钜大LARGE | 点击量：526次 | 2023年05月29日
全钒液流电池储能系统产业发展关键
4月24-26日，由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日上午的“储能电池与技术应用（上）”专场，武汉理工大学自动化学院副教授熊斌宇在会上分享了主题报告《全钒液流电池储能系统产业发展与关键问题》，以下为演讲实录：
熊斌宇：首先感谢大家给我这次宝贵的机会跟大家交流，我是武汉理工大学自动化学院的熊斌宇。因为我这两天也听了很多的报告，包括锂离子的电池，可能今天我想跟大家分享的是我博士期间和我这两年所做的一些工作，是关于全钒液流电池储能系统，可能有点小众，但是给大家换换口味，听了这么多锂电池的。这个定位，因为它比较小众，可能大家对它的了解不是特别深入，所以我可能更多的是做一些基础上或者科普性的讲解。
我今天的演讲内容包括三个方面：第一，储能技术和现状；第二，全钒液流电池储能系统；第三，全钒液流电池的产业发展和关键问题。
首先看一下储能技术与现状。我们的全钒液流电池可能更多的是偏向于大规模储能的，所以说我选择了它的应用背景是一个电网，在发电侧、输电侧、配电侧，其实都可以有它的用途。这个背景可能大家也比较了解，一方面就是可再生能源大规模接入，我们要引入到稳定性问题，再一个方面它的消纳问题，所以我们也需要储能装置的引入。第二，我们需要储能装置有效缓解资源限制和负荷需求不断增长的矛盾，延缓设备的更新和投资。第三，可能用户侧这方面也需要一个储能装置的引入，这样一方面可以保证电能质量也可以做一些削峰填谷的一个选择。
这张图主要是不同的储能的技术路线，可以看到，储能的形式有非常多种，主要分为五大类，第一种是氢储能，第二种是机械储能，第三种是电化学，还有电储能和热储能。我今天所讲的一液流电池属于是电化学储能，我们可以看到液流电池从纵轴来讲放电时间在小时以上，可以从热备用、输配电、大功率输出，都可以有它的用武之地。
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%
这个可能大家也比较熟悉，这是2016年的数据，就是我们储能装机容量的比例图，我们电化学储能现在蓬勃的发展，但是在2016年的时候依然只有3%，但是它发展的很快，可以看到下面的柱状图，2012年的时候它的电化学装机容量规模是在接近600兆瓦的装机规模，到2018年到了3600兆瓦，已经翻了六番。为什么它可以发展这么快？我想可能有三点原因：第一点，它的成本下降非常快，可能刚才王主任也说到了，锂电池的成本，2020年我看图上面写到成本大概是在1.1元/瓦时，这样其实在几年以前还是非常贵，可能3元左右人民币，所以说成本的下降推动了它的蓬勃发展。第二点，电化学电池是不受到地域的限制的，比如说抽水蓄能或者是其他的方式，可能需要有水，所以说电化学可能会不受地域的限制。第三点，能量转换效率很高，锂电池差不多在90%以上，我的液流电池现在比较成熟的产品效率是在80%左右。这个是我们中国的储能发展技术路线图，我们可以大概看一下，我们国家给它从2015、2020年、2030年制定的不同的发展方向。
我的液流电池2015天的成本在7000元左右/千瓦时，2020年是在3500元/千瓦时，可能现在已经可以达到制定的目标了，2030年成本会更加低一些。
这个图也是不同的储能技术的参数对比，可能大家也比较熟悉，我就不过多的介绍了，它的优势，我可能会在后面再讲一下。
其实我们谈到液流电池，其实它是有非常多种的技术路线的，我今天讲的是全钒液流电池，但是实际上它有非常多种电对，比如说第一个是铁铬，正级是铬、负极是铬，还有铁钛、全钒，还有钒溴，为什么全钒液流电池这么突出呢，主要是都是钒离子，所以不存在离子互串，这种电池在这方面比较好。等下看什么是全钒液流电池储能系统。
图四就是全钒液流电池的原理图，也是比较比较抽象的原理图，肯定不是实际的。有四部分组成，首先我们要有电解液，第二个就是我要有电堆，电堆是它发生化学反应的地方，这是它的一个核心。第三个，它有两个储能罐，还要有两个电泵，这两个电泵就是储能罐里的电解液，它的正极是钒的四价跟五价组成的，负极是钒的二价和三价组成的，可能大家觉得这个图为什么是花花绿的，实际上不同的钒的二、三、四、五价是不一样的，所以画成这样子了。
还有电池堆的结构，有点类似于我们燃料电池的结构，它是由端板、双极板、集流板、石墨毡、离子交换膜、密封圈组成的，图五就是一个示意图。
它的系统结构图，其实跟锂电池是一样的，也是由EMC、BMC、PCS组成的，这个图上面有四个大罐子，上面是电堆，还有控制系统，包括散热器，下面一个图就是微观的，有一个散热器。这个就是散热功能，这个电池比较好的一点就是散热比较简单，不像锂电池可能会有很复杂的热管理系统，只需要把电解液引出来然后进行集中散热就可以了。
我来讲一讲全钒液流电池的特点，因为我之前读博士的时候做的这个电池，但是对它也是不求甚解，因为毕竟是在读文章，但是我最近一段时间也是去我们国家做的最好的一个全钒液流电池厂商，加上我自己在我的实验室里面也搭了5千瓦的小系统，所以我对它的理解更深刻一些。
第一点，安全性好。我们现在都在谈安全性，因为面对电网，我们电网安全性肯定是必须要保证的，我们的安全性怎么保证？可能全钒液流电池就有独特的特点。为什么它是安全的？因为它的电解液，它是一个水溶液，它是硫酸，可能有些厂家也有盐酸和钒离子的混合液，所以它不会燃烧，也几乎不可能爆炸，除非你把它过充了，你过充了可能就会有氯气和氧气冒出来，可能会有一些危险，你肯定管理的时候要注意。2，因为它是流动的，它电堆里面的热量就会很快的被打出来，所以它的热量会有效的排除，第二个热管理，我刚才给大家展示了，两个散热器，也是比较简单的。3，它的一致性，因为一个电堆里面可能有30多个单电池或者是50多个单电池串联在一起的，我怎么样保证它的一致性，其实就是保证进入这个单电池里面的流量是一样的恩就可以了，所以说我们是可以通过设计这个流场来达到它的一致性。
第二点，寿命长。充放电过程中电机材料只是一个界面，所有的反应都是那个钒的二价到三价、三价到四价、四价到五价这样的反应，所以没有一个相变的过程，不像锂电池可能有嵌入和脱嵌的过程，所以它的电极可以一直保持稳定。2，它的过放是没有任何问题的，我们经常会把这个电池电全部放掉，没有任何问题，本身他初始状态就是有二价和三价、三价和四价钒电池的电解液所混出来的，所以过放是没有什么问题的，过充肯定是有问题的。
第三点，设计灵活。我的容量其实可以设计的无限大，比如说最极端的例子，比如这个储能罐很大，电解液非常多，我们的功率是由电堆的截面积所决定的。
第四点，容量可恢复。你这个电池，刚才看到隔膜，隔膜肯定我们想它的选择性是百分之百的，我可以把二价、三价、四价、五价的正负电解液全部隔开，但是实际中是不可能的，肯定有互串，就有自放电、容量衰减，但是容量衰减是不是就不能用呢？不是这样的，如果有小规模容量衰减的话，其实都无所谓，比如说真正衰减到30%或者40%以后，我可能就给它做一个大的手术，我们就是正负电解液互混，互混以后就变成初始状态，我们就又可以用了。
这个是发展历程，首先概念是1974年NASA的Thaller提出的铁铬液流电池，这个技术路线最后验证是被淘汰的。日本是跟进最早的，日本是NEDO1980年就跟进了全钒液流电池，现在日本做全钒液流电池最大的厂商是住友集团，他们也是老大哥了，做这个做得很好。1986年是Maria，澳大利亚新南威尔士大学的一个教授，他申请了VRB专利，也是全钒液流电池的第一代产品，或者是它的一个鼻祖。1988年就是展示了1千瓦的电堆，同时也在泰国在不同的地区有一个展示。我们国家现在做的比较好的就是大连融科集团，他们10几年一直在做这个事情，从1千万、2千万、2005年做到10千万，到2015年做到33千万的电堆。33千万的电堆可能会有讲台一半这么大，就是它的尺寸。
这个图就是电堆的规模，我们可以看到，这个数据还是不全的，2000年以后的数据都没有去搜集它，可能下一步要把这个工作做好。电堆规模也是在不断增大的。
可能大家也有疑问，既然储能电池寿命也长、寿命也高、也比较安全，为什么它的市场份额会那么少，或者不是那么容易被产业接受呢？那也是他的一个致命的缺点，就是他的能量密度或者是我们所说的比能量会比较低一些，因为它的电解液差不多是在25瓦时/升，但是锂离子电池可能200—300瓦时/升，所以说同样一个体积，锂电池的能量是它的10倍，所以说它很占地方。第二个，因为它确实很贵，等会儿也可以看到五氧化二钒，钒矿的价格涨的非常厉害，所以它的成本一直下不来。
这个地方是我们统计的，从网上找的一些资料，可以分享给大家。装机容量的市场规模，我们可以看一下，虽然它的绝对值在增长，从2011年的装机容量只有3千万到2017年有15.6，这个统计可能有问题的，不可能只有这么一点。我们看一下趋势，趋势应该是对的，但是绿色的线大家可以看一下，那个表示的是它的市场，在电化学储能这里面的市场份额，它是在不断下降的，就是我刚才说的原因，一个是它大、一个是它贵，所以对于市场来说它可能不接受。
可持续发展。我们国家钒矿的储能，我们是一个非常富有钒的国家，所以我们也可以利用这个优势，我觉得这个产业还是有很大的发展的，还有它的装机容量，这个地方我就不再多说了。
我们的储能项目，目前为止大部分都是示范项目，示范项目其实日本住友，你可以看到，有15兆瓦的，都是2015年的时候，15兆瓦的，现在看来是不大的，我们的储能，前两年做的比较大的项目，湖北枣阳的光伏和全钒液流电池储能对它的平抑波动和削峰填谷这样的作用。这是3千瓦—12千瓦的，时间标错了，大概应该是2016年左右。大连融科就是我们跟中国化物所来一起建立合作的，它的调峰储能电站，现在目前的就是200兆瓦/800兆瓦时，其实它是很大规模的，现在正在实施，一期工程100兆瓦，现在正在进行中。还有国外的有德国的、美国的这些公司，我觉得液流电池技术的优势我们国家应该是走在最前列的。
这里展示一些行业标准，比较初步的一些，包括2013年的一些术语，到这两年的安全要求，还有一些行业内的标准，安全技术规范、电解液技术等等。国外IEC的一些标准，包括通用技术、安全性。
我们可以看一下专利的水平，中国最多的，1310个专利，其他就是美国、日本，这个发展并不是特别好，同时我也搜了一下锂电池的状态，它的专利可能就是3000多，不受到市场的重视。
下面这个表是做的比较好的科研单位或者、大学，清华、大连化物所、中南大学、华北电力大学，后面还有相关的。
主要公司，一个是日本住友、奥地利的、中国普能、融科，美国的、德国的，还有德国研究机构。
它的问题：
材料问题，材料电解液，电解液的能量密度怎么提高，怎么能够让它体积小一点，稳定性，稳定性问题怎么解决？高温的时候容易沉淀。还有溶解性，溶解的比较低的话，自然能量密度就低。离子交换膜，我们其实很多科研院所也在做，当然我不是做材料的，很多也在做离子交换膜，但是我们做的离子交换膜有一些突破，但是也归有一些问题，包括它的可靠性、稳定性，比如我用了这个膜以后，可能过两年变得比较脆，很容易破掉，或者它的可塑性不是那么强，会很容易变形在里面，还有它的选择性，如果选择性不好直导致它的库伦效率会比较低。高内阻，内阻就是说我的流畅怎么设计，还有就是我的材料，我的材料怎么样去活化它，怎么样去降低它的内阻，这个也是关键性问题。
建模问题，这个电池本身有一个独特的特性，它有漏电流或者旁路电流，因为它的结构比如说是30多个电池一起串联的，相邻两个之间电池会进行相当于是短路，这样的话就会有一个漏电流产生，还有它的热模型、电气模型是怎么建立的。
运行优化问题，第一个是流速优化，流速优化会直接影响它的效率。还有电堆的结构，最终会影响它的效率和寿命。
商业化挑战，一个是原料上涨，还有相对循环效率比较低，因为锂电池一般都是90%或者90%以上，现在来讲液流电池整个系统大概75%以上、80%，还是有很大德尚生空间的。
离子交换膜，最成熟的产品当然是杜邦公司的，杜邦公司115、112、117，还有其他公司的，还有复合的膜，还有其他的非全氟的交换膜，都是我们研究的方向，膜的成本也非常高。
电解液，从1.5摩尔/升，到2.6摩尔/升，到下面的2.5—3摩尔/升，这样的钒离子的电解液，它的功率密度其实是在不断增加的。
我们自己也发了一些相关的文章，一个是漏电流建模，这个图用的是别人的图，但是旁边是我们自己画的。热模型、电热耦合模型，这是我们自己做的，我们考虑温度上升对它的影响。
电堆流畅如何设计，让它的运行方式比较好，让它的效率比较高，其实也是一个流速优化的问题，我怎么样把它的能量效率提高。
最后一点我想跟大家分享的就是，为什么它推动这么困难？就是因为它的钒价非常高，从2016年的4.4万元/吨到40万元/吨，暴涨了10倍，所以说它现在的成本大概是3.5元/瓦时，现在这个阶段它跟锂电池是很难PK的，未来可能等待这个市场更加理性一点，我节的它的发展前途还是无量的。
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