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全钒液流电池产业化有望迎来曙光

发布时间:2022年04月22日 拷贝

文章来源:中国储能网

在百花齐放的储能电池技术路线中,沉寂已久的全钒液流电池产业化有望迎来曙光。

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2月中旬,由中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋团队提供技术支撑的全球最大100MW/400MWh级全钒液流电池储能电站完成主体工程建设,并进入单体模块调试阶段。

这是国家能源局批复的首个100MW级大型电化学储能国家示范项目,项目一期计划今年6月完成并网调试。项目建设规模为20万千瓦/80万千瓦时,建成后将成为全球规模最大的全钒液流电池储能电站。

所谓全钒液流电池,全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery,VRB),为液流电池的一种,是一种基于金属钒元素的氧化还原的电池系统,其电解液是不同价态的钒离子的硫酸电解液。

它具备寿命长、规模大、安全可靠的优势,成为规模储能的首选技术之一,在调峰电源系统、大规模风光电系统储能、应急电源系统等领域具有广阔的应用前景。

全钒液流电池迎来政策的春天。222日,国家发改委和国家能源局发布《“十四五”新型储能发展实施方案》,百兆瓦级液流电池技术被纳入“十四五” 新型储能核心技术装备攻关重点方向之一。

根据高工产研新能源研究所(GGII)2021年做的预测, 2025年全钒液流电池国内装机量有望突破1GW

全钒是最成熟的液流电池

在碳酸锂材料价格大涨的情况下,锂电池之外的新型储能技术备受关注,如全钒液流电池。

液流电池由电堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成,是利用正负极电解液分开,各自循环的一种高性能蓄电池,具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点。

液流电池对电池进行充/放电时,电解液是通过泵的作用,由外部储液罐分别循环流经电池的正极室和负极室,并在电极表面发生氧化和还原反应,实现对电池的充放电。

根据电化学反应中活性物质的不同,液流电池可分为全钒液流电池、锌基液流电池、铁铬液流电池等。

所谓全钒液流电池利用 VO2+/VO2 +V2+/V3+两对氧化还原电堆的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质,分别储存在各自的电解液储罐中。通过外接的泵,将电解液运输至电池堆内的正极室和负极室,使其在不同的储液罐和半液态的闭合回路中循环流动,并采用离子交换膜作为电池组的隔膜,电解质的溶液流过电极表面产生了电化学反应,从而实现钒电池的充放电过程。

作为三种主流的液流电池技术之一,全钒液流电池是技术成熟最高的液流电池技术路线,具体体现在三个方面。首先,经过多年示范考核,其大规模储能的工程效果已得到充分的验证,其他路线由于示范时间短,仍需要经历较长的验证周期。

其次,相比铁铬等技术路线,全钒液流电池的电解液、隔膜、膜电极等原材料供应链已经初步成型,国产化进程不断加快,已能够支撑起开展百兆瓦级的项目设计与开发。

最后,先进的全钒液流电池系统(10MW-4小时储能配置)的成本已经能够控制在2-3/wh的水平,已经具备初步商业化应用条件。

制约商业化的三大障碍

放在电化学储能的大背景下,与锂离子电池相比,全钒液电池具备明显的优点。

首先寿命更长。由于钒电池正负活性物质分别只存在于正极和负极电解液中,在充放电过程中不存在复杂的固相反应,因此电池寿命长。能耐受大电流充放,可以在不损坏电池的情况下进行深放电,循环次数≥13000 次以上,电池使用寿命可达 15-20 年。

其次,功率大和效率高。由于电解液外置在储液罐的形式使得钒电池的电池容量可以根据使用场景独立设计,使得钒电池的充放电时长普遍在4个小时以上,能够更好满足大规模储能和长时储能。同时,由于钒电池电极的催化活性高,正负活性物质分别储存在正负电解液储槽中,避免了正负活性物质的自放电消耗,满充后可长期保持,极低的自放电率,自放电几乎可以忽略不计。充放电能量转换钒电池的效率高达75%以上。

第三,安全性高。钒电池的活性物质以液态形式贮存在电堆外部的储液罐中, 流动的活性物质使浓差极化可减至最小,即使正负电解液混合,也无危险,但电解液温度略有上升。此外,其所有的部件基本上都浸泡在溶液当中,散热得到了溶液的支持,同时由于开放的体系,不会存在类似锂电池热失控这一问题。

此外,和锂电池所需的锂资源相比,全球的钒资源更为丰富,而中国更有资源优势。根据 USGS 数据,全球钒矿储量共计 2200 万吨,其中中国储量 950 万吨,占比达到 43%,俄罗斯和南非占比分别达到 23% 16%。在产量方面,2020年中国钒矿产量仍然占全球最高,达到 62%。这也是中国全钒液流电池的资源优势。

当然,钒电池也存在明显的缺点。首先,体积过大。受制于电解液中离子溶解度上限,钒电池比能量密度低,且技术难以突破。同样能量的钒电池体积可达锂电池的3-5倍,质量达2-3倍。

其次,工作时对环境温度要求高。钒电池通常工作环境温度需保持在 0-45℃,温度过低会导致电解液凝固,而温度过高则会导致溶液中的 V5+形成 V2O5 析出,从而堵塞电解液通道,导致电池报废。

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同时,最关键的一点是成本过高。每单位全钒液流电池成本约为锂电池的2-3倍,目前全钒液流电池成本高达3-3.2/Wh,而储能锂离子电池成本约1.2-1.5/Wh。未来需要加快全钒液流电池核心材料之一电堆的成本。

从全球来看,全钒液流电池在商业化的前期。根据行业协会统计,国内2019年全钒液流电池装机规模仅为20MW2020年装机规模仅为100MW,在整个电化学储能行业的占比微乎其微。不过,国内相关企业的产业化进程却在提速。

 


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