全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)不同價(jià)態(tài)的金屬釩離子相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)與釋放，本質(zhì)安全、設(shè)計(jì)靈活、成熟度高。該技術(shù)是雙碳戰(zhàn)略下國(guó)家電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域首選的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)路線。“新一代100MW級(jí)全釩液流電池 儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用示范”作為國(guó)家“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持項(xiàng)目，對(duì)高性能全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行提出了更高的性能要求。而電極系統(tǒng)作為釩離子電化學(xué)氧化還原反應(yīng)發(fā)生的媒介，其傳質(zhì)特性與活化特性直接決定全釩液流電池的轉(zhuǎn)換效率。因此，開(kāi)發(fā)適用于工程化應(yīng)用的電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略與材料調(diào)控方法，是實(shí)現(xiàn)高性能全釩液流電池運(yùn)行的基礎(chǔ)與核心。

近期，某金屬研究所材料腐蝕與防護(hù)中心腐蝕電化學(xué)課題組在高性能全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)研究領(lǐng)域取得一系列新進(jìn)展?？蒲腥藛T在深入理解電池極化特性的基礎(chǔ)上，以電極系統(tǒng)傳質(zhì)特性和電化學(xué)活性為切入點(diǎn) ，以工程化應(yīng)用為導(dǎo)向，先后通過(guò)引入流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和電極改性調(diào)控，顯著降低了電池濃差極化與活化極化，實(shí)現(xiàn)了全釩液流電池高性能長(zhǎng)循環(huán)運(yùn)行。

全釩液流電池正負(fù)極以不同價(jià)態(tài)釩離子為活性物質(zhì)，以水系溶液為支持電解質(zhì)，具有環(huán)境友好和容量可恢復(fù)等優(yōu)勢(shì) ，但受電極內(nèi)部活性物質(zhì)傳質(zhì)特性和流阻的局限，目前高功率全釩液流電池電堆運(yùn)行仍面臨挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員運(yùn)用有限元仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，通過(guò)在電極系統(tǒng)中引入結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)，開(kāi)展傳質(zhì)、傳動(dòng)量與電化學(xué)反應(yīng)多物理場(chǎng)耦合作用下的電池內(nèi)部模擬分析，優(yōu)化了高電流密度下電極內(nèi)部的傳質(zhì)特性，協(xié)同降低了電池濃差極化與流動(dòng)阻力，有效提升了高電流密度下單電池的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)，對(duì)32kW電堆的動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)顯示，電堆在2 00 mA/cm^-2高電流密度下恒流運(yùn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率可提升約15%，為實(shí)現(xiàn)高功率電堆設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了新方法與新途徑。

傳質(zhì)特性的優(yōu)化在提升全釩液流電池高功率運(yùn)行方面展示了顯著效果，但全釩液流電池負(fù)極側(cè)V2+/V3+遲緩的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性仍在一定程度制約了全釩液流電池高功率運(yùn)行下的轉(zhuǎn)換效率。

針對(duì)這一問(wèn)題，在課題組前期雜原子摻雜調(diào)控電極的研究基礎(chǔ)上，科研人員提出了工程化易操作的基于固-固轉(zhuǎn)化的電脫氧工藝方法。該方法在堿性條件下通過(guò)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(fù)載電極，顯著提升了負(fù)極V2+/V 3+電化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性。理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了V-3d和Bi-6p軌道雜化作用對(duì)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的促進(jìn)作用。以此為基礎(chǔ)組裝的全電池實(shí)現(xiàn)了350 A/ ㎡電密下450個(gè)循環(huán)73.6%的穩(wěn)定能量轉(zhuǎn)換效率輸出，400 A/㎡高電密下運(yùn)行轉(zhuǎn)換效率有效提升近10%，為高功率電堆開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。