【正文】 解質溶液、離子交換膜、電極極板等關鍵材料的構效關系、多組分協(xié)同作用機理、材料組分和合成方法對穩(wěn)定性、耐久性的關聯(lián)及調控機制。探索發(fā)電、儲電、電能轉換、用電復合體系的系統(tǒng)耦合和綜合能量管理控制策略。建立和完善大規(guī)模高效液流電池儲能技術科學理論體系。 圖 本項目研究的總體學術思路 技術途徑 科學需求 大規(guī)模高效液流電池儲能技術學科發(fā)展需求 社會需求 可再生能源發(fā)電的普及 節(jié)能減排重大國策的落實 待 解決的科學與技術問題 1. 大規(guī)模高效液流電池儲能技術基礎理論 2. 大規(guī)模高效液流儲能電池基礎工程技術 1. 關鍵材料規(guī)模化制備工藝 2. 電池模塊與電池系統(tǒng)規(guī)模放大的模擬仿真及系統(tǒng)集成 方法 3. 多體系的系統(tǒng)耦合及綜合能量控制管理策略 1. 電池相關反應機理及調控機制 2. 高性能、低成本關鍵材料設計理論與合成方法 3. 模擬仿真模型及模擬仿真理論 4. 多體系耦合及控制管理策略的原理 成果與成果驗證 ? 建立大規(guī)模高效液流電池儲能技術科學理論體系 ? 創(chuàng)建綜合驗證平臺，實驗驗證、優(yōu)化基礎理論和工程技術，推進實用化 研 究 內 容 本項目圍繞大規(guī)模高效液流電池儲能技術重大基礎理論與關鍵技術問題，開展從反應機理與調控機制到合成方法與制備工藝，從結構設計的模擬仿真到系統(tǒng)耦合及能量管理策略的基礎理論研究；開 展制備方法與工藝、部件及系統(tǒng)設計與集成的工程技術研究；采用先進的現(xiàn)代分析手段，完成材料結構、形態(tài)、物性的表征；采用儀器分析和化學分析的方法，開展反應機理的研究；通過模擬仿真和實驗研究，建立關鍵材料、核心部件、系統(tǒng)集成及系統(tǒng)耦合與綜合能量管理策略的理論體系。為體現(xiàn)、驗證和完善本項目獲得的理論、方法，集中項目各課題的研究成果，構建含太陽能 /風能發(fā)電、 5kW/50kWh 液流儲能電池、電能變換器及用 電負載等的綜合系統(tǒng)驗證平臺，驗證和完善本項目所獲得的基礎理論和基礎工程技術。 項目創(chuàng)新性與特色 項目的主要創(chuàng)新點 基礎理論創(chuàng)新 在深入研究的基礎上，揭示電解質溶液、離子交換膜及電極極板等液流儲能電池關鍵材料的構效關系。 方法創(chuàng)新 在液流儲能電池關鍵材料的構效關系等基礎理論和設計原理的研究基礎上，利用多種現(xiàn)代合成手段，建立液流儲能電池電解質溶液，離子交換膜及電極極板材料合成、制備及材料物性表征評價的新方法；建立多場協(xié)同作用下高濃度復雜溶液體系的物理化學研究方法，建立液流儲能電池模塊及電池系統(tǒng)結構設計優(yōu)化的模擬仿真理論和批量制備及系統(tǒng)集成新方法。綜合本項目研究成果，集成出包括風光互補發(fā)電體系，上述液流儲能電池體系，電能變換體系和用電負荷的綜合驗證研究平臺。 項目的特色 針對國家重大需求 本項目針對我國太陽能和風能等可再生能源發(fā)電的普及應用及電力系統(tǒng)平衡用戶端負荷、提高電能利用效率、落實節(jié)能減 排目標對大規(guī)模高效液流儲能技術的重大需求開展基礎研究，解決實用化前必須突破的關鍵科學問題，有著直接而明確的應用背景。其研究目標的實現(xiàn)，必將帶動多學科交叉基礎理論體系的發(fā)展。其關鍵科學問題的突破，將推動我國大規(guī)模液流儲能技術的進步和實際應用。項目從工程化和產業(yè)化的要求出發(fā)，凝煉出關鍵科學問 題和研究目標，設立了研究內容。 取得重大突破的可行性分析 明確的學術思想、研究目標、可行的技術路線 本項目組織了中國科學院、教育部、中國人民解放軍、國家電網(wǎng)所屬的在液流儲能電池相關學科領域如液流電池儲能技術、燃料電池、二次電池、電化學、新材料、電力電子，有著多年研究工作積累和雄厚基礎的單位及相關企業(yè)強強聯(lián)合，突出學科交叉合作，針對國家可再生能源的普及應用和電力系統(tǒng)節(jié)能減排對大規(guī)模高效儲能技術的重大需求，凝 練研究目標和關鍵科學問題，設置研究課題和研究內容，組織研究隊伍，開展深入系統(tǒng)的理論、實驗和模擬仿真的研究工作，為液流儲能電池關鍵材料、系統(tǒng)集成和實用化工程開發(fā)提供基礎理論、科學方法支撐?？傮w學術思想凝練于前期研究工作中所獲得的經(jīng)驗積累，研究方案經(jīng)過了反復的科學論證，技術路線注意了與應用技術及工程化、規(guī)模放大的銜接。項目研究合作團隊來自 4 個國家實驗室或國家重點實驗室， 3 個國家工程研究中心， 5 個省部級重點實驗室，代表了我國在大規(guī)模液流電池儲能技術相關領域的優(yōu)勢研究力量。項目參加單位近五年來，相互間建立了不同形式的合作關系，形成了優(yōu)勢互補、上下游結合的研究團隊，通過合作研究和學術 交流，對項目的關鍵科學問題的理解和研究方案已形成了統(tǒng)一的認識，為實現(xiàn)項目的研究目標奠定了人才基礎和學術基礎。 四、年度計劃 研究內容 預期目標 第一年度 進行液流儲能電池關鍵材料的構效關系和影響機制的初步 研究。 通過實驗的方法確定電池模塊和系統(tǒng)模擬仿真的相關參數(shù)； 研究液流儲能電池系統(tǒng)能量轉換過程耦合機理及能量貫穿性分析和系統(tǒng)功率變換網(wǎng)絡拓撲級聯(lián)優(yōu)化方法。 建立液流儲能單電池模擬仿真模型，實現(xiàn)不同結構設計單電池性能的預測；揭示單電池內電流密度分布、濃度分布以及溫度分布的規(guī)律；完成大面積液流儲能單電池試制試驗。 培養(yǎng)研究生 10 人以上，發(fā)表文章 27 篇以上，申請專利 10 項以上。包括制備條件、支持電解液濃度、添加劑對電解液穩(wěn)定性影響規(guī)律研究及活性離子存在形態(tài)在線檢測方法研究。電極石墨化處理工藝、一體化電極極板結構設計基礎、金屬基復合極板制備技術及電極反應動力學方程研究。 初步確定離子交換膜合成方法和合成路線，明確離子在膜內傳導規(guī)律。 鋅溴電池負極鋅電化學形貌及微結構調控策略研究。 研究液流儲能電池與電力變換器的模塊化集成方法；電氣網(wǎng)絡拓撲結構的模擬仿真；液流儲能電池控制系統(tǒng)的信息獲取、處理與融合技術。 建立液流電池與電力變換器集成的仿真模型；建立液流儲能電池監(jiān)控系統(tǒng)分析理論及運行狀態(tài)預測模型。 第三年度 考察外界影響因素和電化學反應 對電解液穩(wěn)定性的影響；研究活性物種遷移規(guī)律；計算模擬添加劑分子對活性物種的作用方式。 優(yōu)化一體化電極極板結構與制備技術 ，考察金屬基極板的構效關系。 建立液流儲能電池系統(tǒng)模擬仿真模型；研究輸送泵、公用工程等系統(tǒng)內的單元、過程的優(yōu)化集成設計。 闡明 多場條件下，電解質溶液中各種活性離子的存在狀態(tài)和穩(wěn)定化調控機制。 建立一體化電極極板的結構設計與制備方法；改進金屬基極板性能。 建立液流儲能電池系統(tǒng)模擬仿真模型，實現(xiàn)不同集成方式的系統(tǒng)性能的預測，提出過程強化方法，提高電池工作電流密度和功率密度等性能，降低電池系統(tǒng)成本； 實現(xiàn)不同工況下，各種優(yōu)化控制策略、能量管理方法的分析驗證； 建立滿足獨立自治運行、電網(wǎng)調峰、電網(wǎng)電能質量控制和平抑可再生能源發(fā)電系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)特性需求，適用于液流電池儲能系統(tǒng)的電能變換拓撲及其大規(guī)模串并聯(lián)網(wǎng)絡的分析、設計和控制的系列理論。 第四年度 重點進行液流儲能電池關鍵材料的設計理論和合成方法的工程科學原理研究。初步研究離子交換膜放大理論和方法。 研究 液流電池新體系組配規(guī)律及電池結構改進；探索正極材料的表面改性工藝。 研究 大規(guī)模高效儲能系統(tǒng)經(jīng)濟運行的優(yōu)化調度理論；及含大規(guī)模液流儲能的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)全過程數(shù)字仿真理論與方法。 建立高選擇性、高穩(wěn)定性、高導電性離子交換膜規(guī)模制備工藝。 完成液流電池新體系電池結構；創(chuàng)制出具有高活性、高化學穩(wěn)定性的鋅溴電池正極電極材料。 建立大規(guī)模高效儲能系統(tǒng)經(jīng)濟運行理論模型及優(yōu)化調度評估體系；提出 集穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)仿真為一體的含大規(guī)模液流 電池 儲能的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)全過程數(shù)字仿真理論與方法，建立系統(tǒng)的綜合數(shù)值仿真平臺和動態(tài)模擬的物理實驗平臺。 重點進行液流儲能電池關鍵材料的規(guī)?；苽涔こ炭茖W原理研究。 確定 2 個以上的液流電池新體系，研究電池性能及其影響因素；及電池結構的放大；研究溴在膜材料內部傳遞機理。 掌握新體系液流電 池的結構設計技術及放大的原則和規(guī)律； 研制出具有高離子傳導率、高選擇性阻溴滲透的復合膜材料。 進行“風光互補發(fā)電系統(tǒng) 額定輸出功率為 5kW，儲能容量為 50kWh 的全釩液流儲能電池系統(tǒng) 電力變換器和負載”的多系統(tǒng)組裝、集成。 體系。為課題 5 的驗證平臺提供離子交換膜和雙極板 。 集成本項目各課題的部分研究成果，創(chuàng)制額定輸出功率為 5kW，儲能容量為 50kWh 的全釩液流儲能電池系統(tǒng)，并與太陽能、風能發(fā)電系統(tǒng)和電力轉換 系統(tǒng)及用電系統(tǒng)耦合。 培養(yǎng)研究生 9 人以上，發(fā)表文章 45 篇以上，申請專利 8