金屬所高性能全釩液流電池儲能技術研究獲進展

　　全釩液流電池儲能技術通過不同價態的金屬釩離子相互轉化實現電能的存儲與釋放，具有本質安全、設計靈活、成熟度高的特點。該技術是雙碳戰略下國家電力系統長時儲能領域首選的電化學儲能技術路線。“新一代100MW級全釩液流電池儲能技術及應用示范”作為國家十四五重點研發計劃支持項目，對高性能全釩液流電池儲能系統運行提出了更高的性能要求。而電極系統作為釩離子電化學氧化還原反應發生的媒介，其傳質特性與活化特性直接決定全釩液流電池的轉換效率。因此，開發適用于工程化應用的電極結構優化策略與材料調控方法，是實現高性能全釩液流電池運行的基礎與核心。近期，中國科學院金屬研究所材料腐蝕與防護中心腐蝕電化學課題組在高性能全釩液流電池儲能技術研究領域取得一系列新進展。科研人員在深入理解電池極化特性的基礎上，以電極系統傳質特性和電化學活性為切入點，以工程化應用為導向，先后通過引入流場優化設計和電極改性調控，顯著降低了電池濃差極化與活化極化，實現了全釩液流電池高性能長循環運行。

　　全釩液流電池正負極以不同價態釩離子為活性物質，以水系溶液為支持電解質，具有環境友好和容量可恢復等優勢，但受電極內部活性物質傳質特性和流阻的局限，目前高功率全釩液流電池電堆運行仍面臨挑戰。針對這一問題，研究人員運用有限元仿真與實驗相結合的方式，通過在電極系統中引入結構化流場設計，開展傳質、傳動量與電化學反應多物理場耦合作用下的電池內部模擬分析（圖1），優化了高電流密度下電極內部的傳質特性，協同降低了電池濃差極化與流動阻力，有效提升了高電流密度下單電池的轉換效率，同時，對32kW電堆的動態模擬預測顯示，電堆在200 mA cm-2高電流密度下恒流運行系統轉換效率可提升約15%（圖2），為實現高功率電堆設計與開發提供了新方法與新途徑。相關成果以Regulating flow field design on carbon felt electrode towards high power density operation of vanadium flow batteries為題，發表在《化學工程雜志》（Chemical Engineering Journal 2022, 450, 138170）上。

　　傳質特性的優化在提升全釩液流電池高功率運行方面展示了顯著效果，但全釩液流電池負極側V2+/V3+遲緩的電化學動力學特性仍在一定程度制約了全釩液流電池高功率運行下的轉換效率。針對這一問題，在課題組前期雜原子摻雜調控電極的研究基礎上，科研人員提出了工程化易操作的基于固-固轉化的電脫氧工藝方法。該方法在堿性條件下通過還原涂覆在電極纖維界面Bi2O3粉末，制備了具有高氧化還原可逆性的Bi負載電極（圖3），顯著提升了負極V2+/V3+電化學動力學特性。理論計算進一步揭示了V-3d和Bi-6p軌道雜化作用對電荷轉移過程的促進作用。以此為基礎組裝的全電池實現了350 mA cm-2電密下450個循環73.6%的穩定能量轉換效率輸出（圖4），400 mA cm-2高電密下運行轉換效率有效提升近10%，為高功率電堆開發提供了技術支撐。相關成果以Boosting anode kinetics in vanadium flow batteries with catalytic bismuth nanoparticle decorated carbon felt via electro-deoxidization processing為題，發表在《材料化學雜志A》（Journal of Materials Chemistry A，DOI：10.1039/D2TA09909H）上。

圖1.（a）電池結構示意圖；（b）電池壓降仿真；（c）流速、反應物濃度及濃差極化分布仿真。

圖2.（a）電極物理及電化學測試；（b）全釩液流電池實驗；（c）電堆動態模擬。

圖3.（a）電脫氧制備工藝；（b）熱力學計算和脫氧反應機理；（c）電解池示意圖及循環伏安曲線圖；（d）還原電位及表面形貌圖；（e）電極成分表征。

圖4.（a）電極物理及電化學表征；（b）界面電化學理論計算；（c）全釩液流電池實驗。