【正文】 對(duì)電解質(zhì)溶液的粘度、離子配位狀態(tài)、穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。電解質(zhì)中的雜質(zhì)元素的種類和濃度也會(huì)嚴(yán)重影響電解質(zhì)溶液的穩(wěn)定性。高濃度、多價(jià)態(tài)、多組分復(fù)雜電解質(zhì)溶液的穩(wěn)定化已成為制約液流儲(chǔ)能體系能量密度提高的難題。 為解決上述問題，需要加深理解和認(rèn)識(shí)電解質(zhì)活性物質(zhì)在高濃度溶液 中的存在形式與狀態(tài)，電極界面的反應(yīng)特性以及在外場(chǎng)作用下活性離子的物理化學(xué)性能的變化規(guī)律。為此，設(shè)置如下研究?jī)?nèi)容： 高濃度液流儲(chǔ)能電池電解質(zhì)溶液的制備方法研究 以不同種類釩的氧化物為原料 , 采用自催化、化學(xué)還原、電化學(xué)等多種方法制備液流電池用電解液。比較不同制備方法獲得的電解液的濃度、初始酸度、反應(yīng)溫度與時(shí)間等因素對(duì)電解液物理、化學(xué)特別是電化學(xué)性能的影響行為與機(jī)制，建立構(gòu)效關(guān)系，優(yōu)化制備條件。 溶液中低價(jià)態(tài)釩物種存在形態(tài)的在線分析方法 目前，低價(jià)釩物種的分析均采用離線分析方法。在較 高的酸性溶液中，極少量的空氣即可將低價(jià)釩迅速氧化，造成分析結(jié)果不準(zhǔn)，無法提供低價(jià)釩物種存在形式與狀態(tài)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。課題擬研究溶液中低價(jià)態(tài)活性物的組成、荷電狀態(tài)、溫度與 pH 等條件下不同釩化合物的硫酸溶液的拉曼、紅外以及紫外 可見光譜圖等。采用小波分析方法確定釩物種在不同電解液體系的存在形態(tài)所對(duì)應(yīng)的精細(xì)特征譜圖，并與電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，建立低價(jià)釩物種的在線分析方法。 高濃度全釩液流儲(chǔ)能電池電解質(zhì)溶液穩(wěn)定化機(jī)制研究 不同釩物種有一定的溶解度， V(Ⅱ )、 V(Ⅲ )和 V(Ⅳ )隨著溫度升高溶解度增大，但 V(Ⅴ )在溫度較高時(shí)容易發(fā)生沉淀析出，由此導(dǎo)致儲(chǔ)能電池系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。課題將系統(tǒng)全面考察電解液穩(wěn)定性的影響因素 ， 建立釩電解液的穩(wěn)定化機(jī)制和調(diào)控方法。 高效能單液流電池電解質(zhì)溶液研究 研究流動(dòng)的濃電解質(zhì)溶液中金屬離子沉積的電化學(xué)反應(yīng)過程，以及電解質(zhì)溶液組成、濃度、活性離子存在狀態(tài)、配體和添加劑對(duì)沉積 /溶解過程的影響；考察溶液中活性物質(zhì)濃度的提高與支持電解質(zhì)濃度、溶液粘度、溫度、導(dǎo)電性的關(guān)系；尋求金屬的快速均鍍及溶解的最佳條件；獲得最優(yōu)化的電解液調(diào)配方法、維護(hù)方式及電池長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的調(diào)控機(jī)制。 離子交換膜材料的組分、結(jié)構(gòu)對(duì)物性的影響機(jī)理及膜的材料設(shè)計(jì)理論和制備方法研究 在液流儲(chǔ)能電池中，離子交換膜起著阻隔正極和負(fù)極電解液、避免電池自放電引起能量損失、同時(shí)通過離子的傳導(dǎo)形成電池內(nèi)電路。由于多價(jià)態(tài)釩離子在膜內(nèi)傳遞現(xiàn)象以及電解液中的離子水合狀態(tài)十分復(fù)雜，迄今為止，人們對(duì)液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)離子交換膜的選擇滲透性、化學(xué)穩(wěn)定性與膜材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系，缺乏深入的研究，具有離子分離功能的膜材料制備更多依賴于經(jīng)驗(yàn)。亟需認(rèn)識(shí)膜內(nèi)離子遷移的傳導(dǎo)機(jī)理，掌握高選擇性、高電導(dǎo)率和高穩(wěn)定性離子交換膜的構(gòu)效關(guān)系，建立膜性能調(diào)控機(jī)制的 基礎(chǔ)理論。 揭示離子傳導(dǎo)性、選擇性與膜材料的化學(xué)組成和微結(jié)構(gòu)，以及微結(jié)構(gòu)參數(shù)與制備過程控制參數(shù)的定量關(guān)系，發(fā)展面向液流電池儲(chǔ)能的膜材料設(shè)計(jì)理論與制備方法。 針對(duì)上述科學(xué)問題，采用理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證緊密結(jié)合的方法，從分子水平 揭示材料制備與應(yīng)用過程的科學(xué)原理。 采用微觀基團(tuán)概念和分子模擬方法，結(jié)合原子力顯微鏡等現(xiàn)代材料表征手段，對(duì)離子交換膜材料的分子聚集體化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)與帶電粒子選擇性滲透之間的關(guān)系進(jìn)行研究。 揭示制備過程控制參數(shù)對(duì)膜材料化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，建立面向液流儲(chǔ)能電池過程的離子交換膜材料設(shè)計(jì)理論與 方法。 離子交換膜表面的熱力學(xué)吸附平衡研究 釩離子在離子交換膜內(nèi)的 遷移 過程，由離子基團(tuán)在膜表面的離子交換速率和膜中的遷移速率共同決定，可用吸附－擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行描述。改變離子交換膜內(nèi)固定電荷的種類、組成、數(shù)量，能夠定量調(diào)控固定電荷密度，進(jìn)而影響電解液中多種價(jià)態(tài)的陽離子、陰離子、水合離子，以及電解液穩(wěn)定劑在離子交換膜表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附過程。通過抑制釩離子在膜表面的吸附，能夠有效降低釩離子滲透速率，提高膜的選擇性，減小自放電。 離子交換膜內(nèi)的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理與影響規(guī)律研究 揭示氫質(zhì)子在膜內(nèi)遷移， 實(shí)現(xiàn)電流傳導(dǎo)的過程機(jī)理，揭示離子交換膜材料的官能團(tuán)種類、化學(xué)構(gòu)造、物理結(jié)構(gòu)對(duì)質(zhì)子遷移速率的影響規(guī)律。采用小角 X 衍射技術(shù)分析膜的物理結(jié)構(gòu)、電化學(xué)阻抗方法研究離子交換膜內(nèi)固定電荷的化學(xué)官能團(tuán)對(duì)離子通道的結(jié)構(gòu)與離子遷移過程的影響。分別考察在復(fù)合外場(chǎng)條件下（濃度場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力場(chǎng)等）離子遷移的變化規(guī)律，探討新型離子交換膜分子設(shè)計(jì)方法，形成分子水平的微觀離子通道定量調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)離子交換膜的高選擇性、高電導(dǎo)率和高穩(wěn)定性。 離子交換膜的長(zhǎng)期與運(yùn)行穩(wěn)定性研究 通過極限條件下加速材料老化的方法，研究離子交換膜在 液流電池中的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。利用超高電位、強(qiáng)氧化還原環(huán)境，以及溫度變化等手段，采用電化學(xué) 紅外、電化學(xué) 質(zhì)譜等原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)，表征膜材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。把液流電池性能實(shí)驗(yàn)與微觀分析結(jié)果相結(jié)合，確定環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、電化學(xué)性能優(yōu)異的離子交換膜材料。在解明膜材料老化與分子降解機(jī)理研究基礎(chǔ)上，建立膜材料穩(wěn)定性調(diào)控理論和技術(shù)方法。 新型離子交換膜分子設(shè)計(jì)與制備方法研究 a) 偏氟類聚合物離子交換膜 以化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的聚偏氟乙烯（ PVDF）為基體原料，通過體相聚合或原位接枝等途徑導(dǎo)入磺酸基團(tuán)，形成質(zhì)子傳導(dǎo)性高和 釩離子遷移率低的聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)型離子交換膜。通過設(shè)計(jì)質(zhì)子傳導(dǎo)功能單體的基團(tuán)組成、分子結(jié)構(gòu)，合理調(diào)控聚偏氟乙烯基體與質(zhì)子傳導(dǎo)基團(tuán)的相互作用，實(shí)現(xiàn)親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)平衡，有效抑制膜材料溶脹。另外在 PVDF 基體內(nèi)混入無機(jī)納米顆粒（ SiO Al2O TiO2 等）進(jìn)一步提高膜的機(jī)械強(qiáng)度和力學(xué)性能。 b) 烴類聚合物離子交換膜的研究 液流電池儲(chǔ)能技術(shù)最終能否普及應(yīng)用的關(guān)鍵在于其技術(shù)是否有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，全釩液流儲(chǔ)能電池使用的是杜邦公司的 Nafion 115膜或 Nafion 117 膜，每平方米膜的價(jià)格在 800 美元以 上。由于價(jià)格昂貴，嚴(yán)重阻礙了液流儲(chǔ)能電池的普及應(yīng)用。全氟磺酸膜材料由于合成工藝的復(fù)雜性，生產(chǎn)成本很高。本課題擬以化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性較高的烴類高分子聚合物為離子交換膜材料，研究高性能、低成本液流儲(chǔ)能電池用新型膜材料。 c) 兩性離子交換膜的探索 陰陽離子兩性離子交換膜綜合陽離子膜和陰離子膜的各自優(yōu)勢(shì)，既能抑制釩離子的滲透又能保證較高的質(zhì)子電導(dǎo)率。本項(xiàng)目擬通過兩種途徑制備陰陽離子復(fù)合膜：一是合成本體同時(shí)具有陰、陽離子交換能力的雙離子膜；此外，還可以利用液流電池正負(fù)極電解液中釩離子形成不同水合物特性，探索雙極性 膜在液流電池過程的應(yīng)用特性。 多場(chǎng)作用下的電極反應(yīng)機(jī)理、電極材料的設(shè)計(jì)理論和制備方法研究 多場(chǎng)協(xié)同作用下的電極反應(yīng)機(jī)理 電極表面電化學(xué)反應(yīng)活性與電極材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及表面形態(tài)密切相關(guān)。通過研究炭氈與碳塑復(fù)合極板的表面特性、導(dǎo)電性及結(jié)構(gòu)對(duì)其電化學(xué)反應(yīng)活性及電池性能的影響規(guī)律，揭示多場(chǎng)協(xié)同作用下電極過程動(dòng)力學(xué)及電極表面副反應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理和原因。在此基礎(chǔ)上，研究電極材料的表面改性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立提高電極反應(yīng)活性和選擇性，降低電子傳導(dǎo)阻力的策略和方法。 電極極板材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制 備 系統(tǒng)研究和理解電極極板材料的結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系，揭示電極極板材料在強(qiáng)氧化性及電池工作的電場(chǎng)環(huán)境中的腐蝕機(jī)理及抑制方法。在此基礎(chǔ)上，研究電極極板的材料組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和制備工藝，降低電極與極板間的接觸電阻。 高效能液流儲(chǔ)能電池新體系關(guān)鍵材料及電池系統(tǒng)研究 本項(xiàng)目以變價(jià)離子電對(duì)、溶液化學(xué)及電化學(xué)相結(jié)合的研究為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究具有高能量密度、高效能的單液流儲(chǔ)能新體系和改進(jìn)鋅溴體系。通過將電池正負(fù)極之一或雙極設(shè)計(jì)成沉積 /溶解過程，探索和研究不用離子交換膜的單液流儲(chǔ)能新體系。針對(duì)液流沉積型電對(duì)的電 沉積 /溶解氧化還原反應(yīng)，探索符合單液流儲(chǔ)能電池應(yīng)用的電極材料和電解質(zhì)體系，研究液流沉積型電對(duì)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、電極極化行為和相關(guān)反應(yīng)機(jī)理，考察單電極充放電性能，確定液流沉積型電對(duì)高速、高比容量沉積和溶解的最佳條件。研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高離子傳導(dǎo)率、高選擇性、低成本的阻溴復(fù)合膜材料，提高鋅溴電池的運(yùn)行穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。探討適合全液相液流儲(chǔ)能的新電對(duì)，探索具有高穩(wěn)定性、高能效的全液相液流儲(chǔ)能新體系?；陔妼?duì)的電化學(xué)研究和電解質(zhì)溶液的物理化學(xué)特性研究，根據(jù)液流規(guī)模儲(chǔ)能的特點(diǎn)和要求，研究正 /負(fù)電極的匹配規(guī)律，設(shè)計(jì) 和組裝液流儲(chǔ)能新體系電池，闡明電池的工作原理和應(yīng)用性能。在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)電池和流道結(jié)構(gòu)，研究大面積單電極的均勻反應(yīng)性能、材料加工技術(shù)和電 池模塊 組配技術(shù)，獲得電 池模塊 設(shè)計(jì)和系統(tǒng)工程放大的原則和規(guī)律。利用和融合本項(xiàng)目其它課題在新型關(guān)鍵材料、基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究成果，發(fā)展高效能、高能量密度、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和應(yīng)用前景的新型液流儲(chǔ)能電化學(xué)體系。 液流儲(chǔ)能電池模塊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與規(guī)模放大的模擬仿真理論及系統(tǒng)集成方法研究 液流儲(chǔ)能電池是由多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的單元部件構(gòu)成。電池運(yùn)行涉及非穩(wěn)態(tài)強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱及電化學(xué)反應(yīng)等 復(fù)雜因素。在實(shí)際應(yīng)用中，大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率一般在數(shù)十千瓦至數(shù)兆瓦，儲(chǔ)電容量一般在數(shù)兆瓦時(shí)至數(shù)百兆瓦時(shí)。系統(tǒng)通常是由多個(gè)數(shù)十千瓦的電池模塊組合而成。而電池模塊和電池系統(tǒng)的規(guī)模放大決不是簡(jiǎn)單的尺寸上的增大，而是需要對(duì)電池模塊和電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決電池模塊內(nèi)電極表面及單電池相互之間和電池模塊與模塊之間電解液傳質(zhì)均勻性問題，從而提高電池的運(yùn)行電流密度，增加系統(tǒng)比功率，有效降低成本。 本課題擬通過模擬仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究大功率液流儲(chǔ)能電池內(nèi)電極表面及各單電池內(nèi)電解質(zhì)溶液傳質(zhì)的均勻性和電流密度分布均勻性與電池結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)?？疾祀娊赓|(zhì)溶液的濃度、流速、溫度、充放電模式、運(yùn)行電流密度對(duì)電池模塊性能的影響規(guī)律。研究電池系統(tǒng)內(nèi)單電池的組合方式及公用管道結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。發(fā)展電流密度均勻分布調(diào)控方法，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立電池模塊及電池系統(tǒng)規(guī)模放大的數(shù)學(xué)模型和基礎(chǔ)理論，制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與規(guī)模放大原則和策略。 大規(guī)模液流儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)耦合及綜合能量管理控制策略的基礎(chǔ)研究 大規(guī)模高效液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)涉及發(fā)電裝置、液流儲(chǔ)能電池裝置、電力電子變換裝置、用電負(fù)荷或電力系統(tǒng)等多個(gè)組成體系，是電化學(xué)、化工和電氣等相互耦合的復(fù)雜動(dòng)態(tài)體系，其運(yùn)行特性與液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的組合方式、容量大小以及電力變換器、用電負(fù)荷、控制方式等多種因素相關(guān)。如何在保證系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提升整個(gè)系統(tǒng)的能量效率、經(jīng)濟(jì)性和可靠性是大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)用化過程中必須解決的關(guān)鍵問題。為此，本項(xiàng)目將高效電力變換技術(shù)、系統(tǒng)仿真建模技術(shù)、先進(jìn)傳感與通訊技術(shù)及現(xiàn)代優(yōu)化控制理論相結(jié)合，深入分析大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各組成單元與系統(tǒng)及電網(wǎng)的耦合機(jī)理，充分認(rèn)識(shí)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行特性的影響，建立適合大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)耦合控制 方法及綜合能量管理策略。 主要研究?jī)?nèi)容包括：大規(guī)模液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效電能變換耦合機(jī)理及系統(tǒng)集成方法、大規(guī)模液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制理論、大規(guī)模液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化控制與綜合管理策略、含大規(guī)模液流儲(chǔ)能的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的綜合仿真與實(shí)驗(yàn)研究。 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo) 發(fā)電、輸電、配電、儲(chǔ)電、用電是電力產(chǎn)業(yè)鏈的五大重要環(huán)節(jié)，而規(guī)?；咝?chǔ)能技術(shù)是迫切需要但又急待解決的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是解決可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性，改善可再生能源發(fā)電質(zhì)量，推進(jìn)可再生能源普及應(yīng)用的重要技術(shù)。 通過本項(xiàng)目的實(shí)施，在大 規(guī)模高效液流儲(chǔ)能電池反應(yīng)機(jī)理和調(diào)控機(jī)制、材料的構(gòu)效關(guān)系、材料的組分設(shè)計(jì)與制備方法等科學(xué)基礎(chǔ)理論方面取得突破；形成高性能、低成本液流儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料的規(guī)模制備工藝；提出大功率、高效、高比功率液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法；建立發(fā)電、儲(chǔ)電、電能變換、用電多體系的系統(tǒng)耦合和綜合能量管理控制策略的理論體系和方法；獲得一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原始創(chuàng)新成果，培養(yǎng)和造就一批年富力強(qiáng)的液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的學(xué)術(shù)帶頭人和高素質(zhì)研究人才團(tuán)隊(duì)；提高我國(guó)在大規(guī)模高效液流電池儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)研究水平和技術(shù)創(chuàng)新能力，滿足節(jié)能減排重大國(guó)策及可再 生能源普及應(yīng)用對(duì)大規(guī)模高效儲(chǔ)能技術(shù)的重大需求。 五年預(yù)期目標(biāo) （ 1）闡明液流儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料的組成、結(jié)構(gòu)與物性的構(gòu)效關(guān)系；揭示電池相關(guān)反應(yīng)機(jī)理以及對(duì)電池性能的影響規(guī)律；發(fā)展材料形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及性能的實(shí)時(shí)表征方法；構(gòu)建液流儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料組分與性能調(diào)控機(jī)制；建立和完善大規(guī)模高效液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)理論和工程基礎(chǔ)方法。 （ 2）建立高性能、低成本液流儲(chǔ)能電池電解質(zhì)溶液、離子交換膜、電極極板等關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)理論和規(guī)模制備方法和工藝；解決電解質(zhì)溶液的晶析問題，提高電解液的穩(wěn)定性；在保證液流儲(chǔ)能電池能量效率前提 下，離子交換膜的成本降低至現(xiàn)在使用的杜邦公司 Nafion 115膜的 45%以下；碳塑極板的成本降至國(guó)產(chǎn)石墨板價(jià)格的 15%以下。 （ 3）確定大規(guī)模、高效液流儲(chǔ)能電池模塊和電池系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)理論；建立電池模塊和電池系統(tǒng)的模擬仿真理論和方法；掌握電池系統(tǒng)集成的工程技術(shù)，提高工作電流密度。從根本上提高能量密度，降低成本，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 （ 4）研究由發(fā)電、液流儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能、電能轉(zhuǎn)換、用電負(fù)荷等多體系的系統(tǒng)耦合的基礎(chǔ)理論，掌握并完善系統(tǒng)耦合模擬仿真的建模方法，深入分析體系間的耦合機(jī)理，在充分理解和認(rèn)識(shí)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng) 運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，建立適合大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)耦合原則及綜合能量管理控制策略。 （ 5