【正文】 計方法。 掌握電池運行條件的外場對電解液的影響機理，確立調(diào)控策略和方法。 建立公用工程管理方法；建立液流儲能電池系統(tǒng)控制與監(jiān)測體系；提高系統(tǒng)集成能力；研究構(gòu)建液流儲能電池系統(tǒng)工程放大理論體系。電極材料性能的優(yōu)化處理與調(diào)控；一體化電極極板和金屬基極板的電池實驗研究。研究不同場分布的條件下，高濃度釩電解液中離子的輸運過程及其動力學；設(shè)計合成具有特定功能的添加劑；研究鋅溴電池用高濃度電解質(zhì)溶液。 培養(yǎng)研究生 11 人以上，發(fā)表文章 41 篇以上，申請專利 12 項以上。 掌握 高濃度電解質(zhì)溶液中各相關(guān)組份間的轉(zhuǎn)化條件與規(guī)律；闡釋鋅溴電 池電催化反應(yīng)機理。 建立高性能離子交換膜合成方法。 研究大規(guī)模液流儲能系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性特征；建立多個變換器之間控制和保護特性的協(xié)調(diào)機理與協(xié)調(diào)控制方法；建立液流電池儲能 /可再生能源發(fā)電混合協(xié)調(diào)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài) 數(shù)值仿真和物理仿真模型。 研究新液流體系用高濃度電解液溶液理論，及鋅溴正極材料的電化學 反應(yīng)動力學規(guī)律。 優(yōu)化離子交換膜材料合成條件，開發(fā)成膜工藝。 培養(yǎng)研究生 11 人以上，發(fā)表文章 40 篇以上，申請專利 12 項以上。 建立電池模塊模擬仿真模型，實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的電池模塊性能的預(yù)測；完成 5kW、10kW、 20kW 級液流儲能電池模塊試制試驗。 構(gòu)建液流儲能電池模塊模擬仿真模型，與實驗手段相結(jié)合，進行模塊流道設(shè)計和分析漏電電流的形成；進行 5kW、 10kW、20kW 級液流儲能電池模塊試制試驗。 掌握電極表面性質(zhì)對電極性能影響規(guī)律；確定一體化電極極板設(shè)計原則；建立金屬基復(fù)合極板制備方法；建立 12 中釩離子電極反應(yīng)過程動力學方程； 初步掌握新體系電池的組配方法，調(diào)控負極鋅在充放電過程中的形貌，延長壽命。組配單電極液流電池，及建立高濃度、高穩(wěn)定性電解液制備方法及性能調(diào)控機制；初步完成電解質(zhì)溶液失穩(wěn)內(nèi)在原因分析。聚偏氟乙烯基、非氟烴類及陰陽復(fù)合離子交換膜的合成設(shè)計理論初步研究，及相應(yīng)膜材料的離子傳導機理研究。 第二年度 確定液流儲能電池關(guān)鍵材料組分設(shè)計理論和合成方法，明確相關(guān)反應(yīng)與性能影響機理。 完成液流電池特性試驗和電氣建模，建立系統(tǒng)功率變換拓撲模擬仿真模型。 初步確立電解液制備方法；建立活性物中在線分析檢測方法；初步探討電解液失穩(wěn)的內(nèi)在原因及電化學性能影響因素； 初步確定較好穩(wěn)定性的基膜材料，了解各種離子在膜中的遷移規(guī)律； 揭示電極表面性質(zhì)對電極影響規(guī)律； 探索 23 種液流電池電對新體系，初步探明鋅溴電 池中鋅沉積 /溶解的影響因素。包括探索電解液中元素組成、活性離子存在形態(tài)、溫度、酸濃度、活性物種存在形態(tài)與含量、制備方法、添加劑對電解液性能的影響規(guī)律；篩選性能優(yōu)異膜材料，考察現(xiàn)有材料的熱力學平衡關(guān)系和離子傳導機理；研究電極極板表 面性質(zhì)和導電性對電極性能的影響規(guī)律；以及探索高比能量新電對體系及鋅溴電池中負極鋅沉積規(guī)律。項目參加單位在各自承擔的研究課題方面有良好的學術(shù)氛圍和前期研究工作基礎(chǔ)，積累了豐富的研究經(jīng)驗，具備較好的研究工作條件和測試表征手段，完全可以滿足本項目研究工作的需要。研究團隊中包括 2 名院士， 32 名具有高級職稱的研究人員，一大批年輕的博士研究人員和研究生擬參加本項目的研究工作。 產(chǎn)、學、研有機結(jié)合的研究團隊和先進的研究平臺及良好的前期研究積累 本項目組織了全國在液流儲能電池、燃料電池、電化學、材料學、電力電子等學科中在高效儲能技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域有著 研究經(jīng)驗積累、學術(shù)思想活躍，團結(jié)合作的研究隊伍。項目的前期研究工作已取得了重大進展，關(guān)鍵科學問題源于工程開發(fā)中遇到的瓶頸問題，具有明確的研究目標。創(chuàng)新的主體在企業(yè)，項目的成功必將推動我國大規(guī)模高效液流儲能電 池的工程化和產(chǎn)業(yè)化進程。 創(chuàng)新的組織實施機制 本項目采用產(chǎn)、學、研密切合作的創(chuàng)新組織實施模式，項目合作團隊中既有清華大學、中南大學、華中科技大學等大學研究團隊，又有大連化學物理研究所，金屬研究所等中國科學院的研究單位和解放軍防化研究院的總裝備部的研究機構(gòu)，還有以大規(guī)模高效液流儲能電池產(chǎn)業(yè)化為主的大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司和液流電池儲能技術(shù)的潛在用戶 — 國家電網(wǎng)下屬的中國電力科學研究院。項目研究內(nèi)容既涉及液流儲能電池關(guān)鍵材料、電極反應(yīng)機理及物性調(diào)控機制，又包括電池模塊及電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的模擬仿真及規(guī)模放大，發(fā)電、儲電、電能變換、用電負荷等多體系的系統(tǒng)耦合和綜合能量管理控制策略。 綜合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新研究 本項目充分融合多學科協(xié)同研究的特點，涉及物理化學、電化學、材料化學、化學工程、電力電子學、化學分析、表面科學等多學科領(lǐng)域。通過實驗驗證，改進和完善所獲得的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)工程技術(shù)，為液流電池儲能系統(tǒng)規(guī)模放大和實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 系統(tǒng)集成創(chuàng)新 利用本項目研制的電解質(zhì)溶液、離子交換膜、電極極板材料和電池模塊及電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)集成模擬仿真成果，集成出輸出功率為 5kW，儲能容量為 50kWh 的液流儲能電池系統(tǒng)。建立液流儲能電池高濃度、多價態(tài)復(fù)雜電解質(zhì)體系的溶液化學理論；掌握離子交換膜構(gòu)效關(guān)系及多離子傳導機理；闡明多場協(xié)同作用下的電極反應(yīng)過程動力學；構(gòu)建電池模塊及電池系統(tǒng)的理論模型及其規(guī)模放大的模擬仿真方法；完善發(fā)電、儲能、電能變換、用電負荷等多體系間的系統(tǒng)耦合技術(shù)和綜合能量 管理控制策略。完成從理論到技 術(shù)，從單元到系統(tǒng)，從測試表征到驗證平臺及工程化的基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)研究。采用現(xiàn)代合成與制備加工技術(shù)，完成本項目中電解質(zhì)溶液、離子交換膜、電極極板、電池模塊和系統(tǒng)部件的合成、制備、加工和集成。為大規(guī)模高效液流儲能電池技術(shù)的工程化、實用化、產(chǎn)業(yè)化提供系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論支撐。綜合項目的研究成果，集成出 5kW/50kWh 液流電池儲能系統(tǒng)研究平臺，實驗驗證、優(yōu)化、完善基礎(chǔ) 研究成果。建立電池模塊、電池系統(tǒng)及多體系系統(tǒng)耦合的數(shù)學模型，采用模擬仿真等現(xiàn)代技術(shù)手段，揭示材料規(guī)模放大與性能調(diào)控機制，結(jié)構(gòu)設(shè)計對電池性能的影響。以物理化學、電化學、材料化學、化學工程、電力電子學、化學分析、表面科學等多學科的基礎(chǔ)理論為科學基礎(chǔ)，從發(fā)展大規(guī)模高效液流儲能電池關(guān)鍵材料、核心部件及電池系統(tǒng)基礎(chǔ)理論的角度出發(fā)，圍繞本項目所提出的關(guān)鍵科學問題和主要研究內(nèi) 容展開深入、系統(tǒng)、扎實的研究。結(jié)合大功率電池模塊及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的模擬仿真，建立液流電池儲能系統(tǒng)規(guī)模放大的理論體系，探 索發(fā)電、儲能、用電復(fù)合體系的系統(tǒng)耦合技術(shù)和綜合能量控制管理策略，為大規(guī)模高效液流電池儲能技術(shù)的工程化和實用化提供基礎(chǔ)理論支撐，滿足太陽能、風能等可再生能源發(fā)電普及應(yīng)用及電力系統(tǒng)節(jié)能減排重大國策對大規(guī)模高效儲能技術(shù)的重大需求。重點研究決定液流儲能電池系統(tǒng)穩(wěn)定性、耐久性、能量效率和制造成本的電解質(zhì)溶液、離子交換膜和電極極板材料的組分設(shè)計、合成方法和批量化制備工藝的基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)。 （ 6）申報與獲授權(quán)發(fā)明專利 50 項以上，發(fā)表在 SCI 和 EI 收錄論文200 篇以上；培養(yǎng) 2～ 3 名具有國際影響的 學術(shù)帶頭人和一批中青年學術(shù)骨干；培養(yǎng)出 50 名以上本項目相關(guān)領(lǐng)域的研究生。 （ 4）研究由發(fā)電、液流儲能電池儲能、電能轉(zhuǎn)換、用電負荷等多體系的系統(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理，在充分理解和認識系統(tǒng)對電網(wǎng) 運行特性的基礎(chǔ)上，建立適合大規(guī)模液流電池儲能技術(shù)的系統(tǒng)耦合原則及綜合能量管理控制策略。 （ 3）確定大規(guī)模、高效液流儲能電池模塊和電池系統(tǒng)的數(shù)學模型的基礎(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。 五年預(yù)期目標 （ 1）闡明液流儲能電池關(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)機理以及對電池性能的影響規(guī)律；發(fā)展材料形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及性能的實時表征方法；構(gòu)建液流儲能電池關(guān)鍵材料組分與性能調(diào)控機制；建立和完善大規(guī)模高效液流電池儲能技術(shù)的基礎(chǔ)理論和工程基礎(chǔ)方法。 二、預(yù)期目標 總體目標 發(fā)電、輸電、配電、儲電、用電是電力產(chǎn)業(yè)鏈的五大重要環(huán)節(jié)，而規(guī)?；咝δ芗夹g(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)電的隨機性和間歇性，改善可再生能源發(fā)電質(zhì)量，推進可再生能源普及應(yīng)用的重要技術(shù)。為此，本項目將高效電力變換技術(shù)、系統(tǒng)仿真建模技術(shù)、先進傳感與通訊技術(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)的耦合機理，充分認識系統(tǒng)對電網(wǎng)運行特性的影響，建立適合大規(guī)模液流電池儲能技術(shù)的系統(tǒng)耦合控制 方法及綜合能量管理策略。 大規(guī)模液流儲能技術(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)模高效液流電池儲能系統(tǒng)涉及發(fā)電裝置、液流儲能電池裝置、電力電子變換裝置、用電負荷或電力系統(tǒng)等多個組成體系，是電化學、化工和電氣等相互耦合的復(fù)雜動態(tài)體系，其運行特性與液流儲能電池系統(tǒng)的組合方式、容量大小以及電力變換器、用電負荷、控制方式等多種因素相關(guān)。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)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。 本課題擬通過模擬仿真和實驗驗證相結(jié)合的方法，重點研究大功率液流儲能電池內(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)。系統(tǒng)通常是由多個數(shù)十千瓦的電池模塊組合而成。電池運行涉及非穩(wěn)態(tài)強化傳質(zhì)、傳熱及電化學反應(yīng)等 復(fù)雜因素。利用和融合本項目其它課題在新型關(guān)鍵材料、基礎(chǔ)科學問題的研究成果，發(fā)展高效能、高能量密度、具有自主知識產(chǎn)權(quán)和應(yīng)用前景的新型液流儲能電化學體系?；陔妼Φ碾娀瘜W研究和電解質(zhì)溶液的物理化學特性研究，根據(jù)液流規(guī)模儲能的特點和要求，研究正 /負電極的匹配規(guī)律，設(shè)計 和組裝液流儲能新體系電池，闡明電池的工作原理和應(yīng)用性能。研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高離子傳導率、高選擇性、低成本的阻溴復(fù)合膜材料，提高鋅溴電池的運行穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。通過將電池正負極之一或雙極設(shè)計成沉積 /溶解過程，探索和研究不用離子交換膜的單液流儲能新體系。在此基礎(chǔ)上，研究電極極板的材料組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和制備工藝，降低電極與極板間的接觸電阻。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，降低電子傳導阻力的策略和方法。 多場作用下的電極反應(yīng)機理、電極材料的設(shè)計理論和制備方法研究 多場協(xié)同作用下的電極反應(yīng)機理 電極表面電化學反應(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)。 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，既能抑制釩離子的滲透又能保證較高的質(zhì)子電導率。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。目前，全釩液流儲能電池使用的是杜邦公司的 Nafion 115膜或 Nafion 117 膜，每平方米膜的價格在 800 美元以 上。另外在 PVDF 基體內(nèi)混入無機納米顆粒（ SiO Al2O TiO2 等）進一步提高膜的機械強度和力學性能。 新型離子交換膜分子設(shè)計與制備方法研究 a) 偏氟類聚合物離子交換膜 以化學性質(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入磺酸基團，形成質(zhì)子傳導性高和 釩離子遷移率低的聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)型離子交換膜。把液流電池性能實驗與微觀分析結(jié)果相結(jié)合，確定環(huán)境適應(yīng)性強、電化學性能優(yōu)異的離子交換膜材料。 離子交換膜的長期與運行穩(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 液流電池中的長期運行穩(wěn)定性。采用小角 X 衍射技術(shù)分析膜的物理結(jié)構(gòu)、電化學阻抗方法研究離子交換膜內(nèi)固定電荷的化學官能團對離子通道的結(jié)構(gòu)與離子遷移過程的影響。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。 離子交換膜表面的熱力學吸附平衡研究 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－擴散機理進行描述。 采用微觀基團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，對離子交換膜材料的分子聚集體化學組成、微結(jié)構(gòu)與帶電粒子選擇性滲透之間的關(guān)系進行研究。 揭示離子傳導性、選擇性與膜材料的化學組成和微結(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)展面向液流電池儲能的膜材料設(shè)計理論與制備方法。由于多價態(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，人們對液流電池儲能系統(tǒng)離子交換膜的選擇滲透性、化學穩(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。 高效能單液流電池電解質(zhì)溶液研究 研究流動的濃電解質(zhì)溶液中金屬離子沉積的電化學反應(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、維護方式及電池長期穩(wěn)定運行的調(diào)控機制。 高濃度全釩液流儲能電池電解質(zhì)溶液穩(wěn)定化機制研究 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