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 全釩液流電池發展概況

全釩液流電池是一種正極和負極均采用循環流動的釩溶液做為儲能介質的可以實現充電和放電的電池，通過充電和放電實現電能和化學能的相互轉化，進而實現電能的儲存和釋放。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）、循環泵以及管理系統構成，其中電堆由多個單電池串聯而成，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成一個儲能模塊，多個儲能模塊可以構成一個儲能系統或儲能電站（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；電池內部的電化學反應在內部表現為氫離子的遷移，則在外電路中產生電流。

2 全釩液流電池的技術特點

對于規模儲能應用而言，系統功率和儲能容量大，一般為十兆瓦到幾百兆瓦甚至吉瓦級。對于儲能技術路線的選擇，主要從安全性、環境友好性、資源可持續性、度電成本（或系統成本）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模等重要指標。

（1）從各種儲能技術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勢能和形態變化實現儲能，不存在化學反應，可靠性優異。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）是評價大規模儲能技術成本的重要指標，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 最低的儲能技術路線。

圖4 當前主要儲能技術路線綜合指標比較

（2）從資源可持續性來看，壓縮空氣儲能和液流電池儲能具有一定優勢，主要是其儲能介質資源豐富，而鋰離子電池因鋰資源及鋰離子電池其他相關活性物質資源有限，且全球儲量分布不均，我國資源儲量不占優勢，抽水蓄能受地理條件和水利資源限制，有一定生態影響，當前優質資源開發基本接近上限。環境友好性方面，所有電池儲能技術路線在運行時均不會產生“三廢”（即廢氣、廢水、固體廢棄物），環境友好性較好。退役電池的處理是制約電池儲能大規模發展的一個關鍵制約因素，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，對環境也產生一定影響，液流電池的電解液等材料回收容易，不會產生環境污染問題，而且殘值比較高。

（3）圖5 是7 種主流儲能技術路線技術指標的比對。

圖5 當前主要儲能技術路線技術指標比較

抽水蓄能具有儲能容量大的優點，缺點是其受地理條件、轉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。

飛輪儲能的主要優點是高充放電功率，高循環次數，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，主要缺點是循環次數、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，實現二者的定制化配置，同時可以儲存長達數小時至數天的能量，且較為安全，循環壽命較長，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

經過近20 年的發展，全釩液流電池儲能技術已經進入初步的商業化階段，其在應用前景方面具有以下優勢：

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

（2）使用壽命長。充放電循環次數可達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。釩作為電池活性物質使用，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）系統殘值高。生命周期內物質損失少、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）環境友好。無排放，不污染環境，電池系統主要由碳材料、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。可頻繁100%DOD（Depth of Discharge，深度放電），具有2 倍以上的過載能力。

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

（9）系統設計全模塊化。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模塊額定輸出功率大，易于系統集成和規模放大。

（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，充放電狀態切換響應迅速。

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

4 結束語

當前的全釩液流電池技術整體處于“從0 到1”的階段，商業化的技術和產品還沒有很好地釋放出電池的本體優勢，需要加快技術迭代升級，實現技術裂變，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和高效輔配技術方面取得突破，進一步提升全釩液流電池的性價比，提升產品的市場競爭力。