液流电池储能技术及应用

　　本书共分为9章。第1章概要介绍适用于大规模储能的锂离子电池、钠硫电池、铅炭电池等电化学储能技术；第2章综合介绍液流电池的结构与组成、分类与特点及各种无机储能活性物质（电对）的液流电池技术的结构特点和研究开发进展；第3章、第4章、第5章分别详细介绍液流电池电解液、电极与双极板、离子交换（传导）膜等关键材料的功能、特点及技术发展现状；第6章全面介绍已实现了产业化应用且在长时段储能中具有广阔应用市场的全钒液流电池电堆及电池系统的结构、设计原则及方法、发展现状与挑战；第7章介绍数值模拟与结构设计及其在液流电池中应用的研究进展；第8章介绍水系、非水系液流电池技术的研究进展及发展前景；第9章举例介绍液流电池储能技术的应用。

　　张华民研究员从1982 年在日本留学时就开始了燃料电池相关技术的研究， 2000 年回国后开始布局液流电池技术的研究开发，在液流电池关键材料、核心部件、储能系统设计集成、控制管理等方面都取得了领先的成果，到 2019 年年末，已经在液流电池领域获得国家授权专利 260 余件，形成了完整的自主知识产权体系。作者的研究团队先后开展了多硫化钠/溴液流电池、全钒液流电池、锌/溴液流电池、锌/镍液流电池和锌/铁液流电池的电解液、电极双极板、新型离子交换（传导）膜等关键材料及电堆等核心部件的研究和工程开发，液流电池储能模块和大规模液流电池的系统设计、制造、集成和控制管理技术的研究开发及其工程化、产业化技术平台建设和工程应用示范，使我国全钒液流电池储能技术处于领先水平。

目录 

丛书序 

前言 

第1章 电化学储能技术 1 

1.1 概述 1 

1.2 锂离子电池 4 

1.2.1 锂离子电池的原理及特点 4 

1.2.2 锂离子电池的关键材料 5 

1.2.3 锂离子电池的应用及产业现状 9 

1.2.4 锂离子电池的发展趋势 13 

1.3 钠硫电池 13 

1.3.1 钠硫电池的结构和原理 14 

1.3.2 钠硫电池的特性 15 

1.3.3 钠硫电池的应用及产业现状 17 

1.3.4 钠硫电池的发展趋势 19 

1.4 铅炭电池 20 

1.4.1 铅炭电池的原理 20 

1.4.2 铅炭电池的种类和结构 20 

1.4.3 铅炭电池的技术发展现状 21 

1.4.4 铅炭电池的工程应用现状 22 

1.4.5 铅炭电池存在的主要问题及研究开发重点 26 

参考文献 27 

第2章 液流电池储能技术 31 

2.1 概述 31 

2.2 液流电池的结构与组成 35 

2.2.1 液流电池单电池 35 

2.2.2 液流电池电堆 36 

2.2.3 液流电池系统及液流电池储能系统 38 

2.3 液流电池的分类与特点 39 

2.4 液流电池性能的评价方法 40 

2.4.1 充、放电性能测试 42 

2.4.2 极化曲线测试 48 

2.4.3 充、放电性能和极化曲线的关系 51 

2.5 铁/铬液流电池 53 

2.6 锌/溴液流电池 55 

2.6.1 锌/溴液流电池的工作原理及特点 55 

2.6.2 锌/溴液流电池的研究进展 57 

2.7 锌/溴单液流电池 66 

2.7.1 锌/溴单液流电池的工作原理及特点 66 

2.7.2 锌/溴单液流电池的研究进展 69 

2.8 钒/溴液流电池 69 

2.8.1 钒/溴液流电池的工作原理及特点 69 

2.8.2 钒/溴液流电池的研究进展 70 

2.9 锌/镍单液流电池 71 

2.9.1 锌/镍单液流电池的工作原理及特点 72 

2.9.2 锌/镍单液流电池的研究进展 73 

2.9.3 锌/镍单液流电池的应用示范 75 

2.10 多硫化钠/溴液流电池 76 

2.10.1 多硫化钠/溴液流电池的工作原理及特点 76 

2.10.2 多硫化钠/溴液流电池的发展历程 77 

2.10.3 多硫化钠/溴液流电池的研究进展 79 

2.11 锌/铈液流电池 84 

2.12 铅酸单液流电池 84 

2.13 锌/铁液流电池 85 

2.13.1 碱性锌/铁液流电池 85 

2.13.2 中性锌/铁液流电池 88 

参考文献 91 

第3章 液流电池电解液 98 

3.1 铁/铬液流电池电解液 98 

3.2 多硫化钠/溴液流电池电解液 100 

3.2.1 多硫化钠负极电解液的制备 101 

3.2.2 多硫化钠负极电解液对电池循环性能的影响 102 

3.2.3 多硫化钠负极电解液的初始组成分析 105 

3.2.4 溶液组成与平衡电位随电池荷电状态的变化 107 

3.2.5 初始组成对溶液稳定性的影响 110 

3.3 全钒液流电池电解液 112 

3.3.1 钒化学的相关知识 112 

3.3.2 电解液对全钒液流电池性能的影响 137 

3.3.3 正、负极电解液中水和钒离子的迁移规律 144 

3.3.4 电解液中质子浓度对全钒液流电池储能容量的影响 158 

3.3.5 电解液离子在离子交换膜中的传输机理 167 

3.3.6 离子传输过程中的物料守恒及电荷守恒 169 

3.3.7 全钒液流电池效率及储能容量稳定性 170 

3.3.8 储能容量的提升及恢复策略 171 

3.3.9 全钒液流电池电解液的稳定性 174 

参考文献 178 

第4章 液流电池电极与双极板 183 

4.1 液流电池电极 183 

4.1.1 电极的功能与作用 183 

4.1.2 电极的特点与分类 183 

4.1.3 液流电池电极材料的发展现状 185 

4.2 液流电池双极板 194 

4.2.1 双极板的功能与作用 194 

4.2.2 双极板的特点与分类 195 

4.2.3 双极板的发展现状 196 

参考文献 200 

第5章 液流电池用离子交换（传导）膜 203 

5.1 离子交换（传导）膜的作用和性能要求 203 

5.2 全钒液流电池用离子交换（传导）膜的分类及特点 204 

5.3 全钒液流电池用离子交换（传导）膜材料 204 

5.3.1 全氟磺酸离子交换膜 204 

5.3.2 部分氟化离子交换膜 212 

5.3.3 非氟离子交换膜 214 

5.3.4 多孔离子传导膜 223 

参考文献 238 

第6章 全钒液流电池电堆及系统技术 243 

6.1 概述 243 

6.2 全钒液流电池的原理和特点 244 

6.3 全钒液流电池电堆的结构设计 247 

6.3.1 电堆的构成 247 

6.3.2 电堆中的电解液分布 247 

6.3.3 电堆的共用管路设计 249 

6.3.4 电堆的密封材料与结构 250 

6.3.5 端板和导流板 250 

6.3.6 电堆的组成与组装 251 

6.4 电堆的设计原则 252 

6.4.1 电堆的额定输出功率与额定能量效率 252 

6.4.2 低流阻、高均匀性流场结构 253 

6.4.3 漏电电流的控制 254 

6.4.4 电堆的可靠性与安全性 256 

6.5 全钒液流电池储能系统 256 

6.5.1 全钒液流电池系统的组成 256 

6.5.2 全钒液流电池系统的设计原则 257 

6.5.3 全钒液流电池的控制管理系统 260 

6.6 液流电池发展现状与挑战 262 

参考文献 264 

第7章 数值模拟与结构设计及其在液流电池中的应用 266 

7.1 概述 266 

7.2 全钒液流电池数学模型的研究进展 267 

7.2.1 电解液流动模型 268 

7.2.2 二维多物理场耦合模型 268 

7.2.3 三维多物理场耦合模型 274 

7.3 全钒液流电池结构设计的研究进展 277 

7.3.1 全钒液流电池的部件及结构 277 

7.3.2 电解液流动方式 281 

7.3.3 全钒液流电池流场结构设计的研究进展 283 

参考文献 292 

第8章 新型电对液流电池探索 296 

8.1 非水系液流电池 296 

8.1.1 Li/TEMPO 液流电池 296 

8.1.2 Li/BODMA 液流电池 297 

8.1.3 Li/醌类化合物液流电池 298 

8.1.4 Li/二茂铁液流电池 299 

8.1.5 Li/Br2 液流电池 300 

8.1.6 FL/DBMMB 液流电池 301 

8.2 水系新型液流电池 301 

8.2.1 水系有机电对液流电池 301 

8.2.2 新型水系无机电对液流电池 310 

参考文献 321 

第9章 液流电池储能技术的应用 323 

9.1 液流电池储能技术的应用概况 323 

9.1.1 液流电池的典型应用领域 323 

9.1.2 液流电池储能系统的应用 324 

9.2 液流电池在可再生能源发电中的应用 331 

9.3 液流电池在可再生能源发电中的应用案例 336 

9.3.1 澳大利亚国王岛风电储能项目 336 

9.3.2 日本住友电气工业株式会社在北海道风电场的储能项目 337 

9.3.3 张北国家风光储输全钒液流电池项目 339 

9.3.4 辽宁中国国电石风电储能项目 340 

9.4 液流电池储能技术在电网侧的应用 345 

9.4.1 液流电池在电网侧的作用和价值 345 

9.4.2 输电网发展面临的突出问题 345 

9.4.3 储能系统接入输电网所起的作用 346 

9.4.4 配电系统运行面临的挑战 348 

9.4.5 储能系统在配电网所起的作用 350 

9.5 液流电池在电网侧的应用案例 351 

9.5.1 美国犹他州Castle Valley 储能项目 351 

9.5.2 美国华盛顿州Avista 全钒液流电池储能项目 352 

9.5.3 中国辽宁大连液流电池储能调峰电站项目 353 

9.5.4 英国多硫化钠/溴液流电池储能电站 355 

9.6 液流电池在微电网和分布式储能中的应用案例 356 

9.6.1 液流电池在分布式储能中的作用和价值 356 

9.6.2 微电网经济运行优化 358 

9.7 液流电池在微电网和分布式储能中的应用案例 359 

9.7.1 日本住友电气工业株式会社横滨工厂微电网项目 359 

9.7.2 德国北海佩尔沃姆岛微电网项目 360 

9.7.3 中国北京、中国宁夏金风科技集团微电网项目 361 

9.7.4 中国辽宁旅顺蛇岛微电网储能项目 363 

9.7.5 锌/溴液流电池微电网储能项目 364 

9.8 液流电池应用的发展趋势 365 

参考文献 365 

索引 367