20xx-20xx年大规模高效液流电池储能技术的基础研究

20xx-20xx年大规模高效液流电池储能技术的基础研究内容摘要：

）综合本项目的研究成果，集成出由 5kW 风光互补发电体系，输出功率大于 5kW、储能容量大于 50kWh、电池系统能量效率大于 75%的液流储能电池体系、电能转换体系和用电负荷等多体系构成的综合验证平台，检验、验证和完善项目获得的理论和工程技术成果，为大规模高效液流储能电池的工程化、实用化提供理论指导和基础工程技术支撑。 （ 6）申报与获授权发明专利 50 项以上，发表在 SCI 和 EI 收录论文200 篇以上；培养 2～ 3 名具有国际影响的 学术带头人和一批中青年学术骨干；培养出 50 名以上本项目相关领域的研究生。 三、研究方案 本项目针对太阳能、风能等可再生能源发电系统的非稳态特性和电力系统平衡负荷对储能技术的需要，研究大规模高效全钒液流电池储能技术和系统中的基础科学问题。 重点研究决定液流储能电池系统稳定性、耐久性、能量效率和制造成本的电解质溶液、离子交换膜和电极极板材料的组分设计、合成方法和批量化制备工艺的基础理论和工程技术。 探索高效能液流储能电池新体系。 结合大功率电池模块及系统结构设计的模拟仿真，建立液流电池储能系统规模放大的理论体系，探 索发电、储能、用电复合体系的系统耦合技术和综合能量控制管理策略，为大规模高效液流电池储能技术的工程化和实用化提供基础理论支撑，满足太阳能、风能等可再生能源发电普及应用及电力系统节能减排重大国策对大规模高效储能技术的重大需求。 项目的总体学术思想 本项目研究的总体学术思路如下图 所示。 以物理化学、电化学、材料化学、化学工程、电力电子学、化学分析、表面科学等多学科的基础理论为科学基础，从发展大规模高效液流储能电池关键材料、核心部件及电池系统基础理论的角度出发，围绕本项目所提出的关键科学问题和主要研究内 容展开深入、系统、扎实的研究。 以求在5 年内取得具有原始创新的突破性基础研究成果，揭示电解质溶液、离子交换膜、电极极板等关键材料的构效关系、多组分协同作用机理、材料组分和合成方法对稳定性、耐久性的关联及调控机制。 建立电池模块、电池系统及多体系系统耦合的数学模型，采用模拟仿真等现代技术手段，揭示材料规模放大与性能调控机制，结构设计对电池性能的影响。 探索发电、储电、电能转换、用电复合体系的系统耦合和综合能量管理控制策略。 综合项目的研究成果，集成出 5kW/50kWh 液流电池储能系统研究平台，实验验证、优化、完善基础 研究成果。 建立和完善大规模高效液流电池储能技术科学理论体系。 为大规模高效液流储能电池技术的工程化、实用化、产业化提供系统的基础理论支撑。 图 本项目研究的总体学术思路 技术途径 科学需求 大规模高效液流电池储能技术学科发展需求 社会需求 可再生能源发电的普及 节能减排重大国策的落实 待 解决的科学与技术问题 1. 大规模高效液流电池储能技术基础理论 2. 大规模高效液流储能电池基础工程技术 1. 关键材料规模化制备工艺 2. 电池模块与电池系统规模放大的模拟仿真及系统集成方法 3. 多体系的系统耦合及综合能量控制管理策略 1. 电池相关反应机理及调控机制 2. 高 性能、低成本关键材料设计理论与合成方法 3. 模拟仿真模型及模拟仿真理论 4. 多体系耦合及控制管理策略的原理 成果与成果验证  建立大规模高效液流电池储能技术科学理论体系  创建综合验证平台，实验验证、优化基础理论和工程技术，推进实用化 研 究 内 容 本项目围绕大规模高效液流电池储能技术重大基础理论与关键技术问题，开展从反应机理与调控机制到合成方法与制备工艺，从结构设计的模拟仿真到系统耦合及能量管理策略的基础理论研究；开展制备方法与工艺、部件及系统设计与集成的工程技术研究；采用先进的现代分析手段，完成材料结构 、形态、物性的表征；采用仪器分析和化学分析的方法，开展反应机理的研究；通过模拟仿真和实验研究，建立关键材料、核心部件、系统集成及系统耦合与综合能量管理策略的理论体系。 采用现代合成与制备加工技术，完成本项目中电解质溶液、离子交换膜、电极极板、电池模块和系统部件的合成、制备、加工和集成。 为体现、验证和完善本项目获得的理论、方法，集中项目各课题的研究成果，构建含太阳能 /风能发电、 5kW/50kWh 液流储能电池、电能变换器及用电负载等的综合系统验证平台，验证和完善本项目所获得的基础理论和基础工程技术。 完成从理论到技 术，从单元到系统，从测试表征到验证平台及工程化的基础理论与工程技术研究。 项目创新性与特色 项目的主要创新点 基础理论创新 在深入研究的基础上，揭示电解质溶液、离子交换膜及电极极板等液流储能电池关键材料的构效关系。 建立液流储能电池高浓度、多价态复杂电解质体系的溶液化学理论；掌握离子交换膜构效关系及多离子传导机理；阐明多场协同作用下的电极反应过程动力学；构建电池模块及电池系统的理论模型及其规模放大的模拟仿真方法；完善发电、储能、电能变换、用电负荷等多体系间的系统耦合技术和综合能量 管理控制策略。 方法创新 在液流储能电池关键材料的构效关系等基础理论和设计原理的研究基础上，利用多种现代合成手段，建立液流储能电池电解质溶液，离子交换膜及电极极板材料合成、制备及材料物性表征评价的新方法；建立多场协同作用下高浓度复杂溶液体系的物理化学研究方法，建立液流储能电池模块及电池系统结构设计优化的模拟仿真理论和批量制备及系统集成新方法。 系统集成创新 利用本项目研制的电解质溶液、离子交换膜、电极极板材料和电池模块及电池系统的结构设计和系统集成模拟仿真成果，集成出输出功率为 5kW，储能容量为 50kWh 的液流储能电池系统。 综合本项目研究成果，集成出包括风光互补发电体系，上述液流储能电池体系，电能变换体系和用电负荷的综合验证研究平台。 通过实验验证，改进和完善所获得的基础理论和基础工程技术，为液流电池储能系统规模放大和实际应用奠定基础。 项目的特色 针对国家重大需求 本项目针对我国太阳能和风能等可再生能源发电的普及应用及电力系统平衡用户端负荷、提高电能利用效率、落实节能减排目标对大规模高效液流储能技术的重大需求开展基础研究，解决实用化前必须突破的关键科学问题， 有着直接而明确的应用背景。 综合性、系统性的创新研究 本项目充分融合多学科协同研究的特点，涉及物理化学、电化学、材料化学、化学工程、电力电子学、化学分析、表面科学等多学科领域。 其研究目标的实现，必将带动多学科交叉基础理论体系的发展。 项目研究内容既涉及液流储能电池关键材料、电极反应机理及物性调控机制，又包括电池模块及电池系统结构设计的模拟仿真及规模放大，发电、储电、电能变换、用电负荷等多体系的系统耦合和综合能量管理控制策略。 其关键科学问题的突破，将推动我国大规模液流储能技术的进步和实际应用。 创新的组织实施机制 本项目采用产、学、研密切合作的创新组织实施模式，项目合作团队中既有清华大学、中南大学、华中科技大学等大学研究团队，又有大连化学物理研究所，金属研究所等中国科学院的研究单位和解放军防化研究院的总装备部的研究机构，还有以大规模高效液流储能电池产业化为主的大连融科储能技术发展有限公司和液流电池储能技术的潜在用户 — 国家电网下属的中国电力科学研究院。 项目从工程化和产业化的要求出发，凝炼出关键科学问题和研究目标，设立了研究内容。 创新的主体在企业，项目的成功必将推动我国大规模高效液流储能电 池的工程化和产业化进程。 取得重大突破的可行性分析 明确的学术思想、研究目标、可行的技术路线 本项目组织了中国科学院、教育部、中国人民解放军、国家电网所属的在液流储能电池相关学科领域如液流电池储能技术、燃料电池、二次电池、电化学、新材料、电力电子，有着多年研究工作积累和雄厚基础的单位及相关企业强强联合，突出学科交叉合作，针对国家可再生能源的普及应用和电力系统节能减排对大规模高效储能技术的重大需求，凝练研究目标和关键科学问题，设置研究课题和研究内容，组织研究队伍，开展深入系统的理论、实验和 模拟仿真的研究工作，为液流储能电池关键材料、系统集成和实用化工程开发提供基础理论、科学方法支撑。 项目的前期研究工作已取得了重大进展，关键科学问题源于工程开发中遇到的瓶颈问题，具有明确的研究目标。 总体学术思想凝练于前期研究工作中所获得的经验积累，研究方案经过了反复的科学论证，技术路线注意了与应用技术及工程化、规模放大的衔接。 产、学、研有机结合的研究团队和先进的研究平台及良好的前期研究积累 本项目组织了全国在液流储能电池、燃料电池、电化学、材料学、电力电子等学科中在高效储能技术相关领域有着 研究经验积累、学术思想活跃，团结合作的研究队伍。 项目研究合作团队来自 4 个国家实验室或国家重点实验室， 3 个国家工程研究中心， 5 个省部级重点实验室，代表了我国在大规模液流电池储能技术相关领域的优势研究力量。 研究团队中包括 2 名院士， 32 名具有高级职称的研究人员，一大批年轻的博士研究人员和研究生拟参加本项目的研究工作。 项目参加单位近五年来，相互间建立了不同形式的合作关系，形成了优势互补、上下游结合的研究团队，通过合作研究和学术交流，对项目的关键科学问题的理解和研究方案已形成了统一的认识，为实现项目的研究目标奠定了人 才基础和学术基础。 项目参加单位在各自承担的研究课题方面有良好的学术氛围和前期研究工作基础，积累了丰富的研究经验，具备较好的研究工作条件和测试表征手段，完全可以满足本项目研究工作的需要。 四、年度计划 研究内容 预期目标 第一年度 进行液流储能电池关键材料的构效关系和影响机制的初步 研究。 包括探索电解液中元素组成、活性离子存在形态、温度、酸浓度、活性物种存在形态与含量、制备方法、添加剂对电解液性能的影响规律；筛选性能优异膜材料，考察现有材料的热力学平衡关系和离子传导机理；研究电极极板表 面性质和导电性对电极性能的影响规律；以及探索高比能量新电对体系及锌溴电池中负极锌沉积规律。 通过实验的方法确定电池模块和系统模拟仿真的相关参数； 研究液流储能电池系统能量转换过程耦合机理及能量贯穿性分析和系统功率变换网络拓扑级联优化方法。 初步确立电解液制备方法；建立活性物中在线分析检测方法；初步探讨电解液失稳的内在原因及电化学性能影响因素； 初步确定较好稳定性的基膜材料，了解各种离子在膜中的迁移规律； 揭示电极表面性质对电极影响规律； 探索 23 种液流电池电对新体系，初步探明锌溴电 池中锌沉积 /溶解的影响因素。 建立液流储能单电池模拟仿真模型，实现不同结构设计单电池性能的预测；揭示单电池内电流密度分布、浓度分布以及温度分布的规律；完成大面积液流储能单电池试制试验。 完成液流电池特性试验和电气建模，建立系统功率变换拓扑模拟仿真模型。 培养研究生 10 人以上，发表文章 27 篇以上，申请专利 10 项以上。 第二年度 确定液流储能电池关键材料组分设计理论和合成方法，明确相关反应与性能影响机理。 包括制备条件、支持电解液浓度、添加剂对电解液稳定性影响规律研究及活性离子存在形态在 线检测方法研究。 聚偏氟乙烯基、非氟烃类及阴阳复合离子交换膜的合成设计理论初步研究，及相应膜材料的离子传导机理研究。 电极石墨化处理工艺、一体化电极极板结构设计基础、金属基复合极板制备技术及电极反应动力学方程研究。 组配单电极液流电池，及建立高浓度、高稳定性电解液制备方法及性能调控机制；初步完成电解质溶液失稳内在原因分析。 初步确定离子交换膜合成方法和合成路线，明确离子在膜内传导规律。 掌握电极表面性质对电极性能影响规律；确定一体化电极极板设计原则；建立金属基复合极板制备方法；建立 12 中钒离子电极反应过程动力学方程； 初步掌握新体系电池的组配方法，调控负极锌在充放电过程中的形貌，延长寿命。 锌溴电池负极锌电化学形貌及微结构调控策略研究。 构建液流储能电池模块模拟仿真模型，与实验手段相结合，进行模块流道设计和分析漏电电流的形成；进行 5kW、 10kW、20kW 级液流储能电池模块试制试验。 研究液流储能电池与电力变换器的模块化集成方法；电气网络拓扑结构的模拟仿真； 液流储能电池控制系统的信息获取、处理与融合技术。 建立电池模块模拟仿真模型，实现不同结构设计的电池模块性能的预测；完成 5kW、10kW、 20kW 级液流储能电池模块试制试验。 建立液流电池与电力变换器集成的仿真模型；建立液流储能电池监控系统分析理论及运行状态预测模型。 培养研究生 11 人以上，发表文章 40 篇以上，申请专利 12 项以上。 第三年度 考察外界影响因素和电化学反应 对电解液稳定性的影响；研究活性物种迁移规律；计算模拟添加剂分子对活性物种的作用方式。 优化离子交换膜材料合成条件，开发成膜工艺。 优化一体化电极极板结构与制备技术，考察金属基极板的构效关系。