钜大LARGE | 点击量：549次 | 2023年07月24日
全钒液流电池充放电损失再降低，产业化前夜，成本下滑进入快车道
近日，深圳大学化学与环境工程学院周学龙副研究员团队在国际期刊ACSAppliedMaterials&Interfaces上发表了题为PromotingPore-LevelMassTransport/ReactioninFlowBatteries:BiNanodot/VerticallyStandingCarbonNanosheetCompositesonCarbonFibers的研究论文。
与常规固体电池不同，全钒液流电池的活性物质存储于外部的储存罐中，使其具有功率和容量解耦的特性，即储电容量由电解液体积决定，而电池功率则取决于电堆尺寸。独特的流体电池结构使得该类电池具有可拓展性极强、组件设计灵活度高、使用寿命长等优点，被认为是最具前景的大规模储能技术之一。
然而，目前工业用全钒液流电池电堆功率密度较低，造成系统庞大、建设成本高等问题，限制了其进一步商业化应用。针对该现状，铋纳米点嵌于立式碳纳米阵列复合石墨毡电极被设计并制备出来用于该电池体系，以减少电池在充放电循环运行过程中的能量损失，从而大幅提升电池实际运行功率密度。
实验表明，纳米碳阵列以竖直方式致密地生长在碳纤维表面，构建了可供钒离子直接穿梭的纳米孔层通道，并且阵列表面均匀地分布着锚定的Bi纳米点，提供了丰富的活性位点。
此外，纳米碳阵列修饰过的石墨毡的比表面积从0.6m2g-1大幅提升到30m2g-1，并在电化学测试中展现出优异的催化活性。将复合电极应用于液流电池中，发现电池的电荷转移阻抗大幅降低至70mΩcm2，在高达300mAcm-2电流密度下的能量效率超过80%。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
与之对比，使用热处理石墨毡的电池在相同测试工况下电荷转移阻抗高达790mΩcm2，能量效率仅为62%。多物理场数值模拟结果表明，竖直结构优化了钒离子对三相界面的可及性，从而电极的催化活性最大化。此外，复合电极在液流电池中还表现出良好的稳定性，在长达1000圈循环测试中的能量效率衰减速率仅为每圈0.0072%。综上，良好的催化活性以及稳定性使得该类复合电极在全钒液流电池中极具应用前景。
另外，该团队还在AdvancedFunctionalMaterials（影响因子18.808，中科院JCR1区，TOP期刊）上发表了题为“WearableBiofuelCells:AdvancesfromFabricationtoApplication”的论文。该文系统总结了近年来在柔性可穿戴生物燃料电池制备和新兴领域应用方面的进展。
可穿戴设备的蓬勃发展催生了对高性能可穿戴电源系统的开发，而这些电源系统往往需要在承受频繁变形的复杂工况下供给能量。与传统二次电池和超级电容器等能源系统不同，可穿戴生物燃料电池(w-BFCs)可通过高效的生物电化学反应利用高能碳中性燃料进行发电。
独特的工作机制使其具有优异的生物相容性、环境可持续性以及卓越的小型化能力，同时这些优点也使w-BFCs在可穿戴设备供电、自供电生物传感、可控药物传递和智能伤口敷料等新兴领域展示出巨大的应用前景。
全钒液流电池正处在产业化的前夜，伴随储能的发展，钒电池的渗透率将快速提升，拥有钒资源的企业将最为受益。
1）钒电池正处于产业化的前夜，安全性突出
电化学储能领域目前仍存在技术之争，钒电池成本的快速下降正在发生，钒电池在储能领域的竞争优势逐渐显现，钒电池即将走向产业化。
通过深入调研，结合当前钒电池成本下降、政策推动的情况来看，国泰君安认为我国钒电池目前已经处在大规模产业化的前夜。随着我国储能的发展和钒电池性能的上升，钒电池在储能中的渗透率将快速上升，钒电池即将爆发。
大规模储能核心要求主要为安全、生命周期经济性。由于锂电安全事故频发，国家近期下发《电化学储能电站安全管理暂行办法（征求意见稿）》，强调电化学储能的安全性是核心要求。
钒电池安全性能突出，无燃烧风险；而从全生命周期来看，钒电池充放电对容量几乎无损耗，全生命周期性价比突出；此外，钒电池电解液只需简单电解后就能够重新使用，对环境友好。综合来看，全钒液流电池是大规模储能的最佳选择。
2）成本下降进入快车道，全生命周期性价比突出
全钒液流电池成本中电堆、电解液成本占比均在40%左右，目前钒电池的电堆成本正在快速下降。
钒电解液几乎可以完全回收，通过租赁电解液的方式可以有效降低电解液成本，实现电解液成本下降。
以典型项目测算，假设钒电池充放电次数达到1.2万次，则全生命周期看钒电池的成本为0.72元/KWh，低于锂电储能0.80元/KWh的成本。若考虑钒电解液的回收，其全生命周期成本仅为0.48元/KWh，随着钒电池产业化带来的成本下降，未来钒电池储能或逐渐摆脱补贴，达到经济性。
3）钒电池渗透率上升，钒资源趋紧
根据国家发改委、国家能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》所制定的目标，到2025年新型储能装机规模将达30GW以上。综合安全、全生命周期成本来看，钒电池全面领先锂电池，将在储能领域占据主导地位，预期2025年钒电池在储能领域渗透率有望达到15%-20%。
目前1GW钒电池用五氧化二钒的量为1万吨左右，假设钒电池在储能领域的渗透率达到15%，则2025年新增钒电池装机量为4.5GW，由此带来的五氧化二钒新增需求量为4.5万吨，相当于2020年钒电池市场规模的9倍，钒资源供给缺口隐现。VALUE，新材料科讯
