全釩液流電池技術助力儲能產業

張華民

作為人類生存和發展的重要物質基礎，能源是事關國計民生的戰略性資源。隨著我國社會、經濟的快速發展，對能源的需求日益增加。化石能源的大量消耗造成了嚴重的環境污染，重度霧霾天氣頻發，嚴重影響人們的身體健康和生存環境。

最近，國家提出了推動能源消費革命、推動能源供給革命、推動能源技術革命、推動能源體制革命的戰略思想。大力推進能源結構戰略調整，提高化石能源利用效率，普及應用可再生能源，是實現我國社會和經濟可持續發展的必然選擇，也是解決我國能源安全和環境污染，落實節能減排、提高全社會綠色低碳化水平國策的戰略需求。

但是，風能、太陽能等可再生能源發電具有不連續、不穩定、不可控等特性，大規模并入電網會給電網的安全、穩定運行帶來嚴重沖擊，造成大量棄風、棄光。

然而大規模儲能技術可以有效解決可再生能源發電的隨機性、間歇性和波動性等問題，實現平滑功率輸出、跟蹤計劃發電，從而提高電網對可再生能源發電的消納能力，解決棄風、棄光問題。同時，對電網調平、調峰也會發揮重要作用。

為滿足不同應用領域的需要，行業內已經研究開發出多種儲能技術，摸索出了各種儲能技術及其適用范圍，這些儲能技術具有各自的特點和適用領域。一般說來，風能、太陽能等可再生能源發電系統對儲能技術的功率和可逆存儲容量有較高的要求。抽水儲能技術、液流電池技術、鋰離子電池技術、超級鉛酸電池技術等在大規模儲能技術領域具有較好的應用前景。

八大技術優勢

與其他大規模儲能技術相比，全釩液流電池技術具有眾多優勢。

第一，全釩液流電池儲能系統運行安全可靠，可循環利用，生命周期內環境負荷小、環境友好。全釩液流電池儲能系統的儲能介質為電解質水溶液，安全性高。

第二，全釩液流電池儲能系統的輸出功率和儲能容量相互獨立，設計和安置靈活。輸出功率的大小由電堆的大小和數量決定，而儲能容量的大小由電解質溶液中釩離子的濃度和體積決定。全釩液流電池系統的輸出功率在數百千瓦至數百兆瓦范圍，儲能容量在數百千瓦時至數百兆瓦時范圍。

第三，全釩液流電池的工作原理是通過電解液中釩離子價態的變化，實現電能的存儲和釋放。反應的可逆性好，無相變化，電解液在電池內部的電極內連續流動，充放電狀態切換響應迅速。充放電循環次數在15000次以上，使用年數在15年到20年，生命周期的性價比高。

第四，全釩液流電池中正負極電解質溶液均為同種元素，電解質溶液可以通過在線再生反復循環使用。電堆及電池儲能系統主要是由碳材料、塑料和金屬材料組合而成的，當全釩液流電池系統廢棄時，金屬材料可以持續使用，碳材料、塑料可以作為燃料來加以利用。因此，全釩液流電池系統全生命周期內環境負荷較小、環境非常友好。

第五，價格便宜。近年來，隨著全釩液流電池材料技術和電池結構設計制造技術的不斷進步，電池性能不斷提高，電堆的能量效率可保持在80%以上，工作電流密度由原來的60-80mA/c㎡提高到150mA/c㎡。電池的功率密度提高了1倍，而且在此條件下，成本大幅度降低。盡管研究開發周期很短，國家的投入很低，對于1MW/5MW規模的全釩液流電池儲能系統已由2013年的7000元/kWh下降到2016年3500元/kWh。而且，充放電循環次數在16000次以上，所以，其生命周期的成本是非常低的。

第六，全釩液流電池儲能系統采用模塊化設計，便于系統集成和規模放大。全釩液流電池電堆是由多個單電池按壓濾機方式疊合而成。全釩液流電池單個電堆的額定輸出功率一般20千瓦到40千瓦之間；全釩液流電池儲能系統通常是由多個單元儲能系統模塊組成，單元儲能系統模塊額定輸出功率一般在100千瓦到300千瓦之間。與其它類型的電池相比，全釩液流電池電堆和電池單元儲能系統模塊額定輸出功率大，便于全釩液流電池儲能系統的集成和規模放大。

第七，具有較強的過載能力和深放電能力。全釩液流電池儲能系統運行時，電解質溶液通過循環泵在電堆內循環，電解質溶液活性物質擴散的影響較小；而且，電極反應活性高，活化極化較小。所以，全釩液流電池儲能系統具有很好的過載能力。而且，全釩液流電池放電沒有記憶效應，具有很好的深放電能力。

第八，液流電池的能量密度偏低，全釩液流電池更適于固定式的大規模儲能電站。

產業化應用看好

液流電池的概念是由L.H.Thaller（NASA Lewis Research Center， Cleveland， United States ）于1974年提出的，該類電池通過正、負極電解質溶液中的活性物質在電極上發生可逆氧化還原反應（即價態的可逆變化）實現電能和化學能的相互轉化。

充電時，正極發生氧化反應、活性物質價態升高；負極發生還原反應、活性物質價態降低；放電過程與之相反。

液流電池的正極和負極電解質溶液儲存于外部的儲罐中，通過泵和管路輸送到電池內部進行反應。從理論上講，不同氧化還原電堆可以組成多種液流電池。

全釩液流電池則是以不同價態的釩離子作為活性物質，通過釩離子價態變化實現化學能和電能相互轉變。

大規模電池儲能技術需要滿足一些基本的要求，即安全性高；生命周期的性價比高；經濟性好；生命周期的環境負荷低，環境友好等。

相比之下，在眾多的儲能技術中，液流電池儲能技術具有能量轉換效率高、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、安全環保等優點，成為大規模高效儲能的首選技術之一。而在眾多液流電池中，全釩液流電池儲能技術是產業化應用最多的液流電池儲能技術。