新型全釩液流電池淺析

趙明遠，何 文，賈樹旺，王立平，王 波，郭志軍

（陜西國華錦界能源有限責任公司，陜西榆林 719319）

1 全釩液流電池發(fā)展概況

全釩液流電池是一種正極和負極均采用循環(huán)流動的釩溶液做為儲能介質(zhì)的可以實現(xiàn)充電和放電的電池，通過充電和放電實現(xiàn)電能和化學能的相互轉(zhuǎn)化，進而實現(xiàn)電能的儲存和釋放。全釩液流電池的外形與一般的鋰離子電池和鉛碳電池不同，而是分別由電堆（或單電池）、正極儲罐（儲存有正極電解液）、負極儲罐（儲存有負極電解液）、循環(huán)泵以及管理系統(tǒng)構(gòu)成，其中電堆由多個單電池串聯(lián)而成，每個單電池包括正極、負極、隔膜、正/負極雙極板等材料。

多個全釩液流電堆可以構(gòu)成一個儲能模塊，多個儲能模塊可以構(gòu)成一個儲能系統(tǒng)或儲能電站（圖1～圖3）。

圖2 全釩液流電池示意

圖3 全釩液流電池電堆、電堆組及模塊

全釩液流電池的電極反應如下：

（1）充電過程中，正極電解液中的四價釩離子氧化成五價釩離子，并失去一個電子，產(chǎn)生兩個氫離子；負極電解液中三價釩離子得到一個電子還原為二價的釩離子，并消耗一個氫離子。

（2）放電過程中，正極電解液中的五價釩離子得到一個電子還原為四價釩離子，同時消耗兩個氫離子；負極電解液中二價釩離子失去一個電子被氧化為三價釩離子，同時產(chǎn)生一個氫離子。

由以上過程可以看出，電池在充電過程中，氫離子從正極向負極遷移，放電過程則相反；電池內(nèi)部的電化學反應在內(nèi)部表現(xiàn)為氫離子的遷移，則在外電路中產(chǎn)生電流。

2 全釩液流電池的技術(shù)特點

對于規(guī)模儲能應用而言，系統(tǒng)功率和儲能容量大，一般為十兆瓦到幾百兆瓦甚至吉瓦級。對于儲能技術(shù)路線的選擇，主要從安全性、環(huán)境友好性、資源可持續(xù)性、度電成本（或系統(tǒng)成本）及全生命周期成本等5 個方面綜合指標考慮，同時也考察能量效率、循環(huán)壽命、儲能單元能量密度、可靠性、消防配置成本和單體儲能電站規(guī)模等重要指標。

（1）從各種儲能技術(shù)的綜合性能對比來看，抽水蓄能、液流電池和壓縮空氣儲能的安全性和可靠性均處于前列，液流電池由于常溫常壓運行，電池可以達到本體安全標準，抽水蓄能和壓縮空氣儲能依靠儲能介質(zhì)勢能和形態(tài)變化實現(xiàn)儲能，不存在化學反應，可靠性優(yōu)異。度電成本主要指儲能電站初始投資成本或一次性投資成本，目前抽水蓄能的度電成本最低，然后依次是鉛酸電池、壓縮空氣儲能、離子電池和液流電池，而飛輪儲能和鈉硫電池的度電成本較高（圖4）。LCOE（Levelized Cost Of Energy，平準化度電成本）是評價大規(guī)模儲能技術(shù)成本的重要指標，其值越小代表成本越低，抽水蓄能和液流電池儲能是當前LCOE 最低的儲能技術(shù)路線。

圖4 當前主要儲能技術(shù)路線綜合指標比較

（2）從資源可持續(xù)性來看，壓縮空氣儲能和液流電池儲能具有一定優(yōu)勢，主要是其儲能介質(zhì)資源豐富，而鋰離子電池因鋰資源及鋰離子電池其他相關(guān)活性物質(zhì)資源有限，且全球儲量分布不均，我國資源儲量不占優(yōu)勢，抽水蓄能受地理條件和水利資源限制，有一定生態(tài)影響，當前優(yōu)質(zhì)資源開發(fā)基本接近上限。環(huán)境友好性方面，所有電池儲能技術(shù)路線在運行時均不會產(chǎn)生“三廢”（即廢氣、廢水、固體廢棄物），環(huán)境友好性較好。退役電池的處理是制約電池儲能大規(guī)模發(fā)展的一個關(guān)鍵制約因素，鋰離子電池和鉛酸電池工作運行時雖無污染，但由于原材料不易回收，對環(huán)境也產(chǎn)生一定影響，液流電池的電解液等材料回收容易，不會產(chǎn)生環(huán)境污染問題，而且殘值比較高。

（3）圖5 是7 種主流儲能技術(shù)路線技術(shù)指標的比對。

圖5 當前主要儲能技術(shù)路線技術(shù)指標比較

抽水蓄能具有儲能容量大的優(yōu)點，缺點是其受地理條件、轉(zhuǎn)化效率等方面的制約較大，同時投資周期較大，抽蓄損耗和線路損耗均較大。

壓縮空氣儲能規(guī)模大，僅次于抽水蓄能，場地限制較小，適用于大型電站，同時由于一部分能量以熱能的形式散失，在膨脹前需要重新進行加熱，且通常以天然氣作為加熱空氣的熱源，由此導致儲能效率降低。

飛輪儲能的主要優(yōu)點是高充放電功率，高循環(huán)次數(shù)，響應速度快，無污染，維護簡單，使用壽命不受充放電深度的影響，缺點是能量密度較低，保證系統(tǒng)安全性方面的費用很高，儲能損耗較高，不適合用于能量的長期存儲。

鉛酸電池的能量密度低、壽命短。鋰離子電池充放電效率可達95%以上，響應快速、能量密度高，主要缺點是循環(huán)次數(shù)、壽命有待進一步提升，其衰減性有待進一步降低，以及存在過充導致發(fā)熱、燃燒等安全性問題，需要進行復雜的保護，消防投入過大。液流電池的功率和能量可以解耦，實現(xiàn)二者的定制化配置，同時可以儲存長達數(shù)小時至數(shù)天的能量，且較為安全，循環(huán)壽命較長，其不足之處是電池單體體積相對較大，但是在電站層面，由于其消防標準低，電池間距小，儲能電站有效面積占比高，儲能電站的總體面積與鋰離子電池儲能電站相當。鈉硫電池放電時間長，但是由于使用液態(tài)鈉，運行于高溫下容易燃燒，因而消防配置成本較高，目前應用項目較少。

3 全釩液流電池應用前景

經(jīng)過近20 年的發(fā)展，全釩液流電池儲能技術(shù)已經(jīng)進入初步的商業(yè)化階段，其在應用前景方面具有以下優(yōu)勢：

（1）本質(zhì)安全。其為“水相電池”，儲能介質(zhì)為電解質(zhì)水溶液，常溫、常壓下封閉運行，無起火爆炸危險，且儲能系統(tǒng)整體可靠性高。

（2）使用壽命長。充放電循環(huán)次數(shù)可達2 萬次以上，使用壽命超過15 年。

（3）效率高。目前DC80%左右。

（4）資源可持續(xù)。釩作為電池活性物質(zhì)使用，總量無損失，可再生反復使用，被稱為“能源銀行”，我國的釩資源豐富。

（5）系統(tǒng)殘值高。生命周期內(nèi)物質(zhì)損失少、殘值高，僅電解液一項殘值通常達到70%，電堆材料可回收再生。

（6）環(huán)境友好。無排放，不污染環(huán)境，電池系統(tǒng)主要由碳材料、塑料、金屬材料組裝而成，易回收，有些金屬材料可持續(xù)使用，碳材料、塑料可以作為燃料來加以利用，液流電解液和固體電池電堆分開回收。

（7）可靠性高?？深l繁100%DOD（Depth of Discharge，深度放電），具有2 倍以上的過載能力。

（8）系統(tǒng)配置靈活性強。功率模塊和能量模塊定制化設(shè)計，功率與容量獨立配置，“量體裁衣”。

（9）系統(tǒng)設(shè)計全模塊化。由多個單電池疊合而成，與其他類型的電池相比，電堆和電池單元儲能系統(tǒng)模塊額定輸出功率大，易于系統(tǒng)集成和規(guī)模放大。

（10）啟動速度和響應特性好。室溫條件運行，充放電過程無相變化，所以啟動速度快，充放電狀態(tài)切換響應迅速。

（11）與主要應用場景匹配性好。單個循環(huán)超過4 h，適合大規(guī)模儲能，壽命與新能源、電網(wǎng)主要硬件壽命相當，適合同期建設(shè)及一體化配置和運行。

4 結(jié)束語

當前的全釩液流電池技術(shù)整體處于“從0 到1”的階段，商業(yè)化的技術(shù)和產(chǎn)品還沒有很好地釋放出電池的本體優(yōu)勢，需要加快技術(shù)迭代升級，實現(xiàn)技術(shù)裂變，盡快在高功率密度電堆、高容量密度電解液、高性能低成本電池材料、高水平電池模塊集成技術(shù)和高效輔配技術(shù)方面取得突破，進一步提升全釩液流電池的性價比，提升產(chǎn)品的市場競爭力。