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上海交大蒋峰景：低成本液流电池关键技术的研究
5月24日，由中国化学与物理电源行业协会主办，200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。此次大会主题是“坚守储能安全底线，推动产业创新发展”。来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的718家产业链企业，1952位嘉宾参加了本届大会，其中88家企业展示了储能产品。
在5月26日下午的“新型储能技术及应用”专场，上海交通大学副教授蒋峰景 分享了主题报告《低成本液流电池关键技术的研究》。经演讲人本人授权同意，小编整理了演讲速记，并将速记内容分享如下：
蒋峰景：各位专家，各位同行，大家下午好！非常感谢组委会的邀请。
刚才前面李教授说，我们从事液流电池这个领域的人不多，但是我刚才听下来，我们李教授提到了液流电池，宋教授也提到了液流电池，所以前面两位专家的发言让我觉得并没有那么孤单。
今天我看到了list上的一些题目，有非常多的题目都非常的高大上，我这个报告的题目则强调“低”。我想了一下，我觉得我现在所从事的关于液流电池的工作重点，或者说我需要达到的最大目的，就是要解决现在液流电池，包括全钒液流电池来产业化中遇到的问题，就是降低成本的问题，所以我的汇报将围绕低成本这个关键词来展开。
（图示）这是我今天汇报的主要内容：第一部分，液流电池的工作原理和研究背景；第二部分，低成本、高性能液流电池双极板开发；第三部分，低成本、高性能离子导电膜研究。
首先，我想简单介绍一下液流电池的工作原理。各位可以看一下，液流电池最大的特点就是把它的活性物质就是存储能量的物质放在了电堆外面的两个比较独立的罐子里，这是和锂电池最大的不同。为什么说锂电池会遇到安全问题，是因为它把两个脾气火爆的家伙放在狭小密闭的空间里，所以说锂电池需要关注安全性问题，但是液流电池从它天然的特质上来说，在安全性方面是有优势的。
（图示）在我们充放电的过程中，只需要把我们的储能物质，通过一个泵，使得电解液在电堆里进行循环，就可以进行充放电。在这个电池里，我们可以看到这个结构比较简单，液流电池的结构大致上和燃料电池是非常相似的。这些是里面用的比较多的零部件。我们要降电堆成本的话，还是要重点关注用量最多的零部件，从它们入手。可以看到里面用多的零部件是大家看到的这个黑色的极板，蓝色的离子导电膜，还有就是电极，一般是以石墨毡为主。石墨毡这从整个材料产业化的程度上来说，并不是太大的问题，所以我研究的内容主要是双极板和离子导电膜。
刚才李教授谈到了全钒液流电池，从它的性能以及各方面的项目验证来说，综合性能是比较好的一种液流电池，也是我们在液流电池产业化当中走的最前的一类液流电池，所以也是比较受关注。
由于液流电池以上的一些工作原理或者结构上的特点，使它具有一些独特的优势：第一，安全性。如果你用的液流电池是一个水系的液流电池，基本上它没有起火爆炸的风险。当你用到规模非常大的储能场所的时候，我们的安全性有保障。第二，环境友好。为什么说环境友好？因为在液流电池里，这些活性物质理论上来说可以终身使用，你可以对活性物质做调整，但是就物质上来说是终身使用。它不像其他的电池一样，用完遗弃以后会污染环境。第三，寿命长。从它工作的特点上来讲，它在充放电过程中，基本上都是可逆的一些电化学反应。比如说一些固态电极会存在不可逆的变化，导致它的寿命有一定限制，比较短。那么，我们这个电池基本上充放电可以到15000次以上，或者是10年以上的设计寿命。第四，深度充放电。我们在做锂电充放电的时候，要对它的充放电过程进行管理，充放电的电量、快慢、深度等都需要进行管理。第五，功率和容量独立，可以根据储能需求灵活配置。
下面，我想谈谈它的缺点。为什么很多储能行业的人都不是关注液流电池，因为它的能量密度比较低，初装成本高。我们和业内一些做全钒液流电池的同行交流过，现在从经济性上来说，还没有办法和锂电池进行比较。在成本的构成中分为两块：一是电解液。像全钒液流电池用的电解液就是钒，我们现在有一个新的液流电池，用的资源就是自然界储存非常丰富的资源。我记得美国一个做储能电池的一位教授讲过一句话，当我们要解决特别大规模的储能的时候，那么你用到的材料，特别是活性物质，要像从垃圾堆里捡来的一样便宜，这样才能满足我们大规模的储能，这个规模会远远大于我们现在电化学储能实际的规模。
液流电池应用场景比较多，虽然一般在3C场景或者电动车上不能用，但是其他的一些场景都能够用到。比如说光伏、风能的储能，海岛偏远地区的电力供应，工业园区的多能互补，以及峰谷套利。我看到有报道把全钒液流电池做为家庭储能，还有军事基地的电力供应，还有一些其他的比较重要场所的电力供应。比如说，像我们的数据中心，我们知道数据中心的耗电量非常大，对安全性有特别高的要求，实际上液流电池在这方面的应用还是有一些优势的。
（图示）这是一个全钒液流电池的电堆。我们打开这个电堆会发现，这里面由很多片的双极板、离子膜以及电极所构成的，所以我们要降电堆的成本，就是从这些地方进行着手。
第二部分，低成本、高性能液流电池双极板开发。
我要强调的是，我们永远不要单独去谈低成本，也不要撇开成本去谈高性能，在产业化中这两者是需要同时解决的。液流电池的双极板有比较高的性能上的要求，比如说导电性要高，机械强度高，耐腐蚀、致密性好，低材料成本，以及生产成本低，生产效率高。我们现在要解决的最大问题在于，我们怎么样非常大规模地、非常高效率地生产双极板，以及我们配套的工艺，这和双极板的配方以及材料选择有很大的关系。
在双极板里，我们需要解决的是什么问题呢？就是以下三个相互制约的问题：导电率VS机械强度、导电率VS生产成本、性能VS成本。我们的解决方案是什么？我们的方案是要设计低碳含量、高导电率石墨复合双极板，如果能够达到这一点，以上的问题都可以迎刃而解。那么，怎么做呢？在常规的导电复合材料当中，比如说黄色的区域是石墨，是导电区域，蓝色是我们的树脂，常规方法你把它混在一起是这样的，导电的颗粒会单独形成一个区域，树脂会包裹在外。那么，这时候你需要很高含量的导电颗粒才能得到高的导电率。而我们的办法是通过加入一些比较特殊的高导电的二维材料，把一些孤立的导电区域点连接起来。当然，从材料的配方和工艺上都要有一些独特的操作。这么做以后，我们取得了一个非常显著的效果，大家看这张图（图示），我们可以看到这个区域的导电情况，当我们通过这种方法以后，15%的时候或者是30%以内，整个导电区域的连通就非常好，这是让我们比较惊喜的地方。
（图示）然后我们就去测它的电阻，发现当我们的导电材料的含量达到15%，电阻就可以达到美国能源部对于燃料电池双极板的要求，所以这也是一个非常大的性能上的提升。红色的是能源部对燃料电池双极板的要求，我还没有看到对液流电池双极板的要求，所以暂时用的是这个要求。
（图示）接下来，我们再测机械强度。实际上，我们可以看到，它的机械强度有一定的优势，优势是它的弯曲强度可以达到35MPa以上，红色的线就是美国能源局对双极板弯曲强度的要求，我们远远高于这个值。
（图示）下面，来看看电池性能。黑色的线是我们常用的纯石墨板的性能，蓝色的线是我们自己做的双极板性能，基本上这两种双极板的电池性能没有太大的差异。刚才讲，我们降低成本的时候，一定不能放弃高性能，因为将来的液流电池一定是朝着更高的电密方向来走，这也是降成本的一个很好的方式。你的功率密度提高或者说电流密度提高以后，对双极板的导电性要求自然而然就会提高，所以我们和石墨板做对比。
（图示）关于致密性，我们把它放到电解液里，我们通过一定的技术来测里面迁移的钒离子数量，没有测到钒离子在双极板中的迁移，这也不意外，因为它里面的树脂含量特别高，所以致密性上来说，应该是没有问题。包括一些腐蚀性的测试，我们都和石墨板做一些对比，也是差不多的水平。
（图示）这是我们做的充放电循环稳定性测试，做了2000次的循环，发现它在效率上还是比较稳定的，当中我们看到有些波动，是电池在不同的温度环境或者说电解液发生了迁移，产生的波动，是正常的波动，但是从双极板的效率上来说，我们没有看到明显的变化。
对这部分做一个小结：低碳含量石墨复合双极板技术可以解决导电率和机械强度、性能和生产工艺、价格和性能相互制约的问题，将来可以满足低成本、高性能液流电池双极板大规模生产需求。所以我们也希望能够看到，在后面我们的电堆里，能够全部用我们自己的双极板。
第三部分，低成本、高性能的离子导电膜研究。
Nafion为代表的全氟磺酸膜是目前综合性能最好的离子膜，但是它存在的问题是：第一，价格高，在1000-5000元/平米。那么，你光在膜上的成本就很高的，这是一个需要重点来解决的问题。其他还有钒离子渗透、溶胀比较显著的问题，溶胀会导致钒离子渗透加剧，在我们装配的时候也会带来一些麻烦。所以无论从成本上，还是性能上，都是值得去开发新的离子导电膜来替代它的。
我们采用了一种什么方案呢？我们用高化学稳定性工业树脂作为膜材料。什么是工业树脂？工业树脂就是说我们现在工业化程度比较高的树脂，我是指这个意思。就是说，用现在工业化水平比较高的，产量比较大的材料来做离子导电膜，就可以快速降低离子导电膜的成本。因此，我们课题组就开始做这个事情，直接目标就是降低成本，如果你能用这个，成本是可以降下来的，现在剩下的问题是你怎么使它具有高的自主导电率、离子选择性，这是非常不容易的，接下来我们要通过一个方法，要让一些普通的树脂具有离子选择或者质子导电的功能。
我们的方法是这样的，也是受到国内其他课题组的启发，我们不要用离子交换基团来传导质子，选择离子，我们是用多孔膜，但是怎么去做这个孔？这是比较有讲究的地方，我们用了一种新的方法，把它称为控制溶胀-固定法。这种方法说起来很简单，就是把一种树脂薄膜在一个能够溶胀的液体中溶胀，溶胀的过程中分子链就会拉升，那么它会产生一些分子级别尺寸的间隙，而这些尺寸范围内的间隙正是我们可以用来做离子选择的间隙。如果用传统过滤摸的方法，是无法做离子选择的，所以我们需要一些能够精细控制孔尺寸的方法。这个方法也比较简单，也符合我们对于低成本控制的要求。整个原理很简单，就是拿一张塑料膜，放在溶胀液里泡一下，泡到一定程度把它固定下来，这对生产来说也是比较好控制。
我们对上述工艺进行试验，测试以后发现，我们拿一张普通的塑料膜，采用这种方法，我们可以对它的离子选择进行连续精确调控，也就是说，我需要它导电率高一点，或者说离子选择性高一点，都可以实现，这就让我们觉得很有信心。为什么？因为这种方法可以用到很多材料上去，几乎所有的可溶性树脂都可以用这种方法来做，那么我们在材料选择上有很大的空间和余地。
我们又测试了它的一些关键性能，比如说它的拉伸强度，可以知道在我们比较合适的孔隙率范围内，有比较好的导电率和离子选择性，这个时候它的拉伸强度是很高的，没有产生另外一个短板。最终我们还是要上电池来测试，我们比较了在不同电密下的一些电池的性能，发现电池充放电的能量效率可以达到83%以上，我认为这是可以接受的，它和Nafion膜比较起来性能降幅没有那么大，但是它的价格下降的幅度非常大。
另外，我们对它的稳定性也做了一些测试，比如说我们测过几百次循环的充放电测试，没有发现衰减，但是在其他的材料中，比如说一些磺化树脂，发现稳定性下降比较明显，无法经受住几百次循环以上的测试。
控制溶胀-固定法的特点：第一，制膜工艺简单。第二，是一种通用薄膜技术，可应用于多种聚合物。第三，可以实现质子导电率和离子选择性的精确连续调控，这样我们的成本可能降低到200元/平方米以下。
（图示）这是我们课题组在这方面发表的成果。
几点建议：第一，降低成本不应该以大幅牺牲性能为代价；第二，低成本、高性能双极板和离子膜的开发是降低液流电池电堆成本的重要途径；第三，除了材料成本和性能外，需要重点关注生产成本、生产效率。
以上是我的分享，谢谢大家！
