用于规模化储能应用的千瓦级锌镍单液流电池设计与研究
实现储能电池和电堆的规模化应用是实现可再生能源有效利用的必要基石，是实现国家双碳目标的有效保障。由于风、光等可再生能源的间歇性和不可控性，需要配套完善的储能设施才能发挥其可再生能源的潜力，让节能减排成为现实，让双碳目标更快达标。液流电池作为大规模储能领域中的明星产品，近年来正在高速发展,发展一种安全性更高，成本更为便宜，寿命更长，能量效率更高的切实能用的千瓦级液流电池单电堆具有重要意义。 基于此，本论文以应用为导向，以锌镍液流电池为对象，通过认识基本模型下传统锌镍液流电池工作运行的不同工况与性能之间的基本规律并对其工作极限边界展开研究，通过设计无空腔式锌镍液流电池的新电池结构，并对新结构下的无空腔式锌镍液流电池实现了逐级放大，最终实现了千瓦级锌镍液流电池的设计与组装。主要研究成果及创新点如下: 1.找到了锌镍单液流电池“工况参数-性能”之间的关系规律。锌镍液流电池作为液流电池整个行业的冰山一角，相比技术相对成熟的全钒液流电池和锌溴液流电池体系，无论是国内外研究团队还是文献数据参考都寥寥无几，因此需要成体系的完整的认识锌镍液流电池的不同运行工况与性能之间的基本规律和工作极限边界参数条件，以得到锌镍单液流电池在最佳工况下运行的参数条件和工作极限边界参数条件，并可以为后续锌镍液流电池面向大规模储能实际应用的运行条件和参数提供有价值的参考。为此，本工作将活性反应面积为1cm×1cm的传统的锌镍液流电池的电池模具定义为锌镍液流电池的基本模型，并对基本模型下的锌镍液流电池进行测试,找到了锌镍单液流电池“工况参数-性能”之间的关系规律，选取最佳工况条件，在35mAcm-2电流密度的工作电流下工作可以得到78.35％较优的能量效率，且能够稳定运行近100圈，然而同时在本工作中发现了锌镍单液流电池寿命较短的原因主要来自于其传统电池结构下结构设计的弊端。 2.设计了无空腔式锌镍液流电池新结构。传统结构下的锌镍单液流电池的电池内部正负极之间有空腔结构，其主要是供电解液流动并以电解液为“隔膜”将电池正负极隔开。然而这种空腔结构对于锌沉积是受青睐的，久而久之，由于锌沉积引发的锌积累和锌枝晶导致了电池内部正负极短路。为此，我们设计了一种无空腔式的锌镍液流电池的电池新结构。在这种新结构下，锌负极采用惰性导电的多孔电极，电池内部无空腔，锌沉积被迫发生在惰性导电的多孔电极中，一方面由于多孔电极丰富的多孔性，不仅加快了浓度更新速率降低了浓差极化，同时还增加了电化学活性面积，由此显著提高了电池的能量效率;另一方面由于多孔电极一定的孔隙率和电池内部无空腔，让锌的沉积溶解反应只能被迫发生在惰性导电的多孔电极内部，进而对锌晶体的沉积起到了限域作用。本工作设计了一种无空腔式锌镍液流电池新结构，解决了因锌枝晶生长导致正负极短路进而造成电池寿命短的问题，在35mAcm-2电流密度的工作电流下，能量效率最高可达84.35％,电池可稳定工作近650个循环能量效率均能稳定在75％以上，循环寿命相比传统结构提高了6 倍。 3.开发并组装了用于规模化储能应用的千瓦级锌镍单液流电池单电堆。本课题的核心思想是设计并开发用于规模化储能应用的储能器件，本工作以应用为导向，面向规模化储能实际应用发起冲击,采用化工反应器逐级放大的思想，从实验室一平方厘米的小电池入手，将锌镍液流电池逐级放大至千平方厘米级。然而在逐级放大的过程中，存在着传质、传热和反应的不均一性与不一致性，因此需要深入认识放大效应存在的原因，并找到众多放大效应因素中的决速因素。为此，本工作以克服放大效应为目标，成功设计、开发并组装了用于规模化储能应用的千瓦级锌镍液流电池单电堆，单堆工作电流可达44.415A(电流密度为35mAcm-2),电堆额定放电电压为65.80V,放电功率可达2.034kW。同时也为后人提供了一种液流电池从实验室一平方厘米级到中试级千平方厘米级逐级放大设计与组装的思路。
锌镍液流电池;结构设计;电堆开发;规模化储能;电解液
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
向中华
2023
中文
TM912
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）