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全釩液流電池產業化有望迎來曙光

中國儲能網訊:在百花齊放的儲能電池技術路線中,沉寂已久的全釩液流電池產業化有望迎來曙光。

2月中旬,由中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員李先鋒團隊提供技術支撐的全球最大100MW/400MWh級全釩液流電池儲能電站完成主體工程建設,并進入單體模塊調試階段。

這是國家能源局批復的首個100MW級大型電化學儲能國家示范項目,項目一期計劃今年6月完成并網調試。項目建設規模為20萬千瓦/80萬千瓦時,建成后將成為全球規模最大的全釩液流電池儲能電站。

所謂全釩液流電池,全稱為全釩氧化還原液流電池(Vanadium RedoxBattery,VRB),為液流電池的一種,是一種基于金屬釩元素的氧化還原的電池系統,其電解液是不同價態的釩離子的硫酸電解液。

它具備壽命長、規模大、安全可靠的優勢,成為規模儲能的首選技術之一,在調峰電源系統、大規模風光電系統儲能、應急電源系統等領域具有廣闊的應用前景。

全釩液流電池迎來政策的春天。2月22日,國家發改委和國家能源局發布《“十四五”新型儲能發展實施方案》,百兆瓦級液流電池技術被納入“十四五” 新型儲能核心技術裝備攻關重點方向之一。

根據高工產研新能源研究所(GGII)在2021年做的預測, 2025年全釩液流電池國內裝機量有望突破1GW。

全釩是最成熟的液流電池

在碳酸鋰材料價格大漲的情況下,鋰電池之外的新型儲能技術備受關注,如全釩液流電池。

液流電池由電堆單元、電解液、電解液存儲供給單元以及管理控制單元等部分構成,是利用正負極電解液分開,各自循環的一種高性能蓄電池,具有容量高、使用領域(環境)廣、循環使用壽命長的特點。

液流電池對電池進行充/放電時,電解液是通過泵的作用,由外部儲液罐分別循環流經電池的正極室和負極室,并在電極表面發生氧化和還原反應,實現對電池的充放電。

根據電化學反應中活性物質的不同,液流電池可分為全釩液流電池、鋅基液流電池、鐵鉻液流電池等。

所謂全釩液流電池利用 VO2+/VO2 +、V2+/V3+兩對氧化還原電堆的釩離子溶液分別作為正極和負極的活性物質,分別儲存在各自的電解液儲罐中。通過外接的泵,將電解液運輸至電池堆內的正極室和負極室,使其在不同的儲液罐和半液態的閉合回路中循環流動,并采用離子交換膜作為電池組的隔膜,電解質的溶液流過電極表面產生了電化學反應,從而實現釩電池的充放電過程。

作為三種主流的液流電池技術之一,全釩液流電池是技術成熟最高的液流電池技術路線,具體體現在三個方面。首先,經過多年示范考核,其大規模儲能的工程效果已得到充分的驗證,其他路線由于示范時間短,仍需要經歷較長的驗證周期。

其次,相比鐵鉻等技術路線,全釩液流電池的電解液、隔膜、膜電極等原材料供應鏈已經初步成型,國產化進程不斷加快,已能夠支撐起開展百兆瓦級的項目設計與開發。

最后,先進的全釩液流電池系統(10MW-4小時儲能配置)的成本已經能夠控制在2-3元/wh的水平,已經具備初步商業化應用條件。

制約商業化的三大障礙

放在電化學儲能的大背景下,與鋰離子電池相比,全釩液電池具備明顯的優點。

首先壽命更長。由于釩電池正負活性物質分別只存在于正極和負極電解液中,在充放電過程中不存在復雜的固相反應,因此電池壽命長。能耐受大電流充放,可以在不損壞電池的情況下進行深放電,循環次數≥13000次以上,電池使用壽命可達 15-20 年。

其次,功率大和效率高。由于電解液外置在儲液罐的形式使得釩電池的電池容量可以根據使用場景獨立設計,使得釩電池的充放電時長普遍在4個小時以上,能夠更好滿足大規模儲能和長時儲能。同時,由于釩電池電極的催化活性高,正負活性物質分別儲存在正負電解液儲槽中,避免了正負活性物質的自放電消耗,滿充后可長期保持,極低的自放電率,自放電幾乎可以忽略不計。充放電能量轉換釩電池的效率高達75%以上。

第三,安全性高。釩電池的活性物質以液態形式貯存在電堆外部的儲液罐中, 流動的活性物質使濃差極化可減至最小,即使正負電解液混合,也無危險,但電解液溫度略有上升。此外,其所有的部件基本上都浸泡在溶液當中,散熱得到了溶液的支持,同時由于開放的體系,不會存在類似鋰電池熱失控這一問題。

此外,和鋰電池所需的鋰資源相比,全球的釩資源更為豐富,而中國更有資源優勢。根據USGS 數據,全球釩礦儲量共計 2200 萬噸,其中中國儲量950 萬噸,占比達到 43%,俄羅斯和南非占比分別達到23%和 16%。在產量方面,2020年中國釩礦產量仍然占全球最高,達到 62%。這也是中國全釩液流電池的資源優勢。

當然,釩電池也存在明顯的缺點。首先,體積過大。受制于電解液中離子溶解度上限,釩電池比能量密度低,且技術難以突破。同樣能量的釩電池體積可達鋰電池的 3-5 倍,質量達 2-3 倍。

其次,工作時對環境溫度要求高。釩電池通常工作環境溫度需保持在 0-45℃,溫度過低會導致電解液凝固,而溫度過高則會導致溶液中的 V5+形成 V2O5 析出,從而堵塞電解液通道,導致電池報廢。

同時,最關鍵的一點是成本過高。每單位全釩液流電池成本約為鋰電池的2-3倍,目前全釩液流電池成本高達3-3.2元/Wh,而儲能鋰離子電池成本約1.2-1.5元/Wh。未來需要加快全釩液流電池核心材料之一電堆的成本。

從全球來看,全釩液流電池在商業化的前期。根據行業協會統計,國內2019年全釩液流電池裝機規模僅為20MW,2020年裝機規模僅為100MW,在整個電化學儲能行業的占比微乎其微。不過,國內相關企業的產業化進程卻在提速。來源:新型儲能資本公眾號

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