中科院金属所严川伟：全钒液流电池的产业化发展

蓝狮平台网讯：9月10-11日，由中国化学与物理电源行业协会、南方科技大学碳中和能源研究院、南方电网能源发展研究院联合100余家机构共同支持的碳中和能源高峰论坛暨第三届中国国际新型储能技术及工程应用大会在深圳召开。此次大会主题是“绿色、经济、安全、发展”。

  来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的600余家产业链企业，1317位嘉宾参加了本届大会。

  10日下午，中国科学院金属研究所研究员、辽宁科京新材料有限公司首席科学家严川伟受邀在“长时储能技术及应用专场”分享了主题报告，主题为《全钒液流电池的产业化发展》。

  严川伟：大家下午好！今天与大家分享一下全钒液流电池的产业化的观点。

  关于储能的背景、大的逻辑我就不再赘述，但是需要强调一下，大规模、长时储能在支撑国家战略发展方面是最大的储能需求，是最值得关注的技术挑战和商业机会。大规模、长时储能的首要要求就是：足够的安全。要做到足够安全是不容易的，到目前为止就电化学储能来讲，安全问题还是突出的，出问题的概率太高，与大规模长时储能的要求（足够安全）差距巨大。

  中电联在2022年所做的一个官方调查显示，现在已经建成针对新能源消纳的电化学储能电站（绝大多数是锂离子电池）的利用系数只有6.1%。这意味着除了调试，一些必要的演示/展示，这些电化学储能电站大部分时间处于闲置状态，或者说基本上没有实际用，是一个摆设。造成这种情况的原因有多种，比如说，可以不用（没有要求用）、缺乏合适商业模式很难盈利、应用技术不够成熟和可靠等等，但有一个大家不愿提及但确实是不容回避的问题，那就是安全，电池本身的安全（本征安全）。由于潜在的电池技术体系本身的安全风险，使得有关方对全功率、全负荷地运行储能系统不放心，这至少是导致“建而不用”的一个比较核心的因素。

  关于大规模储能的要求，首先是安全，没有安全就没有一切，没有安全就没有市场和商业意义；第二是适合，技术适合于长时大规模储能应用；再者就是具有经济性，即能够赚钱，这样才能广泛和可持续操作下去；还有就是环保，全产业链符合环保要求，尤其最终的使用不对社会造成额外的环保及压力（例如不会由于繁复的环保处理导致高昂的附加成本）。

  符合上述要求可用于大规模长时储能的技术，包括抽水蓄能、压缩空气、储热和液流电池等。各种大规模储能技术各有其特点，并不是说你有一种就可以不要其他的，它们之间会有一些在功能上的重叠，但是他们各自有各自的优势和特点。

  不同的液流电池，其特点和功能也是有差异的，有的适合于大规模长时储能，而有的液流电池可能适合于功率型的或者是其它的应用。但对于全钒液流电池的定位，主要是大规模长时储能。

  储能需求实际是多方面、多层次的，除大规模、长时的能量型储能外，还有极为丰富的其它储能需求。不过，有些我们所熟知的电池就不应属于我们所提的长时、大规模储能应用领域，典型的就包括锂离子电池，它的性能优良、产业链成熟，但是由于它本征安全性限制，更适合于更小的规模、更短储能时长的应用，因为这样可以有效管控和规避安全局限性，发挥其自身优势。

  全钒液流电池产业技术趋于成熟，在产业发展维度主要表现为：首先，产品可靠性已经达到了比较高的水平；其次，成本已大幅降低，达到了进行商业化操作的基本要求；再者，较充分的验证与示范，已经进行了多年的各种规模、各种应用场景的验证，技术经济性都获得了验证，并取得了比较充分的第一手数据。

  钒电池储能已经形成了一个基本产业链，从上游到中游直至下游都有相应的企业参与。

  从容量这个角度，电解液现在有两类，一类是硫酸作支持电解质，一类是混酸（硫酸+盐酸）作支持电解质，它们各有优势和局限性，不是可以互相代替的，就看你怎么选择、怎么用。经典的电解液制备工艺（由高价态钒产品制备）都是成熟的，可以批量化生产；短流程工艺是由浸出液直接制备（不经过五氧化二钒这种钒产品）的工艺，成本大幅度降低，已经开发成功，当前有若干企业可以生产。

  电堆是反映钒电池储能技术含量的最核心的部件，有可靠的产品，成本也是可接受的，面向未来核心在于降低它的成本，还要进一步提高它的功率密度、提高它的指标。当前的电堆产品可以满足产业化的需求，目前至少有若干家产品的可靠性可以满足应用要求。

  今天很多人讲到膜的问题，膜确实是一个核心材料，在功率单元是很核心的部件。当前有两类膜，一类是筛分膜，一类是离子交换膜。离子交换膜里面对于全钒液流电池唯一可用的就是全氟磺酸膜，其它的化学稳定性或者其它的性能根本满足不了产业应用（做点科学研究是可以的，但产业应用不行)。

  这两种膜都是可以在市场上应用，在可预见的未来，如果说你想获得比较高的电堆技术指标，全氟磺酸这个膜是不可或缺的。

  双极板在过去大家都不太重视它，因为过去电堆的功率密度较低，双极板对电堆功能影响比例很小（只有1%或0.5%左右），但是现在功率密度提高了，它的影响在变大，尤其随着电堆技术的快速迭代，双极板的性能就显得非常重要了。至少在目前有这么几类材料是可选可用的，也有针对全钒液流电池的产品。另外我们的产业发展还要关注跟全钒液流电池或者跟液流电池相关的氢能领域，有很多双极板方面的技术探索和工作积累，虽然不完全一样，但是技术上很大程度上是共性的。

  电极方面，现在主要是聚丙烯腈毡，但伴随电堆结构技术的迭代发展，非毡形式的电极将逐渐增加。当前聚丙烯腈毡的后端工艺步骤都在国内生产，但前端在国外，不利于产业发展。需要将前端工艺过程在国内发展起来，国内正在做相应的努力，这对于降低电极产品成本，满足市场的规模化发展，都是至关重要的。

  系统集成与应用这一块，就是体现在要把电池用好（做化学储能，实质工作在于一个是把电池做好，一个是把电池用好），系统集成在于把电池用好，面向产业化应用，这部分工作是重中之重，而之前在这方面所做的工作与实际需要相比还有待进一步加强。

  至于行业发展当前的认知，主要问题在于：第一，把钒电池储能看得太简单。实际上，钒电池储能技术门槛很高，绝不像一些人想象的那样容易，比如象搞房地产那样，靠砸一些钱，有些关系就可以搞定，它需要很深厚的技术积累。第二，指望或幻想储能“建而不用”，即存在机会主义思想。前面讲到官方调查的情况就是这样，因为过去建新能源要配建储能电站，并不要求你用，可以用最廉价的，往后是不可以的，储能是现实而紧迫的需求，因为很快新能源的占比就会达到较高水平（直接入网将对电网安全构成威胁），过去可以不储，将来就不是这种情况。另外，政府也注意到这个漏洞，再想浑水摸鱼，那是比较难的事情。

  关于行业发展的任务与挑战。首先是技术的完善，这是自然而然的事情，我们从事企业、商业或者是技术的工作者都继续做自己的事。另外一个是政策与模式，储能是一个新的事物，甚至它是能源供给系统的调整再造，需要政府主导政策操作，需要一些时间，当然现在速度越来越快，有越来越多的政策落地。再有就是现实的、技术性的、商业性的，主要是钒资源的市场，怎么以合理的价格供应充分的钒。一直以来，钒价格的波动对全钒液流电池储能的发展过大，尽管这个波动对于已有的传统市场（应用于钢铁）来说不是问题。

  我们的双碳战略需要多少钒呢？我们可以做一些估计，比如说在2030年和2050年，到2030年需要新增将近100万吨，每年10万吨以上，到2050年，平均每年要增20万吨，一共要增500-600万吨。这个增量对于现有的钒产业规模是很大的。

  钒够不够用呢？钒是足够用的，无论哪种钒，钒钛磁铁矿和石煤都有很多，资源是足够的。

  问题的本质是钒的市场与钒电池储能产业不兼容，它作为钢铁冶金行业的副产物，生产钒占85%，钢铁消费现在已经消费了95%以上的钒，在钢铁江湖里形成了一个闭环。这样就在两个方面有影响，一个方面是价格的敏感度，另外一个是产能，为什么价格敏感度是一个因素呢？因为钢铁是作为合金元素来用钒的，添加的量很少，一般来讲添加0.2%（最多不超过0.5%）。钒的价值在最终产品（钢铁）当中所占的比例是极小的，价格的波动对这个产品最终商业的影响很微弱。但是钒电池储能完全不一样，钒的价值至少要占到50%以上，所以价格波动对它的影响是很大的。另外一个是产能限制，如前所述，钒的生产是钢铁冶金副产物，产量受钢铁产能的限制，能拿出来做储能的比例有限。

  现在的产业构架是有潜力的，可以扩大钒的总量。因为基建规模趋于饱和（钢铁消费萎缩，钒用量减小），可以使得钒的量每年能释放出数万吨，当前阶段1-2万吨/年用于储能是没有问题的。另外还可以把可用的钒钛磁铁矿更多的用于提钒，把钒都提炼出来，每年也可以增加一定的量。这是在现有的钒的市场构架下，可以释放相当的潜力，所以这部分不用太担心。

  从摆脱钢铁产能绑定这一块可以开发更多的钒，比如石煤钒，当前我们只有1万多吨/年，在两年内可以再增加4—5万吨/年。还有钒钛磁铁矿以及其它的资源直接提钒都有一定的可行性，以及其它的二次资源的利用，都是很好的解决途径。

  总结一下，大规模长时储能技术必须是安全、适合、经济和环境友好，钒电池属于现实、靠谱的大规模长时储能技术之一，也是距离产业化最近的技术之一。

  钒电池从技术和经济性上都已经达到了商业发展的基本要求，并且形成了产业链，挑战在于当前钒的市场与钒电池储能不相容。这个问题正在缓解，最终能够被彻底解决，对整个产业的制约不会产生一个本质性的限制作用。

  钒电池储能系统及其应用，将是产业化发展的重要技术工作内容，需要在技术上、在实施储能系统集成与应用上下真工夫。

  产业发展的主要风险之一，是一些人把钒电池储能看得太简单，这样容易把事做砸，使行业深受其害。

  规模储能终将回归理性，必须摒弃建而不用的幻想，基于安全、经济、环保的理念，扎实推进产业的发展。

【责任编辑:孟瑾】