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能源俯拾皆是，能源供應卻依然告急。廣袤的西北地區蘊含大量“風”“光”等可再生能源，然而這些能源與處於用能中心的城市往往距離過遠。當前，能源的遠距離輸送看似是解決矛盾的最佳選擇。
長久以來，輸電線路和電站充當著能源“搬運工”，但總有難以跨越的溝溝坎坎，為了實現更靈活的電力供給，科研人員希望在能源收集和利用之間架起一座橋樑，創新儲能方式。
中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員李先鋒團隊深耕液流電池領域20餘年，近日，該團隊領銜的“新一代液流電池儲能技術及產業化團隊”獲得2021年中國科學院科技促進發展獎。
“與傳統電池不同，液流電池將液體電解質儲存在外部，儲能介質為水溶液，無著火爆炸風險，安全性高、壽命長，還可按需組合，實現功率與容量的自主調控，在電力系統儲能領域具有廣闊的應用前景。”李先鋒說。
從電池內部突破
電池看似是一個黑匣子，實際內部有著複雜的結構，主要由隔膜、雙極板、電極等關鍵材料和核心部件構成。“提高儲能電池效能需兼顧區域性和整體，研發過程需考慮多種因素的相互作用和影響。”李先鋒說。
膜材料主要起著阻隔正負極，傳輸離子的作用。“膜的離子傳導性越高，質子透過的速度越快，但離子選擇性會隨之變差，導致膜兩側的離子互相‘穿梭’，增加電池副反應，影響電池效能。”大連化物所高階工程師史丁秦說，因此，如何平衡膜的離子傳導性和離子選擇性，開發出兩者兼具的新型隔膜材料，是科研人員要解決的關鍵技術問題。
為了阻止離子從膜的一側穿梭到另一側，研究人員致力於膜離子傳輸機理的研究，透過切斷離子在隔膜內的傳輸通路，提高膜離子選擇性，但此法依然無法完全解決兩者的平衡問題。
李先鋒團隊在研究過程中發現，液流電池電解液中不同離子的半徑大小不同，“能否透過調控膜的孔徑大小來實現離子的選擇性傳輸呢？”帶著這一想法，團隊踏上研發多孔離子傳導膜材料的新徵程。
微觀世界複雜多變，調控困難，研究了相當一段時間均未能取得突破，但對於“能否走得通這條路”，團隊從未動搖。最終，他們從創新分子結構入手，突破了膜離子傳導性與離子選擇性之間的制衡，製備出高選擇性、高傳導性、低成本的多孔離子傳導膜材料，併成功實現批次化生產。
雙極板是電池的又一關鍵材料，起到將每節單電池串聯成電堆與集流的作用。與膜材料類似，雙極板材料也面臨“雙高”矛盾。“碳含量越高，導電性越強，但韌性會變差，不利於電堆壓緊組裝。”大連化物所博士劉濤說，研發具有導電性、韌性雙高的新型雙極板材料是團隊的主要攻關目標。
近年來，團隊著眼於雙極板材料的創新和結構設計，將多尺度及多維度的碳粉顆粒融於聚合物增韌網路中，成功構建出更發達的導電網路。
然而，目前市場上碳粉和聚合物材料不計其數，如何從眾多的材料中找到最佳的材料和配比成為需要迫切解決的問題。團隊曾為此試驗過上千種配方。“即使配方確定了，仍不足以滿足實際應用，還要保證製備和規模化生產的需要，提高材料的生產效率，降低成本。”劉濤說。
為此，團隊在規模放大和批次化生產工藝上不斷探索嘗試，最終開發出新型高導電、高韌性、可焊接的碳塑複合雙極板，並實現批次化生產。
給功率算筆賬
電堆好不好關鍵看放電功率和效率，高效率能保證相同儲電量下，放出來的電量更多。但所有電池充放電過程中都存在損耗，“存進去1度電，放出來0.8度電，憑空消失的電量就是損耗。”大連化物所副研究員鄭瓊舉例。
在成功開發出效能優異的隔膜和雙極板材料後，接下來便是使盡渾身解數，最佳化電堆結構和工藝，力求將損耗降到最低，讓功率提升到更大。
功率由電流和電壓決定。理論上，電壓不變，增加電流，功率就會增大，但所有電池都存在極化問題。大連化物所副研究員邢楓介紹，“極化”的存在使得電池功率提升的同時其效率反而下降。因此，科研人員渴望在增加電流、提升功率的同時，電堆能夠始終處於高效率執行狀態。
科研中，邢楓添了一個“職業病”——愛算賬。“提高功率、提高效率、降低成本，核心就是控制極化，需要不斷對細節進行模擬模擬計算。”邢楓說。
在實際工作中，電池極化不會等於零，只能透過技術改進使其不斷降低。“只有對電池內的反應、傳遞過程中的每個細節做到潛精研思，電堆效率才會更高。”邢楓說。
電堆之於電池系統就像心臟之於人體，功能重要、結構複雜、除錯最佳化工作繁瑣，牽一髮動全身。往往這個指標提高了，其它指標卻低了，追求指標全面提升簡直難於登天。
剛開始，團隊只能做出功率不足1千瓦的電堆，且成本較高，遠達不到市場準入門檻。如今，團隊已開發出新一代30千瓦級高功率密度電堆，功率密度提高近1倍，成本下降近四成，已經處於商業化和產業化初期階段。
產業化推進如火如荼。團隊利用鐳射焊接技術實現了多孔離子傳導膜與電極框的直接密封，擺脫了電堆內部部件之間對密封墊的依賴，提高了電堆的可靠性和裝配水平。“新一代全釩液流電池技術初具雛形，繼續研發，持續推進。”李先鋒如是說。
服務新型電力系統建設
電解液是電池運轉的“血液”，釩離子是團隊十分看好的電解液型別。這種離子有四種價態，不同價態釩離子之間可進行可逆的轉化，完成充電、放電、再充電的迴圈。同時，由釩離子構成水系全釩液流電池，可以大大降低著火、爆炸等風險，安全性極高。
研究發現，全釩液流電池可以自由組合成電池組，電池組輸出功率可達數百兆瓦，儲能容量達數百兆瓦時，相當於能存放10萬度電。
大連融科儲能技術發展有限公司（以下簡稱大連融科）是依託於大連化物所技術成立的專注於全釩液流電池儲能技術產業化的企業，雙方一直深入合作，共同推動了全釩液流電池商業化示範專案落地，驗證了實驗室成果的可行性。
2016年，基於團隊技術支撐，大連融科承接全球最大功率全釩液流電池儲能調峰電站國家示範專案工程建設的任務。2020年，團隊推出新一代全釩液流電池技術30千瓦級電堆，獲得高度好評，多家意向合作單位慕名而來。目前，該團隊與國內外多家企業建立合作意向關係，團隊的全釩液流電池技術已佔據領域內超六成的市場。
在產業化過程中，團隊發現，企業具有強烈的研發需要。為此，團隊拓展合作維度，在企業成立實驗室，搭建聯合研發平臺，“市場需要從一開始就長在科研的培養皿上。” 大連融科副總經理王曉麗說。
產業發展，標準先行。團隊還牽頭制定了包括首項液流電池國際標準在內的20餘項標準，提高了我國液流電池技術在國際上的話語權。
“說到底，全釩液流電池解決的是發電側富餘電能的儲存問題，從長遠發展看，還需要解決使用者側的儲能問題。”大連化物所袁治章研究員說。
用鋅基液流電池解決使用者側需求是團隊的又一產業化方向。鋅儲量大、成本低、電位低、能量密度高，但鋅基液流電池在長迴圈過程中，電解液中的反應物離子更容易擴散至電極表面的凸起處，形成鋅枝晶，鋅枝晶的不斷生長會刺破隔膜，最終導致電池短路失效。
因此，鋅基液流電池必須解決鋅枝晶形成和生長的問題，才能實現真正的應用。經過多年攻關，團隊研發出新型電極材料，實現了對鋅沉積形貌的有效調控，很好地解決了鋅枝晶的形成和生長問題，讓鋅基液流電池向大規模應用更進一步。
李先鋒表示，碳達峰、碳中和目標對現有電力系統提出更大挑戰，發展大規模儲能技術、讓新能源產生的電力耦合現有電力系統，將會使電力傳輸更高效，電力更加觸手可及，從而助力以新能源為主體的新型電力系統構建。
