张华民∣液流电池储能技术及应用

为实现“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标，要深化以新能源为主体的新型电力系统。2060 年的能源供给体系将会以“新能源+新型储能”的方式存在，这种供给体系既能有效降低碳排放，达到“碳中和”目标，又能提供安全稳定的电力能源。

我国的风能、太阳能等可再生能源发电装备的制造技术和制造能力已经非常成熟，技术国际领先。新型储能技术将是瓶颈技术之一。如果要求可再生能源发电配 10%～20%的储能装备，巨大的储能市场，特别是长时储能（8h以上储能时间）市场，将极大地推动储能产业的发展。实现双碳目标为储能产业的发展和技术应用提出了新的要求，也为储能产业的快速发展提供了机遇。

为适应不同应用领域对储能技术的需要，人们已探索和研究开发出多种电力储存（储能）技术，图1 给出了已开发的各种储能技术及其适用范围，这些储能技术各自具有其应用领域和独特的技术经济。

图1 已开发的各种储能技术及其适用范围

大规模电池储能技术需要满足的基本要求中，安全性是重中之重。

已经实用化的大规模储能技术主要包括物理储能和电化学储能。电化学储能技术是指利用电化学反应装置，通过电化学反应实现化学能与电能之间的相互转换，实现电能的大规模储存和释放。用于风能、太阳能发电的储能技术主要包括先进锂离子电池技术、先进液流电池技术、铅炭电池技术、钠基电池技术等。电化学储能技术根据储能电池种类的不同，既可适用于发电端储能需求，又可适用于输配电及用户端储能需求，是近些年电力储能行业发展的重点。

液流电池的概念是由 L. H. Thaller[美国国家航空航天局（NASA）Lewis 研究中心]于 1974 年提出的。液流电池储能技术是利用正、负极储能活性物质价态的变化来实现电能的储存和释放。液流电池的种类很多，实现了产业化应用且具有很好市场前景的是无机电解质的全钒液流电池、锌基液流电池等，因此，无机电解质的液流电池近年来已成为国际上基础研究和工程应用开发的热点。液流电池尤其是全钒液流电池由于具有储能规模大、安全性高、充放电循环寿命长、生命周期中性价比高、环境负荷小、电池材料可循环利用、环境友好等优点，近年来越来越得到世界各国的重视，发展越来越快，技术越来越成熟，成本越来越低，具有十分巨大的市场前景。

如图2所示，与一般传统的电池不同的是，双液流电池（如铁/铬液流电池、全钒液流电池、多硫化钠/溴液流电池等）的正极和负极的储能活性物质电解液储存于电池外部的储罐中，通过电解液循环泵和管路输送到电堆内部并在电极上实现充放电反应，因此液流电池的输出功率与储能容量可独立设计。

图2 双液流电池原理示意图

《液流电池储能技术及应用 》作者中国科学院大连化学物理研究所张华民研究员从1982 年在日本留学时就开始了燃料电池相关技术的研究， 2000 年回国后开始布局液流电池技术的研究开发，在液流电池关键材料、核心部件、储能系统设计集成、控制管理等方面都取得了国际领先的成果，到 2019 年年末，已经在液流电池领域获得国家授权专利 260 余件，形成了完整的自主知识产权体系。作者的研究团队先后开展了多硫化钠/溴液流电池、全钒液流电池、锌/溴液流电池、锌/镍液流电池和锌/铁液流电池的电解液、电极双极板、新型离子交换（传导）膜等关键材料及电堆等核心部件的研究和工程开发，液流电池储能模块和大规模液流电池的系统设计、制造、集成和控制管理技术的研究开发及其工程化、产业化技术平台建设和工程应用示范，使我国全钒液流电池储能技术处于国际领先水平。

张华民研究员

近几年，中国科学院大连化学物理研究所-大连融科储能技术发展有限公司合作团队，在电池材料，包括电解液、非氟离子筛分传导膜、碳塑复合双极板、电堆结构设计和组装技术方面都取得了一系列的技术进步，同时，通过数值模拟和实验验证相结合的方法，掌握了高功率密度电堆的设计方法，大幅度降低了电堆的欧姆极化，从而在保持电堆充、放电能量效率大于80%的前提下，电堆的工作电流密度由原来的80 mA/cm 2 提高到300 mA/cm2，从而大幅度降低了全钒液流电池的制造成本。国电龙源卧牛石风电场5 MW/10MW·h全钒液流电池储能系统是其经典应用示例，是迄今全球兆瓦级液流电池系统运行时间最长的项目，充分验证了全钒液流电池储能技术的可靠性和稳定性，积累了大量的实际运行数据和工程建设、维护经验。

全钒液流电池工作原理示意图

全钒液流电池技术相对于其他储能技术具有以下优势。

（1）全钒液流电池储能系统运行安全可靠，全生命周期内环境负荷小、环境友好。

（2）全钒液流电池储能系统的输出功率和储能容量相互独立，设计和安置灵活。

（3）能量效率高，启动速度快，无相变化，充、放电状态切换响应迅速。

（4）全钒液流电池储能系统采用模块化设计，易于系统集成和规模放大。

（5）具有强过载能力和深放电能力。

本书是在作者持之以恒 20 年获得的液流电池关键材料、核心部件、系统集成、工程制造、应用示范及标准化工作的研究经验和技术积累基础上撰写而成，是十三五国家重点出版物出版规划项目“能源化学与材料丛书”分册，并荣获2021年度国家科学技术学术著作出版基金资助出版。

液流电池储能技术及应用

张华民 著

北京：科学出版社，2022.2

（能源化学与材料丛书 / 包信和总主编）

“十三五”国家重点出版物出版规划项目

ISBN 978-7-03-071401-5

丛书策划：杨 震

责任编辑：李明楠， 孙静惠

内容简介

本书共分为9章。第1章概要介绍适用于大规模储能的锂离子电池、钠硫电池、铅炭电池等电化学储能技术；第2章综合介绍液流电池的结构与组成、分类与特点及各种无机储能活性物质（电对）的液流电池技术的结构特点和研究开发进展；第3章、第4章、第5章分别详细介绍液流电池电解液、电极与双极板、离子交换（传导）膜等关键材料的功能、特点及技术发展现状；第6章全面介绍已实现了产业化应用且在长时段储能中具有广阔应用市场的全钒液流电池电堆及电池系统的结构、设计原则及方法、发展现状与挑战；第7章介绍数值模拟与结构设计及其在液流电池中应用的研究进展；第8章介绍水系、非水系液流电池技术的研究进展及发展前景；第9章举例介绍液流电池储能技术的应用。

（本文编辑： 王芳）

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