新型全钒液流电池浅析

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1.全钒液流电池发展概况

  全钒液流电池是一种正极和负极均采用循环流动的钒溶液作为储能介质的可以实现充电和放电的电池，通过充电和放电实现电能和化学能的相互转化，进而实现电能的储存和释放。

  全钒液流电池的外形与一般的锂离子电池和铅碳电池不同，而是分别由电堆（或单电池）、正极储罐（储存有正极电解液）、负极储罐（储存有负极电解液）、循环泵以及管理系统构成，其中电堆由多个单电池串联而成，每个单电池包括正极、负极、隔膜、正/负极双极板等材料。

  多个全钒液流电堆可以构成一个储能模块，多个储能模块可以构成一个储能系统或储能电站（图1~图3）。

  全钒液流电池的电极反应如下：

  （1）充电过程中，正极电解液中的四价钒离子氧化成五价钒离子，并失去一个电子，产生两个氢离子；负极电解液中三价钒离子得到一个电子还原为二价的钒离子，并消耗一个氢离子。

  （2）放电过程中，正极电解液中的五价钒离子得到一个电子还原为四价钒离子，同时消耗两个氢离子；负极电解液中二价钒离子失去一个电子被氧化为三价钒离子，同时产生一个氢离子。由以上过程可以看出，电池在充电过程中，氢离子从正极向负极迁移，放电过程则相反；电池内部的电化学反应在内部表现为氢离子的迁移，则在外电路中产生电流。

2.全钒液流电池的技术特点

  对于规模储能应用而言，系统功率和储能容量大，一般为十兆瓦到几百兆瓦甚至吉瓦级。对于储能技术路线的选择，主要从安全性、环境友好性、资源可持续性、度电成本（或系统成本）及全生命周期成本等5个方面综合指标考虑，同时也考察能量效率、循环寿命、储能单元能量密度、可靠性、消防配置成本和单体储能电站规模等重要指标。

  （1）从各种储能技术的综合性能对比来看，抽水蓄能、液流电池和压缩空气储能的安全性和可靠性均处于前列，液流电池由于常温常压运行，电池可以达到本体安全标准，抽水蓄能和压缩空气储能依靠储能介质势能和形态变化实现储能，不存在化学反应，可靠性优异。度电成本主要指储能电站初始投资成本或一次性投资成本，目前抽水蓄能的度电成本最低，然后依次是铅酸电池、压缩空气储能、离子电池和液流电池，而飞轮储能和钠硫电池的度电成本较高（图4）。LCOE（Levelized Cost Of Energy，平准化度电成本）是评价大规模储能技术成本的重要指标，其值越小代表成本越低，抽水蓄能和液流电池储能是当前LCOE最低的储能技术路线。

  （2）从资源可持续性来看，压缩空气储能和液流电池储能具有一定优势，主要是其储能介质资源丰富，而锂离子电池因锂资源及锂离子电池其他相关活性物质资源有限，且全球储量分布不均，我国资源储量不占优势，抽水蓄能受地理条件和水利资源限制，有一定生态影响，当前优质资源开发基本接近上限。环境友好性方面，所有电池储能技术路线在运行时均不会产生“三废”（即废气、废水、固体废弃物），环境友好性较好。退役电池的处理是制约电池储能大规模发展的一个关键制约因素，锂离子电池和铅酸电池工作运行时虽无污染，但由于原材料不易回收，对环境也产生一定影响，液流电池的电解液等材料回收容易，不会产生环境污染问题，而且残值比较高。

  （3）图5是7种主流储能技术路线技术指标的比对。

  抽水蓄能具有储能容量大的优点，缺点是其受地理条件、转化效率等方面的制约较大，同时投资周期较大，抽蓄损耗和线路损耗均较大。

  压缩空气储能规模大，仅次于抽水蓄能，场地限制较小，适用于大型电站，同时由于一部分能量以热能的形式散失，在膨胀前需要重新进行加热，且通常以天然气作为加热空气的热源，由此导致储能效率降低。

  飞轮储能的主要优点是高充放电功率，高循环次数，响应速度快，无污染，维护简单，使用寿命不受充放电深度的影响，缺点是能量密度较低，保证系统安全性方面的费用很高，储能损耗较高，不适合用于能量的长期存储。

  铅酸电池的能量密度低、寿命短。锂离子电池充放电效率可达95%以上，响应快速、能量密度高，主要缺点是循环次数、寿命有待进一步提升，其衰减性有待进一步降低，以及存在过充导致发热、燃烧等安全性问题，需要进行复杂的保护，消防投入过大。液流电池的功率和能量可以解耦，实现二者的定制化配置，同时可以储存长达数小时至数天的能量，且较为安全，循环寿命较长，其不足之处是电池单体体积相对较大，但是在电站层面，由于其消防标准低，电池间距小，储能电站有效面积占比高，储能电站的总体面积与锂离子电池储能电站相当。钠硫电池放电时间长，但是由于使用液态钠，运行于高温下容易燃烧，因而消防配置成本较高，目前应用项目较少。

3.全钒液流电池应用前景

  经过近20年的发展，全钒液流电池储能技术已经进入初步的商业化阶段，其在应用前景方面具有以下优势：

  （1）本质安全。其为“水相电池”，储能介质为电解质水溶液，常温、常压下封闭运行，无起火爆炸危险，且储能系统整体可靠性高。

  （2）使用寿命长。充放电循环次数可达2万次以上，使用寿命超过15年。

  （3）效率高。目前DC80%左右。

  （4）资源可持续。钒作为电池活性物质使用，总量无损失，可再生反复使用，被称为“能源银行”，我国的钒资源丰富。

  （5）系统残值高。生命周期内物质损失少、残值高，仅电解液一项残值通常达到70%，电堆材料可回收再生。

  （6）环境友好。无排放，不污染环境，电池系统主要由碳材料、塑料、金属材料组装而成，易回收，有些金属材料可持续使用，碳材料、塑料可以作为燃料来加以利用，液流电解液和固体电池电堆分开回收。

  （7）可靠性高。可频繁100%DOD（Depth of Discharge，深度放电），具有2倍以上的过载能力。

  （8）系统配置灵活性强。功率模块和能量模块定制化设计，功率与容量独立配置，“量体裁衣”。

  （9）系统设计全模块化。由多个单电池叠合而成，与其他类型的电池相比，电堆和电池单元储能系统模块额定输出功率大，易于系统集成和规模放大。

  （10）启动速度和响应特性好。室温条件运行，充放电过程无相变化，所以启动速度快，充放电状态切换响应迅速。

  （11）与主要应用场景匹配性好。单个循环超过4h，适合大规模储能，寿命与新能源、电网主要硬件寿命相当，适合同期建设及一体化配置和运行。

4.结束语

  当前的全钒液流电池技术整体处于“从0到1”的阶段，商业化的技术和产品还没有很好地释放出电池的本体优势，需要加快技术迭代升级，实现技术裂变，尽快在高功率密度电堆、高容量密度电解液、高性能低成本电池材料、高水平电池模块集成技术和高效辅配技术方面取得突破，进一步提升全钒液流电池的性价比，提升产品的市场竞争力。

  （本文作者：陕西国华锦界能源有限责任公司赵明远，何文，贾树旺，王立平，王波，郭志军）

【责任编辑：孟瑾】