夢想成真！用“水”做的電池彌補城市電網缺口

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2022年9月29日，對于中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員李先鋒來說，是個特殊的日子。百兆瓦級的液流電池儲能調峰電站進入并網調試最后階段，預計10月中旬正式投入使用。該電站是迄今為止全球功率最大、容量最大的液流電池儲能電站，對我國可再生能源的發展起到了至關重要的作用。

該項目由李先鋒團隊提供技術支撐、大連融科儲能技術發展有限公司提供儲能電池系統、大連恒流儲能電站有限公司建設和運營。

整個研究工作中，離不開拼搏在一線的科研工作者們，每一位學者都在其中奮斗著、經歷著，在一次次磨練中成長著，奉獻了一代又一代人的青春。

創新：“無中生有”的研究

大連化物所研究員張華民一直密切關注著這個項目的動向,前期在液流儲能電池關鍵材料與系統集成方面做出貢獻的他得知項目成功推動，心情也十分激動：“感覺我們的夢想成真了！”

回想之前的研究生涯，要追溯到2000年。張華民時任日本公司能源環境研究室主任，事業蒸蒸日上。但他在這一年，卻毅然決然放棄高薪，選擇到大連化物所工作。這次歸國，張華民是帶著“任務”回來的。

“我每年和德國的科學家有很多項目合作，接觸到了可再生能源。那時候，我就意識到了可再生能源將逐步由輔助能源變為主導能源。”張華民提到。

但是可再生能源具有波動性、不連續性等特點，這導致必須有大規模儲能技術與之配套，才能穩定運行，也就是說大規模儲能技術是可再生能源普及應用的瓶頸技術。而大規模儲能必須具備三個條件：安全性要高；生命周期的性價比要高，循環壽命要長；電池報廢以后不能對環境造成惡劣的影響。

想到這里，張華民堅定了要做大容量、大規模、長時間的儲能技術。帶著這份信念，他從日本飄洋過海回到大連，開始了儲能領域的新探索。在原料方面，團隊也進行了探究。

“考慮到安全性和容量可恢復性，我們想到了釩。”張華民說。

所有的液流電池都要擁有一個正極電對和一個負極電對，而全釩電池兩邊是同等元素，未來的回收及維護就相對簡單，即使長期運行正負極電解液中釩離子的價態失衡 ，也可以通過化學反應的方法將其修復。

然而，國際上的“風云變幻”帶給了團隊不小的壓力。

日本住友電工和加拿大VRB能源有限公司在釩液流電池的研發技術上位居前列。2005年，已經在領域內深耕20余年的日本住友電工因為成本問題突然停止了研究開發。2008年，加拿大VRB釩液流儲能公司又因為經濟危機而宣布破產。

“作為世界上做得最早的、最好的兩家企業，一個停止研究一個破產，我們當時壓力很大。”張華民告訴《中國科學報》。

2009年，從比利時留學回來的李先鋒加入大連化物所儲能技術研究團隊。新鮮血液的涌入為項目發展注入了不竭動力。

但對于團隊來說，全釩液流電池的研究并非是“站在巨人的肩膀上”。整個團隊沒有人在之前做過類似的研究，幾乎從“零”開始的項目對于全體人員來說都是一個莫大的挑戰。

“但是大家都知道，這對國家能源的發展將會起到至關重要的作用。”李先鋒說。為了實現“能源夢”，整個團隊堅定信念，向著目標進發。

經過分析，研究人員發現日本住友電工成本“居高不下”，主要是因為電解液的成本無法壓縮。如果團隊能在雙極板、傳導膜等方面有所突破，將可以通過減少材料成本達到降低整體項目成本的效果。而加拿大VRB公司并不掌握產業鏈的核心技術，這加速了該能源項目走向滅亡。從電解液、電極、膜、雙極板到電堆的系統集成，如果團隊可以掌握全產業鏈技術，這項困擾也將迎刃而解。

秉承著信念和決心，全體研究組一起開始攀登新的高峰。

探索：由“C”轉“O”的結構拼圖

隨后，電池的研發作為團隊的“拿手絕活”發展進入“快車道”，但是如何降低成本、提高性能才是產業化鏈條應該考慮的“重頭戲”。在這其中，就繞不開電池膜的集成和電堆結構的優化。

李先鋒扛起重擔，直奔“要害”，擔起了液流電池關鍵材料—離子傳導膜的研發重任。

面對瓶頸，李先鋒想到了在創新分子結構方面下功夫，通過調控膜的孔徑大小，突破了膜離子傳導性與離子選擇性之間的制衡，開發出了高性能、低成本的傳導膜材料，并首次提出了不含離子交換基團“離子篩分傳導”機理，成功破解了難題。

除此之外，提高電堆的工作密度也是團隊著重突破的一個核心。電堆就像電池的“心臟”，功能十分重要，往往牽一發而動全身。而初始階段，在保持電堆的能量轉換效率不低于80%時，其工作電流密度僅有80毫安，造成電堆居高不下，難以滿足產業化的需要。

研究團隊重點挖掘了電池內的反應及傳遞過程中的每個細節，有效提高了電堆效率，成功研制出了高功率密度電堆，為“心臟”輸送了“血液”。

解決了上述問題，項目得以順利進行。全釩液流電池具備安全性高、可靠性好、輸出功率和儲能容量規模大、壽命長、性價比高、電解液可循環利用、對環境友好等特點，為大規模應用在儲能領域奠定了基礎。

隨后，從實驗室到中試放大再到產業化運用，項目的發展也進入“快車道”。經過了一段時間的調試，大連全釩液流電池儲能電站成功并網，這標志著全釩液流電池儲能技術產業化的成功。

該電站相當于城市的“電力銀行”，在整個電力系統中起到“削峰填谷”的作用：在電網用電低谷時，利用風能、太陽能等可再生能源發電給電池充電，將電能轉化為化學能儲存于電池中；在電網用電高峰時，將儲存于電池中的化學能轉化為電能進行放電。

“大連特殊的地形使得本地電網呈C字型，存在缺口。”大連恒流儲能電站有限公司總經理宮繼禹告訴《中國科學報》，“一旦遇到事故，會導致大規模停電，無法滿足城市應急需要。”

而儲能電站規劃在兩個電網之間，恰好彌補了缺口，將其結構由“C”轉“O”，填補了電網結構上的最后一塊“拼圖”。極端環境下，儲能電站還可以作為黑啟動電源。啟動停機的發電機組，幫助電網恢復運行。同時也可以作為備用電源，在電網出現故障時，為大連市區醫院、應急救援等重要部門提供八小時左右的持續供電。

信念：最終目標是國家能源的未來

曾經的荒地上如今矗立起兩個足球場大小的電站，716個大型儲罐、358個集裝箱在這里整齊排列。曾經的荒地“搖身一變”成為大連能源的“希望”，也成為整個團隊心中最值得驕傲的事情。

“無論從產業規模還是未來的發展潛力來講，我們都很有信心，中國的釩電池技術走在世界前列。”大連融科儲能技術發展有限公司總經理王曉麗說。

而在整個工作中，也離不開年輕科研人員的身影。整個團隊平均年齡在40歲左右，李先鋒通過日常工作中的點點滴滴，身體力行的感染著下一代學者，帶領著整個團隊走向成功。

依靠同一個目標同一個信念，兩代人“擰成一股繩”般前行，這才有了儲能電站的成功并網。

提及并網之后的安排，李先鋒表示，如果能進一步降低成本，提高電池的可靠性，后續才能真正大規模產業化推廣。

“最終目標，是國家能源的未來。”李先鋒說。