全釩液流電池技術(shù)分析

因全球氣候變暖，全球開始向低碳化轉(zhuǎn)型。儲能作為低碳過程中不可或缺的一環(huán)，近兩年來發(fā)展飛速。目前主要的儲能電池是鋰離子電池，但由于鋰電池原材料價格逐漸離譜，資本將目光轉(zhuǎn)向了性質(zhì)優(yōu)良的液流電池。

釩電池發(fā)展歷程

液流電池有非常豐富的發(fā)展歷程，最早是美國NASA在1973年開始研究，當時的研究體系主要是Fe(3+)/Cr(2+)電對；

1976年，研究學者發(fā)現(xiàn)釩可以作為液流電池的活性物質(zhì)；1958年，學者們在理論上證明了釩電池的可行性，次年，全釩離子氧化還原液流電池正式問世，并獲得專利。

隨著研究學者的不斷深入研究，有關(guān)釩電池電極、電解液、隔膜等的文章層出不窮。釩電池優(yōu)勢及缺點逐漸被人們所認知。

釩電池相較于其他儲能電池有以下優(yōu)點。首先是電池容量與輸出功率相對獨立，電池容量只取決于電解液濃度與電解液的多少，輸出功率則取決于電堆的大?。黄浯吴C電池充放電只有釩離子價態(tài)的變換，可實現(xiàn)深度放電；同時只有一種離子發(fā)生反應(yīng)，無其他干擾，理論壽命是無限的；當釩電池系統(tǒng)關(guān)閉時，電池無自放電現(xiàn)象，響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)瞬間充電，且無安全隱患；最后是電池的回收處理相較于其他電池更簡單方便，對環(huán)境無危害。

缺點也很明顯，釩電池目前能量密度低，僅能達到40Wh/kg，與一線鋰離子電池相差十倍不止；釩電池成本相較于鐵鋅等其他液流電池來說要高很多，且占地面積大，工作溫度區(qū)間狹窄，限制了釩電池的應(yīng)用領(lǐng)域。

釩電池原理及材料

釩電池主要由電解液、電極、選擇性質(zhì)子交換膜、雙極板和集流體組成。

其中又以電解液所占成本比例最高，能達到50%。正負極電解液的主要成分是不同價態(tài)的釩離子硫酸溶液，在工業(yè)領(lǐng)域，電解液最關(guān)鍵的原料為五氧化二釩，而五氧化二釩的來源，目前國內(nèi)主流是從釩鈦磁鐵礦煉鋼過程中產(chǎn)生的釩渣中提取五氧化二釩。

目前釩電解液制備方法主要有三種物理溶解法、化學還原法、電解法。

其中物理溶解法是采取硫酸直接溶解高濃度的硫酸氧釩固體值得；

化學還原法則是采用單質(zhì)硫、亞硫酸等還原劑在一定條件下將五價釩還原成四價或三價釩；

電解法是目前主流的制備方法，以五氧化二釩為原料，在硫酸中制得，運行溫度一般為零下5℃至50℃。

此外，在電解液中加入一些添加劑也會影響電解液性能。如加入甲磺酸、甘油、正丙醇等添加劑均可提升電解液能量效率或能量密度。

在電極領(lǐng)域，釩電池電極主要有碳素類電極、金屬類電極與復(fù)合電極。其中碳素電極具有穩(wěn)定性強、耐腐蝕、導(dǎo)電性好、成本低等特點，但電化學活性差，有待進一步改進。

金屬類電極具有導(dǎo)電性好、機械性能高、電化學活性較高等優(yōu)點，但放電過程中易形成鈍化膜，嚴重影響反應(yīng)。

復(fù)合電極一般為高分子聚合物與碳素類材料混合加工成型制得，具有內(nèi)阻低、電化學穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高等優(yōu)點。

在隔膜方面，目前應(yīng)用最廣泛的陽離子交換膜為Nafion膜，該膜電壓效率高達90%以上，導(dǎo)電率好，增大膜厚度，能有效提高電池效率，但成本會增加。

陰離子交換膜在釩電池中通過膜內(nèi)電解陰離子和電解中的硫酸根離子等陰離子交，完成載流子的傳輸。

此外，兩性離子交換膜是目前的研究熱點之一，其具有陽、陰離子交換膜的特點。

政策及上下游動作

近年來，我國出臺了多項釩電池相關(guān)的政策及標準，2018年，國家能源據(jù)發(fā)布《全釩液流電池維護要求》及《全釩液流電池 安裝技術(shù)規(guī)范》；

2019年，國家能源局發(fā)布《全釩液流電池儲能電站安全衛(wèi)士技術(shù)規(guī)則（征求意見稿）》；

2021年，國能源局與發(fā)改委發(fā)布《加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，《意見》中指出堅持儲能技術(shù)多元化，實現(xiàn)液流電池等長時儲能技術(shù)進入商業(yè)化發(fā)展初期；到2025年，由商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。

讓資本最為關(guān)注的一條政策是今年6月發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（征求意見稿）》，規(guī)定大型儲能電站中不得使用三元鋰電池及鈉硫電池。這條政策一出，市場反響強烈，7月，釩電池相關(guān)概念股集體大漲。

釩電池產(chǎn)業(yè)鏈目前可以上游五氧化二釩的原料生產(chǎn)，中游各部件的配套、下游整裝生產(chǎn)三大環(huán)節(jié)。

上游原材料相關(guān)企業(yè)包含釩鈦股份、河鋼股份、川威集團、龍佰集團、中核鈦白等。

中游電解液生產(chǎn)相關(guān)企業(yè)包含大連融科、湖南銀峰、河鋼股份等；電堆目前由釩電池生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部供應(yīng)；隔膜相關(guān)企業(yè)包含科慕、東岳集團、蘇州科潤等；電極企業(yè)包括遼寧金谷、納斯新材料、甘肅富萊等。

下游整裝生產(chǎn)企業(yè)包含大連融科、北京普能、偉力得、國網(wǎng)英大等。目前上下游企業(yè)基本已經(jīng)完成綁定，釩鈦股份與大連融科達成合作，河鋼股份與北京普能達成合作，中核鈦白與偉力得達成合作。

目前已建成投產(chǎn)的項目有2012年，融科儲能與國電龍源合作建成的臥牛石風電場5MW/10MWh全釩液流電池儲能示范電站，目前已運行10年。

2021年3月，北京普能與湖北高新區(qū)管委會簽訂“年產(chǎn)50兆瓦釩電池儲能系統(tǒng)”協(xié)議；

2021年6月，寧夏偉力得GW級全釩液流電池正式投用；

今年9月，永泰能源與海德股份合伙成立德泰儲能公司，目前該公司與永泰能源所屬火電廠合作建設(shè)30MWh全釩液流電池儲能輔助調(diào)頻項目也已經(jīng)落地。

今年10月中旬，全球功率最大、容量最大的液流電池儲能調(diào)峰電站——大連液流電池儲能調(diào)峰電站投用，該電站股東之一為大連融科。

未來展望

國家政策在推進新能源行業(yè)發(fā)展，鼓勵發(fā)展全釩液流電池，同時我國釩資源非常豐富，儲量排世界第一，且釩電池因其獨特優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用至風電光伏、電網(wǎng)調(diào)峰、應(yīng)急電源、軍用蓄電等諸多領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。

但目前釩電池產(chǎn)業(yè)屬于剛剛興起的階段，雖然已擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，還存在市場規(guī)模小、認知度低、產(chǎn)能不足等諸多問題待解決。

目前研究方向主要有開發(fā)高穩(wěn)定性、高濃度的電解質(zhì)；開發(fā)高離子選擇性、低成本的隔膜；開發(fā)高導(dǎo)電性、高電化學活性的電極材料；進一步優(yōu)化電堆設(shè)計，提高能量效率；進一步研發(fā)低成本、高穩(wěn)定性的集成及智能控制技術(shù)等。

據(jù)EVTank數(shù)據(jù)，2021年我國釩電池新增裝機量0.13GW，預(yù)計2022年新增裝機量達到0.6GW，到2025年，釩電池新增裝機規(guī)模有望達到2.3GW以上。