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研發(fā)團隊

Teams

儲能技術(shù)研究團隊

來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2017-05-23
團隊信息
課題組名稱(chēng):儲能技術(shù)研究團隊
課題組網(wǎng)址:http://pemfckt.dicp.ac.cn/
負責人:李先鋒 工作單位:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 學(xué)科領(lǐng)域:化學(xué)工程
課題組院地合作聯(lián)絡(luò )人員
姓 名:張洪章 辦公電話(huà):0411-84379580
手 機: E-mail:zhanghz@dicp.ac.cn
科技處院地合作聯(lián)絡(luò )人員
姓 名:陳維東 辦公電話(huà):0411-84379752
手 機: E-mail:wdchen@dicp.ac.cn
團隊介紹

當今世界能源領(lǐng)域正處于戰略和結構變革期,主要經(jīng)濟體競爭力受到能源供應能力的制約已初步顯現??稍偕茉凑奢o助能源轉為主導能源,大規模利用可再生能源,實(shí)現能源多樣化已成為世界各國能源安全和可持續發(fā)展的重要戰略。儲能技術(shù)是支撐可再生能源利用、智能電網(wǎng)建設、電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的核心技術(shù)。

團隊主要研究方向:

1、技術(shù)名稱(chēng):液流電池儲能技術(shù),包括:全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋅鎳液流電池、鋅鐵液流電池及有機液流電池技術(shù)。

主要用途:用于可再生能源并網(wǎng)、不間斷供電、分布式儲能、電網(wǎng)調峰調頻。

解決問(wèn)題:解決風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電不連續、不穩定特征,增強電網(wǎng)安全性、可控性,實(shí)現分布式發(fā)電和離網(wǎng)供電的構想,是國家能源戰略和能源安全的重大需求。

2、技術(shù)名稱(chēng):二氧化碳電化學(xué)還原技術(shù)

主要用途:二氧化碳捕集利用

解決問(wèn)題:利用電能將CO2還原為甲酸、碳氫化合物、甲醇及合成等,實(shí)現CO2資源化利用??梢越鉀Q溫室氣體回收利用的問(wèn)題。

3、技術(shù)名稱(chēng):高性能動(dòng)力電池技術(shù),包括:鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰離子電池、鋰離子超級電容器、先進(jìn)鉛碳電池

主要用途:用于電動(dòng)汽車(chē)、消費類(lèi)電子、無(wú)人飛機

解決問(wèn)題:解決電動(dòng)車(chē)、無(wú)人飛機續駛里程短的問(wèn)題;解決車(chē)輛低溫電啟動(dòng)性能差的問(wèn)題

可轉移轉化的科技成果:

1、成果名稱(chēng):鋅溴液流電池技術(shù),用于大規模儲能;

2、鋅鎳單液流電池技術(shù),用于大規模儲能;

3、鋰硫電池技術(shù),用于長(cháng)續航無(wú)人飛機;

4、低溫鋰離子電池,用于寒冷地區電動(dòng)車(chē)及啟動(dòng)電源;

5、鋰離子超級電容器,用于軌道交通;

6、先進(jìn)鉛碳電池,用于車(chē)載啟動(dòng)電源。

典型轉移轉化項目案例

全釩液流電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化案例:

研究團隊通過(guò)10多年的不懈努力和刻苦攻關(guān),突破了全釩液流電池關(guān)鍵材料制造技術(shù),掌握了電解質(zhì)溶液、電極雙極板、離子傳導膜材料的工程化及批量化制造技術(shù),實(shí)現了電池材料的全部國產(chǎn)化。實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)突破及如下:

1、創(chuàng )新的開(kāi)發(fā)出高性能釩電解質(zhì)溶液產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù),形成了規?;a(chǎn)能力,并向國外批量出口

釩電解質(zhì)溶液是全釩液流電池的儲能介質(zhì),是多價(jià)態(tài)釩離子的混合溶液,其溶解度和穩定性差異較大。而且,電解質(zhì)溶液中微量副反應及離子互串的長(cháng)期累積會(huì )造成容量衰減。研究團隊通過(guò)10余年不懈努力,掌握了電解質(zhì)溶液中釩離子價(jià)態(tài)調控方法,開(kāi)發(fā)出高性能電解質(zhì)溶液制備技術(shù),實(shí)現了規?;a(chǎn),產(chǎn)能達到200兆瓦時(shí)/年(圖1)。產(chǎn)品經(jīng)歐洲、美國及日本有關(guān)用戶(hù)的嚴格檢測評價(jià),給予了很高的評價(jià)。已大量出口日本、韓國、美國和歐洲。

圖1、釩電解質(zhì)溶液生產(chǎn)設備

2、高導電性、高韌性、低成本碳塑復合雙極板材料的合成和連續生產(chǎn)技術(shù)

液流電池雙極板通常為石墨板,石墨雙極板具有優(yōu)良的導電性和耐腐蝕性。但韌性差、價(jià)格昂貴,無(wú)法用于組裝大功率液流電池電堆。研發(fā)團隊創(chuàng )新性的提出了碳素復合雙極板的概念,掌握了碳塑復合材料的組成、成功地開(kāi)發(fā)出了具有高導電性、高機械性能、低成本的碳塑復合雙極板的制備技術(shù)及連續制造設備,實(shí)現了工業(yè)化生產(chǎn)。產(chǎn)能達到30,000平米/年,應用于近20項全釩液流電池儲能電站。

3、原創(chuàng )性的開(kāi)發(fā)出高離子選擇性、高離子傳導性、高穩定性、低成本的全釩液流電池用非氟離子傳導隔膜, 實(shí)現了連續化生產(chǎn)

目前,全釩液流電池使用的離子傳導隔膜主要是美國杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸離子交換膜,不僅價(jià)格昂貴(約600美元/m2),而且離子選擇性較差,不能滿(mǎn)足應用的需要。研究團隊創(chuàng )新的開(kāi)發(fā)出高選擇性、高耐久性、低成本的非氟離子交換膜。通過(guò)了10000多次充放電循環(huán)的耐久性考核,滿(mǎn)足使用要求。掌握了非氟離子交換膜的工程化制備工藝,建立了連續制造平臺,生產(chǎn)的非氟離子交換膜電池性能優(yōu)于全氟磺酸離子交換膜,價(jià)格約為其10%。正在實(shí)際應用。在開(kāi)發(fā)出非氟離子交換膜的基礎上,突破了傳統的全釩液流電池離子交換膜必須含具有離子交換基團的“離子交換傳遞”機理的束縛,在國內外原創(chuàng )性的提出了膜材料中不含離子交換基團的“離子篩分傳導”概念。發(fā)明了孔徑可控的非氟多孔離子傳導膜,從分子尺度上實(shí)現了對釩離子和氫離子的篩分,擺脫了對離子交換基團的依賴(lài),提高了非氟膜的穩定性和耐久性。創(chuàng )制出高性能、高穩定性、低成本的非氟多孔離子傳導膜,經(jīng)10,000多次充放電循環(huán)考核,電池性能無(wú)明顯衰減。從根本上解決了非氟離子交換膜穩定性差的難題。

圖2、液流電池離子交換膜膜離子交換原理示意圖

圖3、液流電池多孔離子傳導膜離子篩分原理示意圖

圖4、 非氟離子傳導膜與Nafion膜電池性能比較

圖5、開(kāi)發(fā)的非氟離子交換膜制造設備

4、持續創(chuàng )新,提出模塊化設計理念,開(kāi)發(fā)出高性能全釩液流電池電堆、單元電池儲能模塊

電堆是全釩液流電池儲能系統的核心部件。其性能和成本直接影響儲能電池系統的性能和成本。研究團隊2009年成功設計集成出國內最大的22kW級液流電池單體電堆。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng )新,使電堆的額定工作電流密度由原來(lái)的80mA/cm2提高到120mA/cm2而性能不變。2013年成功的開(kāi)發(fā)出具有國內外領(lǐng)先水平的32kW級液流電池單體電堆,大幅度降低了電堆的材料成本。實(shí)現了大功率電堆的規?;圃?,產(chǎn)能達到30MW/年,產(chǎn)品已向美國和德國出口。上述22kW級液流電池電堆的研究成果通過(guò)了由國家能源局主持的國家級能源科技成果鑒定。

圖6、液流電池電堆組裝線(xiàn)及生產(chǎn)的22 kW電堆

5、設計集成出可獨立運行的高性能全釩液流電池單元儲能模塊,實(shí)現了工業(yè)化生產(chǎn),推進(jìn)了產(chǎn)業(yè)化

MW以上級液流電池儲能系統通常由上百個(gè)甚至數百個(gè)電堆構成,儲能系統的集成和控制技術(shù)直接關(guān)系到運行的可靠性和穩定性。研究團隊創(chuàng )新性地提出了模塊化的設計理念,開(kāi)發(fā)出可獨立控制運行的176kW/350kWh、352kW/700kWh液流電池單元儲能模塊和系統集成技術(shù)、智能控管理技術(shù)及多系統耦合與控制技術(shù)。

176kW/350kWh全釩液流電池單元儲能模塊的性能經(jīng)德國ZSW研究所檢測評價(jià)后,給予了很高的評價(jià)。評價(jià)結論為“該電池性能達到了標稱(chēng)的設計參數,工藝水平和運行性能能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品投放要求”

圖 7、 176kW/350kWh全釩液流電池單元儲能模塊檢測會(huì )議

上述352kW/700kWh單元儲能模塊是目前國內外最大的全釩液流電池單元儲能模塊。已成功應用于國電龍源臥牛石50MW風(fēng)電廠(chǎng)用全球最大規模的5MW/10MWh全釩液流電池儲能電站。該352kW/700 kWh單元儲能模塊于2013年“通過(guò)了由國家能源局主持的國家級能源科技成果鑒定(圖8)。

圖8、352kW/700kWh液流電池單元儲能模塊成果鑒定會(huì )

針對市場(chǎng)的需求,研究團隊與融科儲能公司合作,成功研制出高集成度的125kW和250kW集裝箱結構的全釩液流電池單元儲能模塊(圖9)。實(shí)現了工廠(chǎng)化生產(chǎn)。產(chǎn)品的可靠性、穩定性好,在運輸、現場(chǎng)安裝、靈活設計和環(huán)境適用性等方面都具有顯著(zhù)優(yōu)勢。技術(shù)為國內首創(chuàng ),國際領(lǐng)先。正應用于構建2MW/4MWh全釩液流電池儲能系統。

圖9、125(左)、250kW(右)集裝箱式全釩液流電池單元儲能模塊

6、突破兆瓦以上級儲能系統設計集成技術(shù),實(shí)現了全釩液流電池技術(shù)的商業(yè)化應用

2008年,全釩液流電池儲能技術(shù)研究團隊技術(shù)入股創(chuàng )立了大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限(融科儲能)公司。多年來(lái),與融科儲能公司緊密合作,突破液流電池關(guān)鍵材料、大功率電堆、液流電池儲能系統的設計、集成、控制管理、多系統耦合技術(shù),建立了產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺。實(shí)施了包括國電龍源臥牛石50兆瓦風(fēng)電場(chǎng)的迄今為止全球最大規模的5MW/10MWh液流電池儲能系統的近20項應用項目。進(jìn)入商業(yè)化市場(chǎng) (圖10) 。

圖10、5MW/10MWh 全釩液流電池系統(50兆瓦風(fēng)電場(chǎng),液流電池電堆區,電池管理及電力電子區,電解質(zhì)溶液區)

2013年,又承建了用于遼寧省電力公司錦州黑山50MW風(fēng)電場(chǎng)的3MW/6MWh全釩液流電池儲能電站 (圖11)。

圖11、3MW/6MWh 全釩液流電池系統

正采用開(kāi)發(fā)的高比功率電堆構建的250kW集裝箱結構的單元儲能模塊,承建國電和風(fēng)公司的2MW/4WMh全釩液流電池儲能電站。2014年,成功中標由德國博世(BOSCH)公司為總承包商的歐洲首套兆瓦級商業(yè)儲能項目。研究團隊與融科儲能公司緊密合作,使全釩液流電池材料及儲能系統銷(xiāo)售額由2011年的200萬(wàn)元,發(fā)展到2013年的1億2千萬(wàn)元。已實(shí)現了液流電池的產(chǎn)業(yè)化,將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

7、領(lǐng)軍國內外液流電池技術(shù)的標準化,提高國際影響力和技術(shù)競爭力

全釩液流電池儲能技術(shù)研究團隊積極推進(jìn)國內外液流電池技術(shù)的標準化。牽頭組建了國家能源液流電池技術(shù)標準委員會(huì ),并成為主任委員單位。研究團隊起草的2項行業(yè)標準已頒布實(shí)施,起草的4項國家標準中的2項已頒布實(shí)施。

研究團隊學(xué)術(shù)帶頭人張華民研究員,入選國際電器工業(yè)技術(shù)標準委員會(huì )(IEC)TC105液流電池標準戰略研究專(zhuān)家組(該戰略專(zhuān)家組由中、美、德國三名專(zhuān)家組成),領(lǐng)軍液流電池國際標準的起草制定。由研究團隊起草的“液流電池通用技術(shù)標準” IEC國際標準建標立項建議書(shū)已獲得IEC TC21和TC105成員國96 %的贊成票通過(guò)立項。


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