全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化有望迎來曙光

在百花齊放的儲(chǔ)能電池技術(shù)路線中，沉寂已久的全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化有望迎來曙光。

2月中旬，由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員李先鋒團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支撐的全球最大100MW/400MWh級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能電站完成主體工程建設(shè)，并進(jìn)入單體模塊調(diào)試階段。

這是國(guó)家能源局批復(fù)的首個(gè)100MW級(jí)大型電化學(xué)儲(chǔ)能國(guó)家示范項(xiàng)目，項(xiàng)目一期計(jì)劃今年6月完成并網(wǎng)調(diào)試。項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為20萬(wàn)千瓦/80萬(wàn)千瓦時(shí)，建成后將成為全球規(guī)模最大的全釩液流電池儲(chǔ)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 Redox Battery，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(tǒng)，其電解液是不同價(jià)態(tài)的釩離子的硫酸電解液。

它具備壽命長(zhǎng)、規(guī)模大、安全可靠的優(yōu)勢(shì)，成為規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一，在調(diào)峰電源系統(tǒng)、大規(guī)模風(fēng)光電系統(tǒng)儲(chǔ)能、應(yīng)急電源系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

全釩液流電池迎來政策的春天。2月22日，國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局發(fā)布《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，百兆瓦級(jí)液流電池技術(shù)被納入“十四五” 新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備攻關(guān)重點(diǎn)方向之一。

根據(jù)高工產(chǎn)研新能源研究所(GGII)在2021年做的預(yù)測(cè)， 2025年全釩液流電池國(guó)內(nèi)裝機(jī)量有望突破1GW。

全釩是最成熟的液流電池

在碳酸鋰材料價(jià)格大漲的情況下，鋰電池之外的新型儲(chǔ)能技術(shù)備受關(guān)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(chǔ)供給單元以及管理控制單元等部分構(gòu)成，是利用正負(fù)極電解液分開，各自循環(huán)的一種高性能蓄電池，具有容量高、使用領(lǐng)域(環(huán)境)廣、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

液流電池對(duì)電池進(jìn)行充/放電時(shí)，電解液是通過泵的作用，由外部?jī)?chǔ)液罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負(fù)極室，并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電。

根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)中活性物質(zhì)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(duì)氧化還原電堆的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自的電解液儲(chǔ)罐中。通過外接的泵，將電解液運(yùn)輸至電池堆內(nèi)的正極室和負(fù)極室，使其在不同的儲(chǔ)液罐和半液態(tài)的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，并采用離子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)的溶液流過電極表面產(chǎn)生了電化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)釩電池的充放電過程。

作為三種主流的液流電池技術(shù)之一，全釩液流電池是技術(shù)成熟最高的液流電池技術(shù)路線，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。首先，經(jīng)過多年示范考核，其大規(guī)模儲(chǔ)能的工程效果已得到充分的驗(yàn)證，其他路線由于示范時(shí)間短，仍需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的驗(yàn)證周期。

其次，相比鐵鉻等技術(shù)路線，全釩液流電池的電解液、隔膜、膜電極等原材料供應(yīng)鏈已經(jīng)初步成型，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快，已能夠支撐起開展百兆瓦級(jí)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)。

最后，先進(jìn)的全釩液流電池系統(tǒng)(10MW-4小時(shí)儲(chǔ)能配置)的成本已經(jīng)能夠控制在2-3元/wh的水平，已經(jīng)具備初步商業(yè)化應(yīng)用條件。

制約商業(yè)化的三大障礙

放在電化學(xué)儲(chǔ)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(yōu)點(diǎn)。

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

其次，功率大和效率高。由于電解液外置在儲(chǔ)液罐的形式使得釩電池的電池容量可以根據(jù)使用場(chǎng)景獨(dú)立設(shè)計(jì)，使得釩電池的充放電時(shí)長(zhǎng)普遍在4個(gè)小時(shí)以上，能夠更好滿足大規(guī)模儲(chǔ)能和長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。同時(shí)，由于釩電池電極的催化活性高，正負(fù)活性物質(zhì)分別儲(chǔ)存在正負(fù)電解液儲(chǔ)槽中，避免了正負(fù)活性物質(zhì)的自放電消耗，滿充后可長(zhǎng)期保持，極低的自放電率，自放電幾乎可以忽略不計(jì)。充放電能量轉(zhuǎn)換釩電池的效率高達(dá)75%以上。

第三，安全性高。釩電池的活性物質(zhì)以液態(tài)形式貯存在電堆外部的儲(chǔ)液罐中, 流動(dòng)的活性物質(zhì)使?jié)獠顦O化可減至最小，即使正負(fù)電解液混合，也無(wú)危險(xiǎn)，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(dāng)中，散熱得到了溶液的支持，同時(shí)由于開放的體系，不會(huì)存在類似鋰電池?zé)崾Э剡@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(guó)更有資源優(yōu)勢(shì)。根據(jù) USGS 數(shù)據(jù)，全球釩礦儲(chǔ)量共計(jì) 2200 萬(wàn)噸，其中中國(guó)儲(chǔ)量 950 萬(wàn)噸，占比達(dá)到 43%，俄羅斯和南非占比分別達(dá)到 23%和 16%。在產(chǎn)量方面，2020年中國(guó)釩礦產(chǎn)量仍然占全球最高，達(dá)到 62%。這也是中國(guó)全釩液流電池的資源優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，釩電池也存在明顯的缺點(diǎn)。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(shù)難以突破。同樣能量的釩電池體積可達(dá)鋰電池的 3-5 倍，質(zhì)量達(dá) 2-3 倍。

其次，工作時(shí)對(duì)環(huán)境溫度要求高。釩電池通常工作環(huán)境溫度需保持在 0-45℃，溫度過低會(huì)導(dǎo)致電解液凝固，而溫度過高則會(huì)導(dǎo)致溶液中的 V5+形成 V2O5 析出，從而堵塞電解液通道，導(dǎo)致電池報(bào)廢。

同時(shí)，最關(guān)鍵的一點(diǎn)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(dá)3-3.2元/Wh，而儲(chǔ)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(yè)化的前期。根據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)2019年全釩液流電池裝機(jī)規(guī)模僅為20MW，2020年裝機(jī)規(guī)模僅為100MW，在整個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)的占比微乎其微。不過，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程卻在提速。