿命的情况下,BESS可有效提高风力发电机组对发电系统可靠性的贡献。     

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。